四川大学《电工学》(非电类专业)课件――第七章 机电能量转换原理

下一页总目录章目录返回上一页第7章机电能量转换原理7.2磁路及其分析方法7.5电能与机械能的转换7.6工程应用7.1电与磁7.3交流铁心线圈电路7.4变压器下一页总目录章目录返回上一页2.了解变压器的基本结构、工作原理、运行特性和绕组的同极性端，理解变压器额定值的意义；3.掌握变压器电压、电流和阻抗变换作用；4.了解三相电压的变换方法；本章要求：第7章磁路与铁心线圈电路5.了解电磁铁的基本工作原理及其应用知识。1.理解磁场的基本物理量的意义，了解磁性材料的基本知识及磁路的基本定律，会分析计算交流铁心线圈电路；下一页总目录章目录返回上一页7.1电与磁电磁学发展的过程：电学的发展：库仑定律电磁感应现象的发现：法拉第电磁感应定律电产生磁的发现：安培定律电磁关系的准确阐述：麦克斯韦方程下一页总目录章目录返回上一页7.2磁路及其分析方法7.2.1磁路7.2.1磁路：在电机、变压器及各种铁磁元件中常用磁性材料做成一定形状的铁心。铁心的磁导率比周围空气或其它物质的磁导率高的多，磁通的绝大部分经过铁心形成闭合通路，磁通的闭合路径称为磁路。+–NIfNSS直流电机的磁路交流接触器的磁路下一页总目录章目录返回上一页1磁感应强度B:表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。磁感应强度B的大小:磁感应强度B的方向:与电流的方向之间符合右手螺旋定则。lIFB磁感应强度B的单位:特斯拉(T)，1T=1Wb/m2均匀磁场:各点磁感应强度大小相等，方向相同的磁场，也称匀强磁场。7.2.2磁场的基本物理量下一页总目录章目录返回上一页2磁场强度H磁场强度H：计算磁场时引出的物理量。磁场强度H的单位：安培/米（A/m)BH磁场强度的计算：介质中某点的磁感应强度B与介质磁导率之比。下一页总目录章目录返回上一页3磁通磁通：穿过垂直于B方向的面积S中的磁力线总数。说明:如果不是均匀磁场，则取B的平均值。在均匀磁场中=BS或B=/S磁通的单位:韦[伯](Wb)1Wb=1V·s磁通的计算:注：磁感应强度B在数值上可以看成为与磁场方向垂直的单位面积所通过的磁通,故又称磁感应强度为磁通密度。下一页总目录章目录返回上一页真空的磁导率为常数，用0表示，有：4磁导率磁导率：表示磁场媒质磁性的物理量，衡量物质的导磁能力。H/m10π470相对磁导率r：任一种物质的磁导率和真空的磁导率0的比值。0r磁导率的单位：亨/米（H/m）0BBHH0下一页总目录章目录返回上一页非磁性物质非磁性物质分子电流的磁场方向杂乱无章，几乎不受外磁场的影响而互相抵消，不具有磁化特性。非磁性材料的磁导率都是常数，有：所以磁通与产生此磁通的电流I成正比，呈线性关系。当磁场媒质是非磁性材料时，有：即B与H成正比，呈线性关系。由于lNIHSΦB,OHB0r1B=0H()(I)7.2.3磁性材料的磁性能下一页总目录章目录返回上一页磁性物质磁性物质内部形成许多小区域，其分子间存在的一种特殊的作用力使每一区域内的分子磁场排列整齐，显示磁性，称这些小区域为磁畴。在外磁场作用下，磁畴方向发生变化，使之与外磁场方向趋于一致，物质整体显示出磁性来，称为磁化。即磁性物质能被磁化。磁畴外磁场在没有外磁场作用的普通磁性物质中，各个磁畴排列杂乱无章，磁场互相抵消，整体对外不显磁性。磁畴下一页总目录章目录返回上一页磁性材料在交变磁场中反复磁化，其B-H关系曲线是一条回形闭合曲线，称为磁滞回线。磁滞性：磁性材料中磁感应强度B的变化总是滞后于外磁场变化的性质。磁滞回线OHB••••BrHc剩磁感应强度Br(剩磁)：当线圈中电流减小到零(H=0)时，铁心中的磁感应强度。矫顽磁力Hc：使B=0所需的H值。磁性物质不同，其磁滞回线和磁化曲线也不同。磁性材料主要指铁、镍、钴及其合金等。磁性材料的磁性能1磁滞性下一页总目录章目录返回上一页几种常见磁性物质的磁化曲线a铸铁b铸钢c硅钢片O0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0103H/(A/m)H/(A/m)12345678910103B/T1.81.61.41.21.00.80.60.40.2ababcc下一页总目录章目录返回上一页2高导磁性磁性材料的磁导率通常都很高，即r1(如坡莫合金，其r可达2105)。磁性材料能被强烈的磁化，具有很高的导磁性能。磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备中，如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心。磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备中，如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心。在这种具有铁心的线圈中通入不太大的励磁电流，便可以产生较大的磁通和磁感应强度。下一页总目录章目录返回上一页磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限的增强。3磁饱和性BJ磁场内磁性物质的磁化磁场的磁感应强度曲线；B0磁场内不存在磁性物质时的磁感应强度直线；BBJ曲线和B0直线的纵坐标相加即磁场的B-H磁化曲线。OHBB0BJB•a•b磁化曲线磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限的增强。当外磁场增大到一定程度时，磁性物质的全部磁畴的磁场方向都转向与外部磁场方向一致，磁化磁场的磁感应强度将趋向某一定值。如图。下一页总目录章目录返回上一页B-H磁化曲线的特征：Oa段：B与H几乎成正比地增加；ab段：B的增加缓慢下来；b点以后：B增加很少，达到饱和。OHBB0BJB•a•b有磁性物质存在时，B与H不成正比，磁性物质的磁导率不是常数，随H而变。有磁性物质存在时，与I不成正比。磁性物质的磁化曲线在磁路计算上极为重要，其为非线性曲线，实际中通过实验得出。OHB,B磁化曲线B和与H的关系下一页总目录章目录返回上一页按磁性物质的磁性能，磁性材料分为三种类型：(1)软磁材料具有较小的矫顽磁力，磁滞回线较窄。一般用来制造电机、电器及变压器等的铁心。常用的有铸铁、硅钢、坡莫合金即铁氧体等。(2)永磁材料具有较大的矫顽磁力，磁滞回线较宽。一般用来制造永久磁铁。常用的有碳钢及铁镍铝钴合金等。(3)矩磁材料具有较小的矫顽磁力和较大的剩磁，磁滞回线接近矩形，稳定性良好。在计算机和控制系统中用作记忆元件、开关元件和逻辑元件。常用的有镁锰铁氧体等。下一页总目录章目录返回上一页7.2.4磁路计算的基本原理与方法1磁通连续性原理与磁路基尔霍夫第一定律各磁支路的磁通分别为Φ1、Φ2和Φ3，方向如图，取封闭面S如图中虚线球面，由磁通连续性原理：∮B·ds=0得：Ф1+Φ2-Φ3=0即：穿入（穿出记为负）任一封闭面的总磁通量等于0，可以记为：∑Φ=0（7.2.3）称为磁路基尔霍夫第一定律。显然，磁路基尔霍夫第一定律也可叙述为：穿入任一封闭面的磁通等于穿出封闭面的磁通，即：Ф1+Φ2=Φ3下一页总目录章目录返回上一页任意选定一个闭合回线的围绕方向，凡是电流方向与闭合回线围绕方向之间符合右螺旋定则的电流作为正、反之为负。式中：是磁场强度矢量沿任意闭合线(常取磁通作为闭合回线)的线积分；lHdI是穿过闭合回线所围面积的电流的代数和。安培环路定律电流正负的规定：IlHd安培环路定律（全电流定律）I1HI22全电流定律与磁路基尔霍夫第二定律安培环路定律将电流与磁场强度联系起来。在均匀磁场中Hl=INlINH或下一页总目录章目录返回上一页I1HI2磁路基尔霍夫第二定律：在磁路中沿任何闭合磁路径上，磁动势的代数和等于磁压降的代数和，∑F=∑HL线圈匝数与电流的乘积NI，称为磁动势，用字母F表示，则有F=NI磁通由磁动势产生，磁动势的单位是安[培]。下一页总目录章目录返回上一页例:环形线圈如图，其中媒质是均匀的，试计算线圈内部各点的磁场强度。解:取磁通作为闭合回线，以其方向作为回线的围绕方向，则有：xHlHlHxxx2dNIINIx2HxπIlHdSxHxIN匝下一页总目录章目录返回上一页式中：N线圈匝数；lx=2x是半径为x的圆周长；Hx半径x处的磁场强度；NI为线圈匝数与电流的乘积。xxlNIx2NIHπ故得：SxHxIN匝下一页总目录章目录返回上一页例：环形线圈如图，其中媒质是均匀的，磁导率为，试计算线圈内部各点的磁感应强度。解：半径为x处各点的磁场强度为xxlNIH故相应点磁感应强度为xxxlNIHBSxHxIN匝由上例可见,磁场内某点的磁场强度H只与电流大小、线圈匝数、以及该点的几何位置有关，与磁场媒质的磁性()无关；而磁感应强度B与磁场媒质的磁性有关。下一页总目录章目录返回上一页3磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律是分析磁路的基本定律环形线圈如图，其中媒质是均匀的，磁导率为，试计算线圈内部的磁通。解：根据安培环路定律，有lSlHlNIBIlHd设磁路的平均长度为l，则有1）引例SxHxIN匝下一页总目录章目录返回上一页mRF式中：F=NI为磁通势，由其产生磁通；Rm称为磁阻，表示磁路对磁通的阻碍作用；l为磁路的平均长度；S为磁路的截面积。2）磁路的欧姆定律若某磁路的磁通为，磁通势为F，磁阻为Rm，则即有：SlNIΦ此即磁路的欧姆定律。mRF下一页总目录章目录返回上一页4电磁感应定律电磁感应定律在磁路计算中可决定电动势与磁通量或磁通密度的关系，或计算磁路的磁导与电路的电抗的关系。（1）线圈感应电动势I1HI2设交变磁通量Ф与线圈N匝完全交链，磁链数为=NФ当磁通量Ф的正方向与感应电动势正方向符合右螺旋定则时，电磁感应定律为：e=-d/dt=-NdФ/dt即线圈感应电动势与线圈匝数和磁通变化率成正比，负号是楞次定律的反映。楞认定律表明：感应电动势的实际方向是：它总是企图产生感应电流，使感应电流产生的磁通量总是企图阻碍引起感应电动势的磁通量的改变。下一页总目录章目录返回上一页电机中常见的磁通量Ф随时间按正弦规律变化，设Ф=Фmsint式中=2f——磁通变化的角颇率，单位为rad/s式中Em=NФm——感应电动势的最大值即磁通随时间正弦变化时，线圈的感应电动势也随时间正弦变化，但相位上滞后磁通90度。e=-NdФ/dt=-NФmcost=Emsin(t-900)下一页总目录章目录返回上一页（2）运动电势当导体在磁场中运动而切割磁力线时，导体将感应电动势，称为运动电势(或者切割电动势)。若磁力线、导体和运动方向三者互相垂直，则导体的感应电动势为式中B——磁感应强度，单位为T,l——长直导体的长度，单位为m,v——直导体切割磁力线的线速度，单位为m/s沿直导体l上感应电动势e的方向由右手定则决定。应当指出，上式中的v，既可以是直导体切割磁力线，也可以是磁力线切割直导线的相对线速度。E=Blv下一页总目录章目录返回上一页5电磁力定律载流导体在磁场中受到电磁力的作用，当磁场与导体互相垂直时，作用在导体上的电磁力为：F=BlI式中B——磁感应强度，单位为T,l——长直导体的长度，单位为m,I——导线中的电流，单位为A，F——作用在导体上与磁场垂直方向的电磁力，单位为N力的方向与磁场和导体相垂直，按左手定则决定。上式称安培力公式或电磁力公式。下一页总目录章目录返回上一页磁路与电路的比较磁路磁通势F磁通磁阻电路电动势E电流密度J电阻磁感应强度B电流ISlRmSlNIRFmSlRSlEREINI+_EIR6磁路计算方法下一页总目录章目录返回上一页磁路分析的特点(2)在处理电路时不涉及电场问题，在处理磁路时离不开磁场的概念；(4)在处理电路时一般可以不考虑漏电流，在处理磁路时一般都要考虑漏磁通；(3)磁路欧姆定律和电路欧姆定律只是在形式上相似。由于不是常数，其随励磁电流而变，磁路欧姆定律不能直接用来计算，只能用于定性分析；(1)在电路中，电动势的方向与电流方向一致（或者相反），但在磁路中，产生磁动势的电流与磁动势的正方向之间符合右手螺旋法则。下一页总目录章目录返回上一页磁路分析的特点(5)在电路中，当E=0时，I=0；但在磁路中，由于有剩磁，当F=