第1章 电磁学的基本知识与基本定律2

第0章绪论在现代化工业生产过程中，为了实现各种生产工艺过程，需要使用各种各样的生产机械。拖动各种生产机械运转，可以采用气动、液压传动和电力拖动。由于电力拖动具有控制简单，调节性能好、损耗小、经济、能实现远距离控制和自动控制等一系列优点，因此大多数生产机械均采用电力拖动。按照电动机的种类不同，电力拖动系统分为直流电力拖动系统和交流电力拖动系统两大类。电机是利用电磁感应原理工作的机械，它应用广泛，种类繁多，性能各异，分类方法也很多。常见的分类方法为：按功能用途分，可分为发电机、电动机、变压器和控制电机4大类。按照电机的结构或转速分类，可分为变压器和旋转电机。根据电源的不同，旋转电机又分为直流电机和交流电机两大类。交流电机又分为同步电机和异步电机两类。综合以上分类方法，可归纳如下：直流发电机直流电动机直流电机同步电机同步发电机同步电动机异步发电机异步电动机交流电机异步电机电机控制电机变压器（也属交流电机的一种，但它静止不动）0.1本课程的性质、任务和内容本课程是电气自动化和机电一体化等专业的一门专业基础课。它是将“电机学”、“电力拖动”和交直流调速等课程有机结合而成的一门课。先修课程：大学物理、电路、电子技术等。后续课程：电力电子、工厂供电、运动控制、继电保护等。本课程的任务是使学生掌握变压器、交直流电机的基本结构和工作原理以及电力拖动系统的运行性能、基本分析计算、电机选择及试验方法，为学习后续课程和今后的工作打下必要的基础，同时也培养学生在电机及电力拖动方面分析和解决问题的能力。本课程的内容有直流电机，直流电动机的电力拖动，变压器，三相交流异步电动机，三相交流异步电动机的电力拖动，电动机的选择等。电机学及电力拖动既是一门理论性很强的技术基础课，又具有专业课的性质，涉及的基础理论和实际知识面广，是电学、磁学、动力学、热学等学科知识的综合，所以理论性较强。为学好电机及电力拖动这门课，学习时应注意以下几点：1.注意共性问题电机种类繁多，各具特性，但就其内部电磁关系耦合过程和机电能量转换关系，仍有其内在联系。他们的基本工作原理都是建立在电磁感应定律和电磁力定律基础上的；他们的能量转换都是以磁场为媒介，其电磁关系可抽象为电路参数，得出基本方程式和等值电路，这是共性方面。2.注意课程主线在学习中应将变压器、交流电机、直流电机的相似性有机地统一起来，注意课程内容的内在联系，形成学习本课程鲜明的主线，只要学好了变压器，对交流机和直流机的内容就比较容易掌握了。3.注意理论联系实际理论联系实际，注重做好本课程开设的相关实验，立足于学会使用各类电机，在实验中学习解决实际问题的方法，注意培养解决工程实际问题的能力。要站在应用的角度看电机，把电机视为拖动系统中的一个器件来学习，不宜过多地耗时于电机的内部电磁关系。电机中的三大物理量:电、磁、机械（机电能量转换）*电：以“路”的形式出现，线圈（绕组）构成电路，较熟；电路：电流流过的路径我们称之为电路。*磁：以“场”的形式出现，本科阶段一般以磁路进行分析；磁路：磁力线所经过的路径称为磁路。*机：机械能，电机中与之相关的有转矩、转速等。0.2本课程常用的物理概念1磁感应强度(或磁通密度)B磁场是由电流产生的。描述磁场强弱及方向的物理量是磁感应强度B。为了形象地描绘磁场，采用磁感应线或称磁力线，磁力线是无头无尾的闭合曲线。图0.1中画出了直线电流，圆电流及螺线管电流产生的磁力线。图0.l电流磁场中的磁力线通常把穿过某一截面S的磁力线根数被称为磁感应强度，用磁通来表示。在均匀磁场中，把单位面积内的磁通量称为磁通密度B，且有ΦBS磁感应强度B与产生它的电流之间的关系用毕奥—萨伐尔定律描述，磁力线的方向与电流的方向满足右手螺旋关系，如图0.2所示。图0.2磁力线与电流的右手螺旋关系2磁感应通量(或磁通)穿过某一截面面的磁感应强度B的通量，即穿过截面S的磁力线根数称为磁感应通量，简称磁通。用表示。即SBdSB为单位截面积上的磁通，称为磁通密度，简称磁密，在电机和变压器中常采用磁密。在国际单位制中，的单位名称为韦[伯]单位符号Wb，B的单位名称为[特斯拉]，单位符号T，lT＝lWb／m2。在均匀磁场中，如果截面S与B垂直，如图0.3所示，则上式变为BS图0.3均匀磁场中的磁通3.磁场强度和方向由载流导体产生的磁场大小可用磁场强度H来表示，磁力线的方向与电流的方向满足右手螺旋关系。如图所示，假定在一根导体中通以电流i，则在导体周围空间的某一平面上产生的磁场强度H为liH（1-1）ilcHiHiilcll图1-1载电导体产生的磁场如果载流导体是匝数为N的线圈（如图1-2），则上式可表示为（1-2）ui图1-2通电线圈产生的磁场lNiH3磁场强度H磁场强度H是为建立电流与由其产生的磁场之间的数量关系而引入的物理量，其方向与B相同，其大小与B之间相差一个导磁介质的磁导率BH磁导率是反映导磁介质导磁性能的物理量，磁导率越大的介质，其导磁性能越好。磁导率的单位是H／m(亨/米)。国际单位制中磁场强度H的单位名称为安[培]／米，单位符号A／m。真空的磁导率0=4×10-7H/m。铁磁材料磁导率0，例如铸钢的约为0的1000倍，各种硅钢片的约为0的6000一7000倍。铁磁材料包括铁、钴、镍及其合金。除此之外所有材料统称为非铁磁材料。非铁磁材料的磁导率接近与真空的磁导率0H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。铁芯的增磁（增磁通）功能4磁势F：NiF5磁链：N导磁材料及其特性由电磁感应原理可知，通过磁场的作用可以产生电或力，因此各种电机的工作原理离不开磁场和磁性材料，磁性材料是构成各种电机的关键材料。人们发现自然界有的材料具有导磁的特性，称为导磁材料。而没有导磁特性的称为非导磁材料。B-H曲线磁性材料的磁场强度H与磁通密度B存在一定的关系，其关系用图形表示称为B-H曲线，也称为磁化曲线，是表示磁性材料最基本的特性。1.真空磁导率在真空中，磁场强度H与磁通密度B成正比关系，即0BH真空磁导率0≈410-7H/m非导磁材料，比如铜、铝、橡胶和空气等，具有与真空相近的磁导率，因此在这些材料中，磁场强度H与磁通密度B的关系可用图1-6中的B-H曲线来表示。012001000800600400200H/（A/m）00.40.81.21.62.0B/T图1-6真空与非导磁材料的B-H曲线铁磁材料为了提高材料的导磁能力，人们在寻求自然材料的同时，通过人工合成的办法获得各种高导磁材料。铁磁材料（包括铁、钴、镍以及它们的合金）具有比真空大数百倍到数千倍的磁导率，因此常作为电机的磁性材料。铁磁材料的主要特性如下：1.B-H曲线的饱和非线性由于铁磁材料的磁化特性是非线性的，通常用B-H曲线来表示。磁化曲线基本上可分为四段：1开始磁化时，外磁场较弱，磁通密度增加得不快，如Oa段所示。2随着外磁场的增强，材料内部大量磁畸开始转向，趋向于外磁场方向，此时B值增加得很快，如ab段所示。3若外磁场继续增加，大部分磁畴已趋向外磁场方向，可转向的磁畴越来越少，B值增加越来越慢，如bc段所示，这种现象称为饱和。4达到饱和以后，磁化曲线基本上成为与非铁磁材料的B＝0H特性相平行的直线，如cd段所示。磁化曲线开始拐弯的点(b点)，称为膝点。设计电机和变压器时，为使主磁路内得到较大的磁通量而又不过分增大励磁磁动势，通常把铁心内的工作磁通密度选肄在膝点附近。由此可见，不但不同的磁性材料存不同的磁导率、同—材料当其磁通密度不同时．亦有不同的磁导率。磁化曲线图在oa段：当H增大→B增大，但B增大速度较慢；在bc段：B随H增大的速度又较慢；在cd段：为磁饱和区（又呈直线段）。其中，a点称为跗点；拐弯点b称为膝点；c点为饱和点。过了饱和点c，铁磁材料的磁导率趋近μ0。在ab段：当H增大→B增大，B增大速度快；2．磁滞特性及其损耗以上讨论了铁磁材料的单向磁化过程，但是被磁化的铁磁材料在去除外磁场后仍然会保留一定的磁性，不能恢复到磁化前的初始状态。铁磁材料呈现的这种磁通密度B变化滞后于外磁场H的变化的现象被称为磁滞特性。如果铁磁材料处于周期性交变磁场中，其磁化特性如图1-8所示，B-H曲线呈现封闭性，称为磁滞回线。图1-8铁磁材料的磁滞回线HBHm-HmBm-BmBrHcabcdefOabcedO对于同一种铁磁材料，选择不同的磁场Hm进行反复磁化，可测出一系列大小不同的磁滞回线，如图1-9所示。再将所有磁滞回线在第一象限的顶点连接起来，所形成的曲线称为基本磁化曲线或平均磁化曲线。基本磁化曲线可解决磁滞回线B-H的多值函数问题，在工程中得到广泛应用。BHO图1-9基本磁化曲线铁磁材料被反复磁化时，B-H曲线不是单值的，是一条磁滞回线。BHOHmBm剩磁－Hm矫顽磁力Br－Hc－BmHc－Br磁滞回线BHO基本磁化曲线同一个H值下，有两个B值与之对应。当H=0时，B≠0，B=Br，Br称为剩磁；当B=0时，H≠0，H=Hc，Hc称为矫顽力。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。(1)硬磁物质B－H曲线宽，Br大、Hc大。用于制造永磁铁。(2)软磁物质B－H曲线窄，Br小、Hc小。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，磁性物质可分为磁路的材料不同，其导磁性能也不同。铁磁材料的特点：（1）磁导率不是常数，磁导率随着外加磁场的变化而发生相应的变化，存在磁饱和现象。（2）在交变磁场的作用下，存在磁滞和涡流现象，在铁磁物质内产生能量损耗，即铁耗。磁滞损耗：铁磁材料置于交变磁场中时，材料被反复交变磁化，与此同时，磁畴相互间不停地摩擦、消耗能量、造成损耗，这种损耗称为磁滞损耗。Ch－取决于不同材料的系数；f－电流交变频率；Bm－铁心中的最大磁通密度；n－与材料及Bm有关的系数。对一般电工钢片n取1.5～2.5；V－铁心的体积。正比例于磁滞回线的面积nhhhmpKfHdBCfBV磁滞损耗与磁场交变的频率f以及磁滞回线的面积成正比。由于现在P就是为了建立交变磁场所需的功率，那么其在一个周期时间T内的平均值也就是铁心的磁滞损耗，即有nhhhmpKfHdBCfBV（1-11）说明，铁磁材料的磁滞损耗与磁滞回线的面积、电源频率f，以及铁心体积V成正比。由此，为了降低磁滞损耗应选用磁滞回线面积小的铁磁材料，并尽量减少铁心的体积。比如：硅钢片的磁滞回线面积小，且因磁导率高可减小铁心体积，常被选用作为电机和变压器的铁心材料。dHB3．涡流特性及其损耗对于硅钢片一类具有导电性的铁磁材料还有一个重要特性，即在交变磁场的作用下，铁心中会出现涡流，并由此产生涡流损耗。Bmwlh图1-10硅钢片中的涡流如图1-10所示，由于铁心是导电的，在交变磁通的作用下，根据电磁感应定律，铁心中将产生感应电动势，这个电动势作用在导体上，就引起电流。这些电流在铁心内部围绕磁通形成旋涡状流动，故称为涡流。涡流在铁心中要产生一定的能量损耗，称为涡流损耗。涡流损耗：因为铁心是导电的，故当通过铁心的磁通随时间变化时，根据电磁感应定律，铁心中将产生感应电动势，并引起环流。这些环流在铁心内部围绕磁通作旋涡状流动，称为涡流。涡流在铁心中引起的损耗，称为涡流损耗。2222222/6emempfdBVKfdBV可见在一定f,Bm,V时减少钢片厚度，增加涡流回路电阻率可减少涡流损耗。因此电工钢片多做成0.5mm和0.35mm厚，并加入适当硅（4%左右），即可提高电阻率又可使磁滞回线面积缩小。电阻率涡流损耗与磁场频率f、磁通密度Bm和硅钢片的厚度成正比；与铁心的电阻率成反比。铁心损耗：电机和变压器中的磁路主要由特磁材料构成，称为铁心。当铁心中穿过交变磁通时将产生磁滞和涡流损耗，实测时很难将二者分开，它们合称铁耗。2FeFempCfBG