初學(xué)電機(jī)的基本知識(shí)總結(jié)講解

1、第一章電機(jī)中的電磁學(xué)基本知識(shí)1.1磁路的基本知識(shí)1.1.1 電路與磁路對(duì)于電路系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在 電動(dòng)勢(shì)E的作用下電流I從E的正極通過(guò)導(dǎo)體流向負(fù)極。構(gòu)成 一個(gè)完整的電路系統(tǒng)需要電動(dòng)勢(shì)、電導(dǎo)體，并可以形成電流。在磁路系統(tǒng)中，也有一個(gè) 磁動(dòng)勢(shì)F （類似于電路中的電勢(shì)），在 F的作用下產(chǎn)生一個(gè)G （類似于電路中的電流），磁通門從磁動(dòng)勢(shì)的N極通過(guò)一個(gè)通路（類似于電路中的導(dǎo)體）到S極，這個(gè)通路就是磁路。由于鐵磁材料磁導(dǎo)率比空氣大幾千倍，即空氣磁阻比鐵磁材料大幾千倍，所以構(gòu)成磁路的材料均使用導(dǎo)磁率高的鐵磁材料。然而非鐵磁物質(zhì)，如空氣也能通過(guò)磁通，這就造成鐵磁材料構(gòu)成磁路的周圍空氣中也必然會(huì)有磁通：._ （，由于

2、空氣磁阻比鐵磁材料大幾千倍，因而：；_比：小的多，門廠常常被稱為漏磁通，稱為主磁通。因此磁路問(wèn)題比電路問(wèn)題要復(fù)雜的多。1.1.2 電機(jī)電器中的磁路磁路系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在電器設(shè)備 之中，如變壓器、電機(jī)、繼電器 等。并且在電機(jī)和某些電 器的磁路中，一般還需要一段空氣隙，或者說(shuō)空氣隙也是磁路的組成部分。圖11是電機(jī)電器的幾種常用磁路結(jié)構(gòu)。 圖 是普通變壓器的磁路， 它全部由鐵磁材 料組成；圖（b）是電磁繼電器磁路，它除了鐵磁材料外，還有一段空氣隙。圖（c）表示電機(jī)的磁路，也是由鐵磁材料和空氣隙組成；圖 （b）是無(wú)分支的串聯(lián)磁路，空氣隙段和鐵磁材料(a)(b)(c)圖1 1幾種常用電器的典型磁路（a）普通

3、變壓器鐵芯；（b）電磁繼電器常用鐵芯；（c）電機(jī)磁路1.1.3電氣設(shè)備中磁動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生為了產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場(chǎng)，在一般電氣設(shè)備中都 使用電流產(chǎn)生磁場(chǎng)。電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的方法 是：把繞制好的N匝線圈套裝在鐵心上， 并在線圈內(nèi)通入電流i ,這樣在鐵心和線圈周圍的 空間中就會(huì)形成磁場(chǎng)，其中 大多數(shù)磁通通過(guò)鐵心，稱為主磁通 ”；小部分圍繞線圈，稱為漏磁通如圖1 2所示。套裝在鐵心上用于產(chǎn)生磁通的N匝線圈稱為 勵(lì)磁線圈，勵(lì)磁線圈中的電流i稱為勵(lì)磁電流。若勵(lì)磁電流為直流，磁路中的磁通是恒定的， 不隨時(shí)間變化, 這種磁路稱為直流磁路，直流電機(jī)的磁路屬于這一類； 若勵(lì)磁電流為交流， 磁路中的磁通是 交變的，隨時(shí)間變化，這

4、種磁路稱為 交流磁路，交流電機(jī)、變壓器的磁路屬于這一類。圖1 2 磁動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生和磁路歐姆定律值得注意的是，除了電流產(chǎn)生磁場(chǎng)外，電機(jī)電器中還使用了大量的永久磁鐵。而且隨 著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，永久磁鐵的磁性將越來(lái)越強(qiáng)?？梢灶A(yù)見(jiàn)永久磁鐵將在電機(jī)電器中得到廣 泛的應(yīng)用1.2磁場(chǎng)的基本知識(shí)為了準(zhǔn)確描述磁場(chǎng)的大小、方向及其性質(zhì)，便于分析、計(jì)算和設(shè)計(jì)磁路，常用如下物 理量描述磁場(chǎng)。1.2.1 磁感應(yīng)強(qiáng)度（磁通密度）B描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱及方向的物理量稱為磁感應(yīng)強(qiáng)度B。為了形象地描繪磁場(chǎng)，往往采用磁感應(yīng)線，常稱為磁力線，磁力線是無(wú)頭無(wú)尾的閉合曲線 。圖13中畫出了直線電流及螺線管電流產(chǎn)生的磁力線。（b）圖13電流磁場(chǎng)中

5、的磁力線（a）直線電流；（b）螺線管電流磁力線的方向與產(chǎn)生它的電流方向滿足右手螺旋關(guān)系，如圖1 3（a）所示。2 在國(guó)際單位制中，磁感應(yīng)強(qiáng)度B的單位為特（特斯拉），單位符號(hào)為T，即1T = 1Wb/ m（韋伯/米 2）。1.2.2 磁通G穿過(guò)某一截面S的磁感應(yīng)強(qiáng)度 B的通量，即穿過(guò)截面S的磁力線根數(shù)稱為磁感應(yīng)通量,簡(jiǎn)稱磁通。用門表示。即(1 1)B dSs圖1 4均勻磁場(chǎng)中的磁通在均勻磁場(chǎng)中，如果截面 S與B垂直，如圖1 4所示，則上式變?yōu)槎?BS 或 B（ 1 2）S式中，B為磁通密度，簡(jiǎn)稱磁密，S為面積。在國(guó)際單位制中， 的單位名稱為韋（韋伯），單位符號(hào) Wb。1.2.3 磁場(chǎng)強(qiáng)度H計(jì)算導(dǎo)

6、磁物質(zhì)中的磁場(chǎng)時(shí)，引入輔助物理量磁場(chǎng)強(qiáng)度H，它與磁密B的關(guān)系為B = JH（ 1 3）式中，J為導(dǎo)磁物質(zhì)的磁導(dǎo)率。真空的磁導(dǎo)率為 =4二10H /m。鐵磁材料的 - o，例如鑄鋼的 J約為Jo的1000倍，各種硅鋼片的 J約為的60007000倍。國(guó)際單位制中，磁場(chǎng)強(qiáng)度 H的單位名稱為安（安培）/米，單位符號(hào) A/m。1.3電磁學(xué)的基本定律1.3.1 安培環(huán)路定律一一描述電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的規(guī)律凡導(dǎo)體中有電流 流過(guò)時(shí)，就 會(huì)產(chǎn)生與該載流導(dǎo)體相交鏈的磁通。在磁場(chǎng)中，沿任意個(gè)閉合磁回路的磁場(chǎng)強(qiáng)度線積分等于該回路所交鏈的所有電流的代數(shù)和，即(1 4)式中，口就是該磁路所包圍的全電流。因此，式（1 4）也稱

7、全電流定律。如圖1 5所示，電流i1、i2、i3產(chǎn)生的磁場(chǎng)，沿封閉曲線磁場(chǎng)強(qiáng)度滿足Hdl =ii亠i2 -i3。圖1 5中，與磁力線（閉合回線）符合右手螺旋關(guān)系的取正號(hào)，反之取負(fù)號(hào)。1.3.2 電磁感應(yīng)定律一一描述磁場(chǎng)產(chǎn)生電勢(shì)的規(guī)律當(dāng)導(dǎo)體處于變化的磁場(chǎng) （磁通）中時(shí)，導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)， 這就是電磁感應(yīng)現(xiàn)象。這個(gè)感應(yīng)電勢(shì)的大小 和磁通隨時(shí)間的變化率的負(fù)值成正比，這就是電磁感應(yīng)定律。 例如匝數(shù)為N的線圈所交鏈的磁通為門，當(dāng)該磁通隨時(shí)間發(fā)生變化時(shí)，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為dt(1 5)式（1 5）為電磁感應(yīng)定律的數(shù)學(xué)描述。在電機(jī)學(xué)中，電磁感應(yīng)現(xiàn)象有兩個(gè)方面:、變壓器電動(dòng)勢(shì)圖1 6為變壓器電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生

8、原理圖。 線圈N1通入隨時(shí)間而變的電流i1，這時(shí)由i1所產(chǎn) 生的磁通門也隨時(shí)間而變，磁通：沿導(dǎo)磁材料閉合。這時(shí)線圈 N1和N2同時(shí)交鏈磁通G， 從而在線圈N1和N2中都會(huì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) e1和e2，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的正方向如圖 1 6所示，其 表達(dá)式如下dG = - N1（1 6）dt(1 7)e2血？dt2 V圖16變壓器電動(dòng)勢(shì)在此例中，由線圈 N1中電流i1的變化而 在自身線圈N1感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)e1稱為自感電動(dòng)勢(shì)，而由線圈N1中電流i1的變化在另一線圈 N2內(nèi)感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)e2稱為互感電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電勢(shì)還可以表示為磁鏈的方式，如式（1 6）和（1 7）可表示為g - -d-/dt和 2 二-d/dt，其中

9、 -：1 和-：2 為磁鏈，分別為Ni G2：。通常把單位電流產(chǎn)生的磁鏈定義為線圈的電感，用符號(hào)L表示，單位為H，亨（亨利）。于是有 L =-: /i。二、旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)是由于線圈 （或?qū)w）和磁場(chǎng)之間存在的運(yùn)動(dòng)， 使得線圈中的磁通發(fā)生變化， 而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，所以稱之為旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)。如果線圈（或?qū)w）所處的磁通密度B為均勻磁密時(shí)，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)值的計(jì)算公式為：e = B v l（ 1 8）式中，v為導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)的線速度，單位為m/s ； B為導(dǎo)體所處的磁通密度，單位為 T ； l為導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度，單位為 m ； e為導(dǎo)體中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，單位為 V。旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)方向由右手定則決定，即:伸開(kāi)右手，使大拇指與

10、其余四指互相垂直并在一個(gè)平面內(nèi)，讓磁力線穿過(guò)手心，大拇指指向?qū)w相對(duì)于磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)方向，則四指所指的方向?yàn)?旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)的方向。右手定則法如圖17所示。圖17確定旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)方向的右手定則133 畢一薩電磁力定律一一描述電磁作用產(chǎn)生力的規(guī)律載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中會(huì)受到力的作用，這種力是磁場(chǎng)與電流相互作用所產(chǎn)生的，故稱為電磁力。若磁場(chǎng)與導(dǎo)體相互垂直，則作用在導(dǎo)體上的電磁力值為：f = B i l（ 1 9）式中，B為導(dǎo)體所處的磁通密度，單位為 T ； i為導(dǎo)體中的電流，單位為 A ； l為導(dǎo)體在磁 場(chǎng)中的有效長(zhǎng)度，單位為 m ; f為作用在導(dǎo)體上的電磁力，單位為 N m。電磁力的方向可用圖1 8所示的左手定

11、則 確定，即：伸開(kāi)左手，大拇指與其余四指互 相垂直，并保持在一個(gè)平面，讓磁力線穿過(guò)手心，四指指向電流的方向，則大拇指所指的方向即為電磁力的方向。圖18 確定載流導(dǎo)體受力方向的左手定則1.3.4 磁路歐姆定律圖1 2是一個(gè)單框鐵心磁路的示意圖。鐵心上繞有N匝線圈，通以電流i產(chǎn)生的沿鐵心閉合的主磁通G ,沿空氣閉合的漏磁通 門；_。設(shè)鐵心截面積為 S,平均磁路長(zhǎng)度為I，鐵磁材料的磁導(dǎo)率為 （不是常數(shù)，隨磁感應(yīng)強(qiáng)度 B變化）。假設(shè)漏磁通可以不考慮（即令門匚=0,假設(shè)磁通全部通過(guò)鐵心），并且認(rèn)為磁路I上 的磁場(chǎng)強(qiáng)度H處處相等，于是，根據(jù)全電流定律有(1 10)I Hdl = HI = Ni因 H=B/

12、， B = hlS，可得或 F =Ni =HIBl式中，F(xiàn) = Ni為磁動(dòng)勢(shì),NiI /()(1 11)RmlS為磁阻,m為磁導(dǎo)。式（1 11）即所謂磁路歐姆定律，與電路歐姆定律相似。它表明，當(dāng)磁阻Rm 一定（即確定磁路情況下）磁動(dòng)勢(shì) F越大，所激發(fā)的磁通量 門也越大；當(dāng)而磁動(dòng)勢(shì) F 定時(shí)，磁阻 Rm越大，則產(chǎn)生的磁通量 門越小。在磁路中，磁阻 Rm與磁導(dǎo)率成反比，空氣的磁導(dǎo) 率遠(yuǎn)小于鐵心的磁導(dǎo)率 JFe，這表明漏磁路（空氣隙） 的R-遠(yuǎn)大于鐵心的Rm，故分析 中可忽略漏磁通門；_。根據(jù)式（1 11 ）和 L/i，有L = N/i =上m。1.3.5 磁路基爾霍夫第一定律如果鐵心不是一個(gè)簡(jiǎn)單的

13、回路。而是帶有并聯(lián)分支的磁路，從而形成磁路的節(jié)點(diǎn)，則當(dāng) 忽略漏磁通時(shí)，在磁路任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)處，磁通的代數(shù)和恒等于零，即二 0（ 112）式（1 12）與電路第一定律 口 =0形式上相似，因此稱為磁路的基爾霍夫第一定律，就是 磁通連續(xù)性定律。若令流入節(jié)點(diǎn)的磁通定為（+ ）。則流出該節(jié)點(diǎn)的磁通定為 （）。如圖1 9封閉面處有：或穿磁路基爾霍夫第一定律表明，進(jìn)人或穿出任一封閉面的總磁通量的代數(shù)和等于零,入任一封閉面的磁通量恒等于穿出該封閉面的磁通量。圖1 9磁路歐姆定律1.3.6磁路基爾霍夫第二定律工程應(yīng)用中的磁路，其幾何形狀往往是比較復(fù)雜的，直接利用安培環(huán)路定律的積分形式進(jìn)行計(jì)算有一定的困難。為此，

14、在計(jì)算磁路時(shí)，要進(jìn)行簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化的辦法是把磁路分段，幾 何形狀相同的分為一段， 找出它的平均磁場(chǎng)強(qiáng)度，再乘上這段磁路的平均長(zhǎng)度，求得該段的磁位降（也可理解為一段磁路所消耗的磁動(dòng)勢(shì) ）。然后把各段磁路的磁位降相加，結(jié)果就是總 磁動(dòng)勢(shì)，即沿任何閉合磁路的總磁動(dòng)勢(shì)恒等于各段磁位降的總和。稱為磁路基爾霍夫第二定律：n Hklk i =iN（1 13）1式中，Hk為磁路里第k段磁路的磁場(chǎng)強(qiáng)度（A / m） ； lk 第k段磁路的平均長(zhǎng)度（m）; iN 為作用在整個(gè)磁路上的磁動(dòng)勢(shì)，即全電流數(shù)（安匝）；N為勵(lì)磁線圈的匝數(shù)。上式也可以理解為，消耗在任一閉合磁回路上的磁動(dòng)勢(shì)，等于該磁路所交鏈的全部電流。圖110磁

15、路基爾霍夫第二定律圖1 -10中所示磁路可分為兩段，一段為鐵磁材料組成的鐵心，總長(zhǎng)度為2li 212-：,磁場(chǎng)強(qiáng)度為H1 ;另一段為氣隙，長(zhǎng)度為 :.，磁場(chǎng)強(qiáng)度為 H,.。鐵心上有兩組線圈，一組線 圈的電流為i1，線圈的匝數(shù)為 N1 ；另一組線圈的電流為i2，線圈的匝數(shù)為 N2，由磁路基 爾霍夫第二定律可得：H1(2l1212 -、)H =i1N1 i2N21.4鐵磁材料鐵磁材料，一般是由鐵或鐵與鈷、鎢、鎳、鋁及其他金屬的合金構(gòu)成，迄今為止是最通用的磁性材料。雖然這些材料的性能差異很大，但決定其性能的基本現(xiàn)象卻是共同的。1.4.1鐵磁材料的磁化研究發(fā)現(xiàn)，鐵磁材料由許許多多的磁疇構(gòu)成，每個(gè)磁疇相

16、當(dāng)于一個(gè)小永磁體，具有較強(qiáng)的磁矩，如圖1 11所示。在未磁化的材料樣品中，所有磁疇擺列雜亂，因此材料對(duì)外不 顯磁性，如圖1 11 ( a)所示。當(dāng)外部磁場(chǎng)施加到這一材料時(shí)，磁疇就會(huì)沿施加的磁場(chǎng)方 向轉(zhuǎn)向，所有的磁疇平行，鐵磁材料對(duì)外表現(xiàn)出磁性，如圖1 11 (b)所示。因此，當(dāng)外磁場(chǎng)加到鐵磁材料時(shí)， 鐵磁材料產(chǎn)生比外部磁場(chǎng)單獨(dú)作用所引起的磁場(chǎng)更強(qiáng)。隨著外部磁場(chǎng)強(qiáng)度H的增加，這一現(xiàn)象會(huì)繼續(xù)，直到所有的磁矩沿施加的磁場(chǎng)排列，此時(shí)，磁疇將不再能 使磁通密度B增加，也就是說(shuō)材料完全飽和。這也是鐵磁材料的磁導(dǎo)率比非鐵磁材料大的 多的原因。(a)(b)圖1 11鐵磁材料的磁化(a)未磁化；(b)磁化1.4

17、.2 起始磁化曲線、磁滯回線、基本磁化曲線將一塊沒(méi)有磁化的鐵磁材料進(jìn)行磁化，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度由零逐漸增大時(shí)， 磁通密度將隨之增1 12所示。大，用B二f （H）描述的曲線稱為是鐵磁材料的起始磁化曲線，如圖圖1 12可見(jiàn)，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度從零增大初期，磁密B隨磁場(chǎng)強(qiáng)度H增加較慢（圖中oa段），之后，磁密B隨H的增加而增大加快（ab ）段，過(guò)了 b點(diǎn)，B的增加減慢（be段），最后 為ed段，又呈 直線。其中a稱為跗點(diǎn)，b點(diǎn)為膝點(diǎn)，e點(diǎn)為飽和點(diǎn)。過(guò)了飽和點(diǎn)e，鐵磁 材料的磁導(dǎo)率趨近于 。各種電機(jī)和變壓器的主磁路中，為了獲得較大的磁密，又不過(guò)分 增大磁動(dòng)勢(shì)，通常把鐵心內(nèi)的工作點(diǎn)磁通密度選擇在膝點(diǎn)附近。若將鐵磁材料

18、進(jìn)行 周期性磁化，B和H之間的變化關(guān)系就會(huì)變成如圖1 13中的abedefa所示形狀。當(dāng)H開(kāi)始從零增加到 Hm，以后逐漸減小磁場(chǎng)強(qiáng)度 H , B值將沿曲線ab下降。當(dāng)H =0時(shí)，B值并不為零，而等于Br，稱為剩余磁通密度， 簡(jiǎn)稱剩磁。要使B值從Br減小到零，必須加上相應(yīng)的反向外磁場(chǎng)，此反向磁場(chǎng)強(qiáng)度稱為矯頑力，用He表示。鐵磁材料所具有的這種 磁通密度B的變化滯后于磁場(chǎng)強(qiáng)度 H變化的現(xiàn)象，叫做磁滯。呈現(xiàn) 磁滯現(xiàn)象的B - H閉合回線，稱為磁滯回線，見(jiàn)圖1 13中的abedefa所示。曲線段abed為磁滯回線下降分支，defa為磁滯回線上升分支。圖1 13鐵磁材料的磁化特性對(duì)于同一鐵磁材料，選擇不

19、同的磁場(chǎng)強(qiáng)度 Hm反復(fù)磁化時(shí)，可得出不同的磁滯回線，將各條磁滯回線的頂點(diǎn)連接起來(lái)，所得的曲線稱為 基本磁化曲線，或平均磁化曲線。 起始磁化曲線與平均磁化曲線相差甚小。如圖114的虛線所示。鐵磁材料，如鐵、鎳等的磁導(dǎo)率J比空氣的磁導(dǎo)率 J0大幾千到幾萬(wàn)倍。磁導(dǎo)率 J除了比大得多外，還與磁場(chǎng)強(qiáng)度以及物質(zhì)磁狀態(tài)的歷史有關(guān)，所以鐵磁材料的不是一個(gè)常數(shù)。在工程計(jì)算時(shí)，不按 H二B/進(jìn)行計(jì)算，而是按鐵磁材料的基本磁化曲線計(jì)算。圖1 15為電機(jī)中常用的硅鋼片 DR320、鑄鐵、鑄鋼的基本磁化曲線。1.4.3 軟磁材料和硬磁材料磁滯回線較窄，剩磁 Br和矯頑力He都小的鐵磁材料屬于軟磁材料，如硅鋼片、鐵鎳合金

20、、鐵滏氧、鑄鋼等。這些材料磁導(dǎo)率較高，磁滯回線包圍面積小，磁滯損耗小，多用于 做電機(jī)、變壓器的鐵心。磁滯回線較寬，剩磁 Br和矯頑力He都大的鐵磁材料屬于硬磁材料，如鎢鋼、鈷鋼、 鋁鎳鈷、鐵氧體、釹鐵硼等，硬磁材料主要用做永久磁鐵。144磁滯損耗和渦流損耗一、磁滯損耗磁滯現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于鐵磁材料中的磁疇在外磁場(chǎng)作用下，發(fā)生移動(dòng)和倒轉(zhuǎn)時(shí)， 彼此之間產(chǎn)生“摩擦”。由于這種“摩擦”的存在，當(dāng)外磁場(chǎng)停止作用后， 磁疇與外磁場(chǎng)方向一致的排列便被保留下，不能恢復(fù)原狀，形成了磁滯現(xiàn)象和剩磁。鐵磁材料在交變磁場(chǎng)的作用下而反復(fù)磁化過(guò)程中，磁疇之間不停地互相摩擦，消耗能量，因此引起損耗。這種損耗稱為磁滯損耗。 磁

21、滯回線面積越大，損耗越大。磁通密度最大值 Bm 越大時(shí)，磁滯回線面積也越大。試驗(yàn)表明，交變磁化時(shí)，磁滯損耗Ph與磁通的交變頻率 f成 正比，與磁通密度的幅值 Bm的n次方成正比，與鐵心重量 G成正比，即Ph 二 Ch fBmG（114）式中，Ch為磁滯損耗系數(shù)，對(duì)一般的電工用硅鋼片，n -1.6 2.3。由于硅鋼片的磁滯回線面積較小，所以電機(jī)和變壓器的鐵心都采用硅鋼片。二、渦流損耗當(dāng)通過(guò)鐵心的磁通發(fā)生交變時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律， 在鐵心中將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并引起環(huán)流。這些環(huán)流在鐵心內(nèi)部圍繞磁通呈旋渦狀流動(dòng)，如圖1 16所示，稱為渦流。渦流在鐵心中引起損耗，稱為渦流損耗。設(shè)渦流為ie，渦流回路的電

22、阻為 Re，渦流感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為 Ee = f Bm，渦流損耗2 2 2 2pe =ie R, =Ee /Re二f 2 Bm ,可見(jiàn)，頻率越高，磁通密度越大，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就越大， 渦流損耗也越大；鐵心的電阻越小， 渦流損耗就越小。對(duì)電工鋼片，渦流損耗還與鋼片厚度 d的平方成正比，經(jīng)推導(dǎo)可知，渦流損耗為Pe =Ced2f 2BmG（ 1 15）式中，Ce為渦流損耗系數(shù)?？梢?jiàn)，為了減小渦流損耗首先是 減小鋼片的厚度，所以電工鋼 片的厚度做成0.35 0.5毫米；其次是增加渦流回路的電阻，所以電工鋼片中常加入 4%左 右的硅，變成硅鋼片，用以提高電阻。在電機(jī)和變壓器中，通常把 磁滯損耗和渦流損耗合在一起，

23、稱為鐵心損耗簡(jiǎn)稱鐵耗。圖1 16 一片硅鋼片中的渦流對(duì)于一般的電工鋼片，正常工作點(diǎn)的磁通密度B為1T ：: Bm :：: 1.8T，鐵心損耗可近似為1 32PFe 二 Ph Pe : CFe f BmG（ 1一 16）式中，CFe為鐵心的損耗系數(shù)； G為鐵心重量?？梢?jiàn)，鐵心損耗與頻率的1.3次方、磁通密度的平方、鐵心重量成正比。1.5 簡(jiǎn)單磁路及計(jì)算1.5.1直流磁路及計(jì)算直流磁路計(jì)算有 已知磁通門求磁動(dòng)勢(shì)F ,或己知磁動(dòng)勢(shì) F求磁通G兩類問(wèn)題。直流電機(jī) 的磁路計(jì)算屬于第一類問(wèn)題，所以我們主要介紹第一類問(wèn)題的計(jì)算，然后簡(jiǎn)單介紹第二類問(wèn)題。已知磁通G求磁動(dòng)勢(shì)F的計(jì)算步驟：（1） 將磁路進(jìn)行分段，

24、每一段磁路應(yīng)是均勻的（即材料相同，截面相同），算出各段的截面積S （單位為m2），磁路的平均長(zhǎng)度I （單位為m）；（2） 根據(jù)已給定的磁通 G （單位為Wb），由回S = B計(jì)算出各段的磁通密度 （單位 為T）；對(duì)于分支磁路，給定的 G只是某一支路的，因此往往要結(jié)合磁路基爾霍夫第一、第二 定律，以確定另外各支路的磁通；（3） 根據(jù)各段的磁通密度 B，求出對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度 H （單位為A/m）。有兩種類型： 對(duì)鐵磁材料，由相應(yīng)的基本磁化曲線（或表格）從B查出H。 對(duì)空氣隙或非磁性間隙，由H = B/ %算出，其中 =4二10H /m （真空磁導(dǎo)率）；（4） 根據(jù)各段的磁場(chǎng)強(qiáng)度 H和磁路段平均長(zhǎng)度l

25、，計(jì)算各段磁壓降Hl ；（5） 由磁路基爾霍夫第二定律，求出 |F =IN （單位為A），并計(jì)算出線圈電流I。如果 F是磁路磁場(chǎng)的源，線圈稱為勵(lì)磁線圈，算出的電流稱為勵(lì)磁電流。將閉合磁路進(jìn)行分段，分別求出各段磁路的磁壓降，然后應(yīng)用磁路基爾霍夫定律，將 回路各段磁壓降相加而得磁動(dòng)勢(shì)的方法，稱為磁路的分段計(jì)算法。對(duì)于磁路計(jì)算的第二類問(wèn)題，即已知磁動(dòng)勢(shì)求磁通，?？捎迷囂椒?，即先假定一個(gè)磁 通量門，計(jì)算得F。如果算出的F ,與給定的磁動(dòng)勢(shì)相等，則 門就是所求，如果F與給 定的磁動(dòng)勢(shì)不等，則經(jīng)分析決定玄應(yīng)增加還是減小后，再計(jì)算磁動(dòng)勢(shì)，直至相等為止。試探法也稱逐次近似法，這種方法可用計(jì)算機(jī)求解。-42例1

26、 1 在圖1 17中，鐵心用DR530疊成，它的截面積 S=2 4 10 m ,鐵心的平均長(zhǎng)度|Fe =0.3m，空氣隙長(zhǎng)度=5 10 m，線圈的匝數(shù) N = 3匝。試求產(chǎn)生磁通G =10.4 10 Wb時(shí)所需要的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)IN和勵(lì)磁電流I?？紤]到氣隙磁場(chǎng)的邊緣效 應(yīng)，在計(jì)算氣隙有效面積時(shí)，通常在長(zhǎng)、寬方向各增加一個(gè)值。解：鐵心內(nèi)磁通密度為圖1 17簡(jiǎn)單串聯(lián)磁路BFe4工 10.4 10 WbS 2 4 10*m2= 1.3T從圖中DR530的磁化曲線查得，與鐵心內(nèi)磁通密度對(duì)應(yīng)的HFe =800A/m，鐵心段的磁位降HFelFe =800A/m 0.3m=240A空氣隙的磁通密度上二=1 25

27、3T2.05X4.05X0 m2空氣隙的磁場(chǎng)強(qiáng)度 H.=B1.253 2 = 9.973 105A/mP04 兀氷 10 m2空氣隙的磁位降H I. =9.973 105A/m 5 10*m=498.6A勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì) F 二 NI 二 H I H Fel Fe 二 498.6 240 二 738.6AF 738.6A,勵(lì)磁電流I246.2AN 31.5.2交流磁路在交流系統(tǒng)中，電壓和磁通的波形非常接近于時(shí)間的正弦函數(shù)。采用閉合鐵心磁路作 為模型（即沒(méi)有氣隙）描述磁性材料穩(wěn)態(tài)交流工作的勵(lì)磁特性，如圖1 18所示的磁路。磁路長(zhǎng)度為l，貫穿鐵心長(zhǎng)度的橫截面積為S。此外，假設(shè)鐵心磁通 門正弦變化，因此：

28、門-：Jm cos t = BmScos t（ 1 17）式中，叮m為鐵心磁通的幅值；Bm為磁密的幅值；為角頻率，_ 2 f， f為電源頻率。從式1 6知，在N匝繞組中感應(yīng)的電勢(shì)為：deNN 門 m sin t=2fN Gmsin t（ 118）dtdt圖1 18簡(jiǎn)單磁路由于鐵心的磁化曲線的非線性，勵(lì)磁電流if的波形不同于磁通的正弦波形。勵(lì)磁電流隨時(shí)間變化的函數(shù)曲線，可以用作圖法描繪出來(lái)，如圖1 19所示。圖1 19勵(lì)磁現(xiàn)象（a）電壓、磁通及勵(lì)磁電流； （b） 磁滯回線在時(shí)刻t，磁通為而電流為if ；在時(shí)刻t,相應(yīng)的值為 和i；。注意到，由于磁滯回線是多值的，需要從磁滯回線的磁通上升段仔細(xì)選取

29、上升磁通值（圖119中G ）；同樣，磁滯回線的磁通下降段，必須選做求取下降磁通值（圖1 19中:）?？梢?jiàn)，磁滯回線 由于飽和效應(yīng)而變平，故勵(lì)磁電流的波形為尖頂波。勵(lì)磁電流提供產(chǎn)生鐵心磁通所需要的磁動(dòng)勢(shì)，部分能量作為損耗耗散，引起鐵心發(fā)熱， 其余能量以無(wú)功功率出現(xiàn)。無(wú)功功率在鐵心中不耗散，由勵(lì)磁電源循環(huán)供給和吸收。在直流磁路中，勵(lì)磁電流是恒定的， 在線圈和鐵心中不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，在一定的電壓下，線圈中的電流決定于線圈本身的電阻R，磁路中沒(méi)有損耗。在交流磁路中，由于磁通在變化，將產(chǎn)生兩種損耗。第一是渦流損耗，第二是磁滯損耗。1.6永磁材料的應(yīng)用剩磁的意義在于，當(dāng)沒(méi)有外部勵(lì)磁存在時(shí)，它也能在磁路中

30、產(chǎn)生磁通。對(duì)用小磁體把留言條貼在電冰箱上的人來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)很熟悉的現(xiàn)象。剩磁也廣泛用在喇叭及永磁電機(jī)等裝置中。幾種常用永磁材料的磁化特性如圖 1 20所示。鋁鎳鈷5為一種廣泛應(yīng)用的鐵、 鎳、鋁 及鈷的合金。最初發(fā)現(xiàn)于 1931年，其具有相對(duì)較大的剩余磁通密度。與鋁鎳鈷5相比，鋁鎳鉆8有較低的剩余磁通密度和較高的矯頑磁力， 因此，比鋁鎳鉆5更少去磁。鋁鎳鉆合金 的缺點(diǎn)是其有相對(duì)較低的矯頑磁力以及它的機(jī)械脆性。陶瓷永磁材料用氧化鐵及鋇或碳酸鍶粉末制成，比鋁鎳鈷合金剩余磁通密度低，但矯頑磁力明顯要高。因而，此類材料更少趨于去磁。在圖中示出此類材料的一種，陶瓷7,其磁化特性幾乎為一條直線。陶瓷體具有良

31、好的機(jī)械性能，制造成本也不高，因而廣泛用于許多 永磁應(yīng)用場(chǎng)合。隨著稀土永磁材料的發(fā)現(xiàn)，永磁材料技術(shù)從20世紀(jì)60年代開(kāi)始取得了重大進(jìn)步， 其中以釤一鈷為典型代表，從圖1 20中看出，釤一鈷具有像鋁鎳鈷合金那樣的高剩余磁通密度， 而同時(shí)又有更高的矯頑磁力及最大磁能積。最新的稀土磁性材料是釹一鐵一硼材料。它表現(xiàn)出比釤一鈷更大的剩余磁通密度、矯頑磁力及最大磁能積。永磁材料性能的一個(gè)有用的衡量標(biāo)準(zhǔn)稱其為最大磁能積。這對(duì)應(yīng)于最大B-H乘積（B - H ）max，相應(yīng)于在磁滯回線第二象限的一點(diǎn)。B和H的乘積具有能量密度的量綱 （焦耳每立方米）。若永磁材料工作于該點(diǎn)，將使得在氣隙中產(chǎn)生一定的磁通密度所需要的

32、材料體 積最小。因而，選取具有最大可利用的最大磁能積的材料，可使需要的磁體體積最小。出 KA/m圖1 20常用永磁材料的磁化曲線小結(jié)本節(jié)對(duì)對(duì)電機(jī)學(xué)中遇到的電磁學(xué)的基本知識(shí)和基本定律做了一個(gè)簡(jiǎn)單的回顧。同時(shí)介紹了鐵磁材料的基本知識(shí)。 鐵磁材料常常用來(lái)導(dǎo)向和集束磁場(chǎng)，形成磁路。因?yàn)殍F磁材料的磁導(dǎo)率可以很大（達(dá)周圍空間磁導(dǎo)率的好幾萬(wàn)倍 ），大部分磁通就被限制在精心設(shè)計(jì)的路徑 中，這一路徑由磁性材料的幾何形狀決定。因而，在這些磁結(jié)構(gòu)中磁場(chǎng)的求解，可以直截了當(dāng)?shù)赜么怕贩治龇椒▉?lái)獲得。 不同鐵磁材料的性能各異，一般而言，鐵磁材料的特性為非線性，而其BH特性常常以磁滯回線族的形式表示。鐵磁材料的損耗，指磁滯

33、損耗及渦流損耗與磁通量、工作頻率、 材料成分和所采用的制造工藝有關(guān)。通常，材料制造商以曲線形式提供材料的重要特性供使用。永磁材料，表現(xiàn)為較大的剩磁和矯頑磁力。永磁體不但在交流和直流電機(jī)中廣泛應(yīng)用。 在許多小裝置包括揚(yáng)聲器、麥克風(fēng)及模擬電氣儀表等也獲得應(yīng)用。思考題1 電機(jī)和變壓器的磁路常采用什么材料制成，這種材料有那些主要特性？2磁滯損耗和渦流損耗是什么原因引起的？它們的大小與那些因素有關(guān)？3. 變壓器電勢(shì)、運(yùn)動(dòng)電勢(shì)(速率電勢(shì))、自感電勢(shì)和互感電勢(shì)產(chǎn)生的原因有什么不同？ 其大小與那些因素有關(guān)？4. 試比較磁路和電路的相似點(diǎn)和不同點(diǎn)。5. 什么是軟磁材料?什么是硬磁材料？6. 磁路的基本定律有哪些

34、？7. 簡(jiǎn)述鐵磁材料的磁化過(guò)程？&磁路計(jì)算的步驟是什么？9.說(shuō)明交流磁路與直流磁路的異同點(diǎn)。1.用D23硅鋼片(新型號(hào)為DR510- 50)做成的環(huán)形磁路如圖1 21所示，其平均長(zhǎng)度l = 70cm，截面積S =6cm2，計(jì)算：(1) 設(shè)環(huán)中磁通門=5 10*Wb，線圈匝數(shù)N -10000匝，需通入多大的電流？磁場(chǎng) 強(qiáng)度H為多大？磁化曲線見(jiàn)表1 1所示。(2) 當(dāng)環(huán)中磁通時(shí)：、= 2：，電流11、H1各為多少？(3)若在圓環(huán)上開(kāi)一個(gè)：=1cm缺口時(shí)，門-5 10*Wb時(shí)，電流12為多少？圖1 21環(huán)形磁路2 . 對(duì)于圖1 22所示的磁路，如果鐵心用D23硅鋼片迭成，截面積S =12.25 10 4m2，鐵心的平均長(zhǎng)度 丨=0.4 m，空氣隙：=0.5 10 ”m，線圈的匝數(shù)為 600匝，試求產(chǎn)生磁通 G = 1110-韋時(shí)所需的勵(lì)磁磁勢(shì)和勵(lì)磁電流。3.設(shè)有100匝長(zhǎng)方形線圈，如圖 1 23所示，線圈的尺寸為 a= 0.1米，b = 0.2米, 線圈在均勻磁場(chǎng)中圍繞著連接長(zhǎng)邊中點(diǎn)的軸線以均勻轉(zhuǎn)速n =1000r/min旋轉(zhuǎn)，