電機學第1章-電磁學基礎(chǔ)課件

1、電機學第1章電磁學基礎(chǔ)1.1磁場和安培環(huán)路定律1.2交流磁路的特點1.3線圈的自感和自感電抗1.4電磁感應定律1.5載流導體在磁場中所受到的電磁力1.6能量守恒原理1.7可逆原理1.1磁場和安培環(huán)路定律磁場和磁路當導體中通有電流時，載流導體的周圍就會形成磁場。由于鐵磁材料的磁導率要比空氣大得多，所以在電機和變壓器中常常用鐵磁材料來加強磁場，并同時對磁場導向，使大部分磁通被約束在規(guī)定的區(qū)域和特定的路徑內(nèi)，這種路徑就稱為磁路。圖1-1表示變壓器的主磁通所通過的鐵心主磁路，以及少量通過周圍空氣的漏磁通所形成的漏磁磁路。1.1磁場和安培環(huán)路定律圖1-1變壓器的磁路1.1磁場和安培環(huán)路定律安培環(huán)路定律沿

2、著任何一條閉合回線L，磁場強度H的線積分值Hdl就等于被該閉合回線所包圍的總電流值i(代數(shù)和)，這就是安培環(huán)路定律。用式子表示時有 LHdl=i (1-1)式中，若電流的正方向與閉合回線L的環(huán)行方向符合右手螺旋關(guān)系，i取正號，否則取負號。例如在圖1-2中，i2的正方向向上，取正號；i1和i3的正方向向下，取負號；故有LHdl=-i1+i2-i3。1.1磁場和安培環(huán)路定律圖1-2安培環(huán)路定律1.1磁場和安培環(huán)路定律磁路的歐姆定律圖1-3a是一個無分支的簡單鐵心磁路，鐵心上套有一個N匝的線圈，線圈中通有電流i，鐵心的截面積為A，磁路的平均長度為l。由于載流線圈的作用，鐵心內(nèi)將產(chǎn)生一定的磁通。若不計

3、漏磁通，即認為所有的磁通都被約束在鐵心內(nèi)，并設(shè)每段鐵心截面內(nèi)的磁通密度都是均勻分布，磁場強度H和磁通密度B的方向都是沿著回線的切線方向，大小處處相等，就有LHdl=Hl，1.1磁場和安培環(huán)路定律1.1磁場和安培環(huán)路定律圖1-3簡單的鐵心磁路a)簡單鐵心磁路b)等效磁路圖1.1磁場和安培環(huán)路定律式(1-6)表示，作用在磁路上的磁動勢F等于磁路內(nèi)的磁通量乘以磁路的磁阻Rm,此關(guān)系與直流電路中的歐姆定律十分相似，故通常稱為磁路的歐姆定律。這里，我們把磁動勢F比擬為電路中的電動勢E，磁通量比擬為電流I，磁阻Rm比擬為電阻R。圖1-3b為與圖1-3a相應的等效磁路圖。1.1磁場和安培環(huán)路定律圖1-4簡單

4、串聯(lián)磁路a)簡單串聯(lián)磁路b)等效磁路圖1.1磁場和安培環(huán)路定律圖1-5氣隙的邊緣效應1.1磁場和安培環(huán)路定律1.1磁場和安培環(huán)路定律例1-2若在例1-1的磁路中，有一個長度為=510-4m的氣隙，問鐵心中產(chǎn)生1T的磁通密度時，所需的磁動勢F為多少？已知鐵心的截面積AFe=310-2310-2m2，磁導率Fe=50000。1.1磁場和安培環(huán)路定律1.1磁場和安培環(huán)路定律圖1-6鐵磁材料的磁化曲線B=f和=f(H)1.2交流磁路的特點1.交流磁路的特點2.鐵心損耗1.交流磁路的特點(1)根據(jù)電磁感應定律，交變的磁通將在線圈內(nèi)產(chǎn)生感應電動勢，此問題將在1.4節(jié)中說明。(2)交變的磁通會在鐵心中引起鐵

5、心損耗，這將在下面作進一步的說明。(3)激磁電流im與鐵心中的磁通量之間將形成一定的相位差，此時im中除磁化分量i外，還將出現(xiàn)一個與鐵心損耗相對應的鐵耗分量iFe，這將在3.2節(jié)中作進一步的說明。(4)由于磁路的非線性，根據(jù)繞組的不同連接方式，可以導致激磁電流im、磁通和感應電動勢e的波形出現(xiàn)畸變。2.鐵心損耗鐵磁材料置于交變磁場中時，材料被反復交變磁化，鐵磁物質(zhì)內(nèi)的磁疇相互間不斷地摩擦，將產(chǎn)生磁滯損耗。實驗表明，磁滯損耗ph可用下式計算 (1-10)式中，Ch為材料的磁滯損耗系數(shù)；f為磁場的交變頻率；Bm為磁通密度的幅值；n為指數(shù)，對一般電工鋼片，n=1.62.3；V為鐵心的體積。2.鐵心損

6、耗圖1-7硅鋼片中的渦流2.鐵心損耗由于鐵心既是導磁體又是導電體，所以當通過鐵心的磁通隨時間交變時，根據(jù)電磁感應定律，圍繞著磁場，鐵心中將產(chǎn)生感應電動勢和旋渦狀流動的渦流,如圖1-7中虛線所示。渦流在鐵心中引起的損耗稱為渦流損耗。分析表明，渦流損耗pe為 (1-11)式中，Ce為材料的渦流損耗系數(shù)；為硅鋼片厚度。為減小渦流損耗，電機和變壓器的鐵心都用含硅量較高、厚度為0.350.5mm的薄硅鋼片疊成，這樣一方面具有良好的磁性能，另一方面又增大了鋼片的電阻率和加長了渦流的路徑，從而減小了渦流損耗。2.鐵心損耗1.3線圈的自感和自感電抗1.3線圈的自感和自感電抗1.4電磁感應定律1.法拉第電磁感應

7、定律2.產(chǎn)生感應電動勢的三種情況1.法拉第電磁感應定律式(1-19)就是法拉第電磁感應定律；式中e的正方向與的正方向符合右手螺旋關(guān)系，負號是使e的實際方向與由楞茨定則所確定的方向相一致所引入。楞茨定則指出，感應電流所產(chǎn)生的磁通，其方向總是阻止原磁通變化的方向。以圖1-8所示情況為例，設(shè)的正方向為自下向上，按照右手螺旋法則，線圈感應電動勢e的正方向應為從線圈的首端A指向尾端X，即圖中e的箭頭方向所示。1.法拉第電磁感應定律圖1-8磁通和線圈感應電動勢e的正方向1.法拉第電磁感應定律若線圈有N匝，它們都與磁通相交鏈，則式(1-19)應改寫為2.產(chǎn)生感應電動勢的三種情況(1)回路靜止，磁通隨時間而變

8、化(2)磁場恒定不變，閉合回路在磁場中運動(3)磁場隨時間變化，閉合回路又在磁場內(nèi)運動這是一種普遍情況，即既有變壓器電動勢又有運動電動勢的情況。(1)回路靜止，磁通隨時間而變化圖1-9變壓器的工作原理(1)回路靜止，磁通隨時間而變化(1)回路靜止，磁通隨時間而變化(2)磁場恒定不變，閉合回路在磁場中運動圖1-10回路運動時，時間dt內(nèi)線段dl所掃過的面積d(2)磁場恒定不變，閉合回路在磁場中運動(2)磁場恒定不變，閉合回路在磁場中運動圖1-11由右手法則確定運動電動勢的方向(2)磁場恒定不變，閉合回路在磁場中運動(3)磁場隨時間變化，閉合回路又在磁場內(nèi)運動(3)磁場隨時間變化，閉合回路又在磁場

9、內(nèi)運動1.5載流導體在磁場中所受到的電磁力1.5載流導體在磁場中所受到的電磁力圖1-12畢-薩定律1.5載流導體在磁場中所受到的電磁力圖1-13左手定則1.5載流導體在磁場中所受到的電磁力1.6能量守恒原理在質(zhì)量不變的物理系統(tǒng)中，能量既不能被產(chǎn)生、也不能被消滅，而僅能改變其存在形態(tài)，這就是能量守恒原理。能量守恒原理是物理學中的一條基本原理，它也是研究電機問題的基本出發(fā)點之一。絕大多數(shù)電機都是以磁場作為耦合場。對于這類電機，若轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為恒定，根據(jù)能量守恒原理，不難寫出能量轉(zhuǎn)換過程中電機內(nèi)的能量關(guān)系為1.6能量守恒原理1.7可逆原理若在電機的軸上輸入機械功率，使旋轉(zhuǎn)的電樞導體“切割”主極磁場，電樞繞組內(nèi)就會產(chǎn)生感應電動勢，并對外輸出電功率，此時電機將作為