电机学基础知识

第第11章章电机学基础知识电机学基础知识11.1电机学的基本电磁定律1.2电机的磁路及其基本定律1.3电机的制造材料A2A1l1l2HNi第第11章章电机学基础知识电机学基础知识21.1.11.1.1磁场的基本概念磁场的基本概念1.11.1电机学的基本电磁定律电机学的基本电磁定律1.1.磁感应强度和磁力线磁感应强度和磁力线磁场可以由电流产生。产生磁场的电流——励磁电流。磁感应强度B——描述磁介质中实际的磁场强弱和方向的物理量。单位：特斯拉T或Wb/m2。磁场中各点的磁感应强度可以用磁力线的疏密程度来表示。第第11章章电机学基础知识电机学基础知识3BII磁力线的分布和方向：磁力线的特性：①磁力线的回转方向和电流方向之间的关系遵守右手螺旋法则。②磁力线总是闭合的，既无起点，也无终点。③磁场中的磁力线不会相交。IIIB第第11章章电机学基础知识电机学基础知识42.2.磁通量和磁通连续性定律磁通量和磁通连续性定律磁通——磁场中穿过某一截面A的磁感应强度B的量。单位：Wb=ABdA在均匀磁场中：BA=BA通过任意封闭曲面的磁通量总和必等于零，即d=0BA第第11章章电机学基础知识电机学基础知识53.3.磁场强度和磁导率磁场强度和磁导率磁场强度H——表征磁场强弱和方向的物理量。单位：A/m磁导率——表征磁场中介质的导磁能力的物理量。单位：H/m线性介质为常数，非线性介质不是常数。真空的磁导率为常数：mHπμ70104铁磁材料磁导率不是常数第第11章章电机学基础知识电机学基础知识6H与B的关系与区别⑴H代表电流本身产生的磁场的强弱，反应了电流的励磁能力，与介质的性质无关，H∝I。⑵B代表电流产生的以及介质被磁化后产生的总磁场的强弱，其大小不仅与电流的大小有关，还与介质的性质有关。BμH第第11章章电机学基础知识电机学基础知识74.4.磁场储能磁场储能磁场能够储存能量。电机通过磁场储能实现机电能量的转换。磁场中的能量密度为对于线性介质：磁场中的总储能为磁场能量主要集中储存在气隙中。wm=BH12wm=BH=12B22Wm=wmdVV第第11章章电机学基础知识电机学基础知识81.1.21.1.2电磁感应定律电磁感应定律1.1.运动电势运动电势长度为l的直导体与磁场有相对运动时，导体中会产生感应电势veBlv需互相垂直ev感应电势正方向：右手定则第第11章章电机学基础知识电机学基础知识92.变压器电势匝数为N的线圈环链着磁通，当发生变化时，线圈两端产生感应电势。＋u－ie规定正方向AXvddeNdtdt磁链：=NΦ按右手螺旋关系确定e与的方向感应电势正方向：楞次定律第第11章章电机学基础知识电机学基础知识101.1.31.1.3电磁力定律和电磁转矩电磁力定律和电磁转矩1.1.电磁力电磁力通电流的导体，在磁场中要受到力的作用，这个力叫电磁力。iff=Bli(N)需互相垂直电磁力方向：左手定则第第11章章电机学基础知识电机学基础知识112.2.电磁转矩电磁转矩O'irffTem=2frTem=2Blir(N.m)第第11章章电机学基础知识电机学基础知识121.1.41.1.4基尔霍夫电路定律基尔霍夫电路定律1.1.基尔霍夫电流定律基尔霍夫电流定律KCLKCL对于电路中的任一节点，在任意时刻，流出该节点的电流和等于流入该节点的电流和。itit流出流入=2.2.基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律KVLKVL对于某一电路，在任意时刻，沿任一回路，各支路电压的代数和恒等于零。0ut第第11章章电机学基础知识电机学基础知识131.1.51.1.5安培环路定律安培环路定律（全电流定律）在磁场中，磁场强度H沿任意闭合回路l的线积分，等于该闭合回路所包围的所有电流的代数和。i1i3i2lHdllHdli1.对于通电螺线管，磁场是均匀的，磁场强度H处处相等，总电流由通有电流的匝线圈提供：HlNi第第11章章电机学基础知识电机学基础知识14δ2.工程中用到几何形状复杂的磁路，可以将磁路分成几段，分别应用安培环路定律，再求电流的总和。FeFeNiHlH1nkkHli3.对于带气隙的铁心磁路，磁场是不均匀的第第11章章电机学基础知识电机学基础知识151.21.2电机的磁路及其基本定律电机的磁路及其基本定律1.2.11.2.1电机的磁路电机的磁路励磁绕组＋u1－i1主磁通磁路1漏磁通i22变压器磁路＋u2－SNSN直流电机磁路第第11章章电机学基础知识电机学基础知识161.1.安培环路定律安培环路定律i1i2i3ldl无分支磁路1.2.21.2.2磁路定律磁路定律Hdl=∑i∮l如图：∑i=i1＋i2－i32.2.磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律NilAHdl=Hl∮l=NiB=AH=BA==Nil/AFRm=第第11章章电机学基础知识电机学基础知识17FRm=磁动势：磁动势：F=Ni——作用在磁路上的安匝数。磁阻：磁阻：Rm=(A/Wb)lA磁路欧姆定律只能用于定性分析磁路因为不是常数，故Rm非线性。串联磁路的总磁阻为k=1nRm=Rmk第第11章章电机学基础知识电机学基础知识18任一闭合面：=0，2=1＋34.4.磁路的基尔霍夫第二定律磁路的基尔霍夫第二定律F1=∮Hdlli=HklkNi=H1l1＋H2l2=Rm11＋Rm22或Ni=H1l1－H3l3=Rm11－Rm333.3.磁路的基尔霍夫第一定律磁路的基尔霍夫第一定律闭合面i1l1A11Φ1l3A33Φ3l2A22Φ2N第第11章章电机学基础知识电机学基础知识19第k段磁路的磁压降为BkkHklk=lk=lkkkAkRmk=(A/Wb)lkkAk第k段磁路的磁阻为沿任何闭合磁路磁动势的代数和等于磁压降的代数和。F=Hklk=Rmkk第第11章章电机学基础知识电机学基础知识20电路磁路电流I/A磁通/Wb电流密度J/(A/m2)磁通密度B/(Wb/m2)电动势E/V磁动势F/A电阻R/磁阻Rm/(A/Wb)电路欧姆定律磁路欧姆定律磁路和电路的比较R=lARm=lAI=ER=FRm第第11章章电机学基础知识电机学基础知识211.电路中有电流i时，就有功率损耗i2R；而在直流磁路中维持一定的磁通量时，铁心中没有功率损耗。2.在电路中可以认为电流全部在导线中流通，导线外没有电流；在磁路中，则没有绝对的磁绝缘体，除了铁心中的磁通外，实际上总有一部分漏磁通散布在周围空气中。3.电路中导体的电阻率在一定温度下是不变的，但是磁路中铁心的磁导率却不是一个常值，而是磁通密度的函数。4.对线性电路，计算时可以应用叠加原理，但对于铁心磁路，饱和时磁路为非线性，计算时不能应用叠加原理。所以磁路与电路仅是一种数学形式上的类似，而不是物理本质的相似。第第11章章电机学基础知识电机学基础知识22磁路中气隙的影响①当F一定时，气隙的存在使大幅减小。②若要保持一定，则需增大磁动势F。边缘效应增大了气隙的有效面积。气隙铁心铁心边缘磁通边缘磁通第第11章章电机学基础知识电机学基础知识231.3.11.3.1概述概述制造材料主要包括：导磁材料、导电材料、绝缘材料、结构材料、散热材料、冷却材料、润滑材料等。导电材料：铜、铝。导磁材料：各种成分的铸钢（电工钢片）。绝缘材料：各种绝缘纸、油性玻璃漆布、有机硅玻璃粘带、酚醛玻璃纤维压塑料······绝缘等级绝缘等级YAEBFHCYAEBFHC容许工作温度/℃90105120130155180＞1801.31.3电机的制造材料电机的制造材料第第11章章电机学基础知识电机学基础知识24材料（介质）按磁导率分类：非铁磁（非磁性）材料、铁磁（磁性）材料。非铁磁材料（如空气、铜、铝和绝缘材料等）：≈0=4×10－7H/m①顺磁材料（如空气）：略大于0。②反磁材料（如铜）：略小于0。1.1.高导磁性高导磁性•铸钢：≈10000•硅钢片：≈(6000~7000)0•玻莫合金：比0大几万倍。01.3.21.3.2铁磁材料的重要性质铁磁材料的重要性质第第11章章电机学基础知识电机学基础知识25在一个空间（外）磁场中，放入铁磁材料，该磁场会被大大加强。iiB1iiB2B1B2第第11章章电机学基础知识电机学基础知识26铁磁材料高导磁性的微观机理磁畴（磁化前）磁畴（磁化后）铁磁材料被磁化铁磁材料在外磁场中呈现很强的磁性的现象。因其内部存在着很多很小的“磁畴”。由此产生的附加磁场比同一H在非铁磁材料中所激励的磁场要强得多。第第11章章电机学基础知识电机学基础知识27起始磁化曲线BHO2.2.磁饱和性磁饱和性B=H（≠常数）abcdB=0H3.3.磁滞性磁滞性BHOHmBm剩磁－Hm矫顽磁力Br－Hc－BmHc－Br磁滞回线膝点BHO基本磁化曲线第第11章章电机学基础知识电机学基础知识28蜂腰形狭长型肥胖型长方形退化型不对称型几种不同类型的磁滞回线第第11章章电机学基础知识电机学基础知识29①硬磁材料B－H曲线宽，Br大、Hc大。用于制造永磁铁。②软磁材料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矩磁材料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，铁磁材料可分为第第11章章电机学基础知识电机学基础知识304.4.铁心损耗铁心损耗(1)磁滞损耗Ph(2)涡流损耗PeΦΦ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第第11章章电机学基础知识电机学基础知识31常见材料的基本磁化曲线第第11章章电机学基础知识电机学基础知识32第1章作业补充1.求下述两种情况下铸钢中的磁场强度和磁导率（1）B=0.5T；（2）B=1.3T，并比较饱和与不饱和两种情况下谁的磁导率大。补充2.已知硅钢（含硅4%）的H=4A/cm，铸铁的H=9A/cm，求它们的B和，并比较谁的导磁能力强。第第11章章结结束束