第1章磁路

第1章磁路电能机械能电动机发电机磁场本章要求：掌握铁磁材料的性质及其磁化曲线.熟练掌握电磁感应定律和电磁力定律;掌握研究磁路的几个基本定律;掌握描述磁路的基本物理量;掌握磁路的简单计算;上一张下一张1.1.1磁场的基本物理量1.磁感应强度B电流→←用磁力线描述磁场描述磁场中某点强弱和方向的物理量，是一个矢量。定义式：上一张下一张磁力线是闭合的，且围绕着产生它的电流，并满足右手螺旋定则。FBLI单位：T磁场内各点的磁感应强度大小相等，方向也相同，称为均匀磁场。1.1磁路的基本物理量及基本定律2.磁通ΦSBdS单位：Wb穿过某一截面S的磁力线总数或磁感应强度B的通量，即均匀磁场，若B与S相互垂直，则：BS上一张下一张或：BS磁通密度，单位:Wb/m2若S的法线与B的方向之间夹角为cosBS3.磁场强度H表征磁场性质的另一基本物理量，是矢量。单位：A/mBH反映磁性材料的导磁能力上一张下一张μ0=4π×10－7H/m真空中的磁导率:铁磁材料的磁导率:00r即各种矽钢片材料，6000~7000r对于铸钢，1000rH与B的区别①H∝I，与介质的性质无关。②B与电流的大小和介质的性质均有关。上一张下一张1.1.2磁路的概念上一张下一张磁力线经过的路径称为磁路。电机空载磁路主磁通：绝大多数在铁心中闭合的磁通。漏磁通：在部分铁心和铁心周围的空间存在的少量分散的磁通。NS励磁线圈：用以激励磁路中磁通的载流线圈。励磁电流：励磁线圈中的电流，有直流和交流之分。电生磁的基本定律——安培环路定律磁生电的基本定律——法拉第电磁感应定律电磁力定律磁路的欧姆定律磁路的基尔霍夫第一定律磁路的基尔霍夫第二定律上一张下一张1.1.3磁路的基本定律磁场中沿任一闭合回路的磁场强度H的线积分等于该闭合回路所包围的所有导体电流的代数和，即有iHdlLiiiHdl321HLNiF1.电生磁的基本定律——安培环路定律F称为磁势，是磁场源，即磁场是由磁势（安匝数）产生的。上一张下一张2.磁生电的基本定律——电磁感应定律1）运动电势：导体在磁场中运动时，导体中会感应出电势e。电势大小：e=Blv。B:磁密；l：导体长度；v：导体与磁场的相对速度。正方向：用右手定则判断。ev上一张下一张2）变压器电势：线圈中的磁通变化时，线圈中会感应电势e：感应电势e=ddt=ddt-N电势e正方向：e的正方向与正方向符合右手螺旋关系INe上一张下一张楞次定律3、毕-萨电磁力定律一个通电流的导体，在磁场中要受到力的作用，这个力叫电磁力。电磁力f=Bliif电磁力方向：左手定则判断上一张下一张在旋转电机里，作用在转子载流导体上的电磁力将使转子受到一个力矩，即为电磁力矩。在电机进行机电能量转换过程中起着重要作用。4.磁路欧姆定律μcAclcμ0A0l0+u－iΦ安培环路定律:Bc=ΦAcHc=Bcc∮Hdl=I=F铁心中：气隙中：左边=∮Hdl=∮Hdl=Hclc＋H0l0=ΦcAcB0=ΦA0H0=B00=Φ0A0上一张下一张磁阻:=(Rmc＋Rm0)Φ=RmΦRm=Rmc+Rm0lccAc=(＋)Φl00A0lccAc=＋l00A0右边=I=NI=F因此RmΦ=FΦ=FRm磁路欧姆定律磁动势NI一定时，因Rm0的存在，使Φ大大减小；若要保持Φ一定，则需增大磁动势F。由于c0，因此Rm0Rmc。上一张下一张[例1-1]有一闭合铁心磁路，铁心的截面积A=9×10-4m2,磁路的平均长度l=0.3m，铁心的磁导率μFe=5000μ0，套装在铁心上的励磁绕组为500匝。试求在铁心中产生1T的磁通密度时，需要多少励磁磁动势和励磁电流？解用安培环路定律求解如下A/m159A/m10π450001/7FeBHA7.47A3.0159HlFA1054.9A5007.47/2NFi上一张下一张5、磁路的基尔霍夫定律（1）磁路的基尔霍夫第一定律03210或上一张下一张（2）磁路的基尔霍夫第二定律mm22m11221131kkkRRRHlHlHlHNi上一张下一张磁路和电路有相似之处，却要注意有以下几点差别：1）电路中有电流I时，就有功率损耗；而在直流磁路中，维持一定磁通量，铁心中没有功率损耗。2）电路中的电流全部在导线中流动；而在磁路中，总有一部分漏磁通。3）电路中导体的电阻率在一定的温度下是恒定的；而磁路中铁心的导磁率随着饱和程度而有所变化。4）对于线性电路，计算时可以用叠加原理；而在磁路中，B和H之间的关系为非线性，因此计算时不可以用叠加原理。上一张下一张1.2常用的铁磁材料及其特性按磁导率分类：非磁性物质、磁性物质。非磁性物质≈0上一张下一张0磁性物质1.2.1铁磁物质的磁化铁磁材料在外磁场中呈现很强的磁性，称为铁磁物质的磁化。磁性物质内部存在着很多很小的“磁畴”。磁畴（磁化前）磁畴（磁化后）磁性物质的高导磁性被广泛应用于变压器和电机中。上一张下一张※铸钢：≈10000硅钢片：≈(6000~7000)0玻莫合金：比0大几万倍。起始磁化曲线BHO1.2.2磁化曲线和磁滞回线B=H（≠常数）磁化曲线磁化曲线abcdB=f(H)a点称为跗点；拐弯点b称为膝点；c点为饱和点。上一张下一张BHOHmBm剩磁－Hm矫顽磁力Br－Hc－BmHc－Br磁滞回线BHO基本磁化曲线上一张下一张磁滞回线和基本磁化曲线(1)硬磁材料B－H曲线宽，Br大、Hc大。如钨钢、钴钢等用于制造永磁铁。(2)软磁材料B－H曲线窄，Br小、Hc小。如硅钢片、铸钢等用于制造变压器、电机等电器的铁心。(3)矩磁物质B－H曲线形状接近矩形，Br大、Hc小。用于计算机中，作记忆单元。按磁滞回线的不同，磁性物质可分为上一张下一张由于电机铁芯采用软磁材料制成，其磁滞回线瘦窄，在进行磁路计算时，为了简化计算，不考虑磁滞现象，而用基本磁化曲线来表示B与H之间的关系，故通常所讲的铁磁材料的磁化曲线是指基本磁化曲线。上一张下一张nhhmpCfBV(1)磁滞损耗铁磁材料在交变的磁场中反复磁化，磁畴间相互摩擦，产生损耗，这种损耗称为磁滞损耗。磁滞损耗与交变磁场的频率f、铁芯的体积V、磁滞回线的面积成正比。磁滞损耗功率可用下式表示：式中Ch——磁滞损耗系数，它的大小取决于材料性质；对一般电工钢片n=1.6～2.3；f——磁通交变频率；Bm——磁通密度的最大值。1.2.3铁芯损耗交流磁路中存在铁芯损耗，铁芯损耗又分为磁滞损耗和涡流损耗。上一张下一张涡流损耗功率可用下式表示：式中Δ——钢片厚度,为减小损耗,电机和变压器的铁心都用(厚度为0.35-0.5mm)硅钢片叠成。VBfCpmew222(2)涡流损耗铁芯是有阻值的，当磁通交变时，铁芯中就会感应交变的电势，在导电的铁芯中就会产生环流，这种电流在铁芯构成的回路与磁通相环链，故称涡流，涡流产生的损耗称为涡流损耗。上一张下一张ΦwhFeppp(3)铁芯损耗铁芯中的磁滞损耗和涡流损耗之合称为铁芯损耗，即有：对于一般的电工硅钢片，可以近似写成：GBfCPmFeFe23.1铁心损耗与频率的1.3次方、磁通密度的平方和铁心重量成正比。上一张下一张ΦΦ铜损耗使线圈发热，铁损耗使铁心发热。减小铁损耗的方法：①使用软磁材料减小Ph。②增大铁心的电阻率，减小涡流及其损耗。③用很薄的硅钢片叠成铁心，减小涡流及其损耗。涡流损耗(a)(b)0.35mm0.30mm0.27mm0.22mm上一张下一张1.3直流磁路的计算磁路计算正问题——给定磁通量，计算所需的励磁磁动势磁路计算逆问题——给定励磁磁势，计算磁路内的磁通量磁路计算正问题的步骤：1）将磁路按材料性质和不同截面尺寸分段；2）计算各段磁路的有效截面积Ak和平均长度lk；3）计算各段磁路的平均磁通密度Bk，Bk=Φk/Ak；4）根据Bk求出对应的Hk；5）计算各段磁位降Hklk，最后求出F=∑Hklk。磁路计算逆问题——因为磁路为非线性的，用试探法。上一张下一张一、简单串联磁路[例1-2]铁心由铸钢和空气隙构成，截面积AFe=0.0009m2，磁路平均长度lFe=0.3m，气隙长度δ=5×10-4m，求该磁路获得磁通量Φ=0.0009Wb时所需的励磁磁动势。上一张下一张考虑气隙磁场的边缘效应，在计算气隙有效面积时，在长、款各增加一个δ值。解：铁心内磁通密度为T1T0009.00009.0FeFeAB从铸钢磁化曲线查得：与BFe对应的HFe=9×102A/m空气隙中：A385A1051077A/m1077A/m104967.0T967.0T1005.30009.0447042lHBHAB铁心段的磁位降：A270A3.01092FeFelH所以，励磁磁势为F=HFelFe+Hδlδ=655A上一张下一张作业：例1-21-8上一张下一张本章小结磁场的几个基本物理量；电磁学的几个基本定律：电磁感应定律，电磁力定律，安培环路定律，磁路的欧姆定律以及磁路的基尔霍夫定律；铁磁物质的磁性能：磁化曲线与铁损耗问题。