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關(guān)于電機(jī)的磁路和磁路定理第一頁,共二十六頁,2022年,8月28日1.1.1磁場、磁路磁場:運動電荷(電流)的周圍空間存在的一種特殊形態(tài)的物質(zhì),是描述磁力線在電機(jī)空間分布及變化。磁路:磁力線閉合的主路徑。電機(jī)的磁路主要是鐵磁材料構(gòu)成,而旋轉(zhuǎn)電機(jī)都有空氣隙,空氣隙的磁場是旋轉(zhuǎn)電機(jī)能量轉(zhuǎn)換的重要因素。主磁通:由于鐵心的導(dǎo)磁性能比空氣要好得多,所以絕大部分磁通將在鐵心內(nèi)通過,這部分磁通稱為主磁通。漏磁通:圍繞載流線圈、部分鐵心和鐵心周圍的空間,還存在少量分散的磁通,這部分磁通稱為漏磁通。主磁路:主磁通所通過的路徑。漏磁路:漏磁通所通過的路徑。勵磁線圈:用以激勵磁路中磁通的載流線圈。勵磁電流:勵磁線圈中的電流。簡單鐵心磁路第二頁,共二十六頁,2022年,8月28日1.1.1磁場、磁路——各種設(shè)備的磁路2極直流電機(jī)的磁路4極同步電機(jī)的磁路2極感應(yīng)電機(jī)的磁路變壓器的磁路第三頁,共二十六頁,2022年,8月28日1.1.1磁場、磁路——各種設(shè)備的磁路第四頁,共二十六頁,2022年,8月28日1.1.2磁感應(yīng)強(qiáng)度(磁通密度)B、磁通量Φ磁感應(yīng)強(qiáng)度(磁通密度)B:磁場內(nèi)某點的磁場強(qiáng)弱和方向的物理量。單位:T(特斯拉)、D(高斯),1T=104D。均勻磁場:磁場內(nèi)各點的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等,方向相同。磁通量Ф:穿過某一截面積S的感應(yīng)強(qiáng)度的通量,也可理解為磁力線的總和。單位:韋伯Wb、麥克斯韋Mx,1韋伯=108麥克斯韋。磁通密度:單位面積上的磁通多少,數(shù)值上等于磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。磁鏈:匝數(shù)為N的線圈,每匝線圈通過的磁通量之和。Ψ=NФ第五頁,共二十六頁,2022年,8月28日1.1.3導(dǎo)磁率μ、磁場強(qiáng)度H磁導(dǎo)率μ:表示磁場媒質(zhì)磁性的物理量,即用來衡量物質(zhì)的導(dǎo)磁能力。μ=B/H(單位亨/米)真空磁導(dǎo)率為空氣、銅、鋁等非磁性物質(zhì),磁導(dǎo)率約等于真空磁導(dǎo)率。磁性材料的磁導(dǎo)率為
μFe=(2000~6000)μ0磁性材料的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣的磁導(dǎo)率。如:鐵、鎳、鈷及其合金。單質(zhì)存在的鐵礦,一般具有整體磁性,就是因為被地磁場磁化的原因。磁性材料(鐵磁材料)的這一特性被廣泛應(yīng)用于各種電機(jī)電器中。例如,電機(jī)、變壓器的線圈中都裝有鐵芯,就是為了以較小的激磁電流獲取較大的磁通。非磁性材料因為沒有磁疇,磁場對單個物質(zhì)原子不起作用,不具有磁化的特性,磁導(dǎo)率也不會很大。磁場強(qiáng)度H:表征磁場性質(zhì)的另一個物理量。它也是一個矢量,其單位為A/m(安/米)。在電機(jī)分析中磁場強(qiáng)度反映了電磁之間的關(guān)系,它和磁感應(yīng)強(qiáng)度間的數(shù)量關(guān)系是:第六頁,共二十六頁,2022年,8月28日1.1.4鐵磁性材料的磁化曲線(B-H曲線)磁化曲線:磁性材料在磁化過程中,磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨磁場強(qiáng)度(外加磁場)H變化的曲線,稱為磁化曲線。該曲線分為四段:oa起始段,B增長緩慢,磁疇尚未大量取向一致。ab上升段(線性區(qū)),B與H基本成正比迅速增大;磁疇開始大量取向一致。bc飽和段,B的增長放緩,磁疇基本全部取向一致。關(guān)于磁飽和的解釋:c點以后,H再增大時,B幾乎不再增長,磁化曲線呈非線性,達(dá)到“飽和”。原因是磁疇取向全部一致,再也沒有磁疇加入進(jìn)來。在磁化整個過程中,磁導(dǎo)率μ(斜率)不是常數(shù),開始很大,后來很小,跟空氣差不多了。在電機(jī)、變壓器的主磁路中,為了獲得較大的磁通量,而又不過分增大磁動勢,通常選b點作為磁感應(yīng)強(qiáng)度額定工作點。鐵磁材料的B-H(磁化)曲線第七頁,共二十六頁,2022年,8月28日1.1.4鐵磁性材料的磁化曲線(B-H曲線)當(dāng)電機(jī)磁通波動,特別是周期性變化時,鐵磁材料正反向磁化出現(xiàn)上升B-H曲線和下降B-H曲線不相重合如圖所示。構(gòu)成封閉回線,稱為磁滯回線。電機(jī)中常用的線圈鐵芯如硅鋼疊片、鑄鐵、鑄鋼等Hc較小,而永磁材料的磁極Br和Hc較大。剩磁Br:去掉外磁場之后,鐵磁材料內(nèi)仍然保留的磁通密度。矯頑磁力Hc:要使B為零,必須加上相應(yīng)的反向外磁場。磁滯:鐵磁材料所具有的這種磁通密度B的變化滯后于磁場強(qiáng)度H變化的現(xiàn)象。磁滯現(xiàn)象是鐵磁材料的另一個特性。第八頁,共二十六頁,2022年,8月28日1.1.4鐵磁性材料的磁化曲線(B-H曲線)基本磁化曲線HB
第九頁,共二十六頁,2022年,8月28日1.1.4鐵磁性材料的磁化曲線(B-H曲線)軟磁材料的磁滯曲線B軟磁材料H第十頁,共二十六頁,2022年,8月28日1.1.4鐵磁性材料的磁化曲線(B-H曲線)硬磁材料(永磁材料)的磁滯曲線BH硬磁材料第十一頁,共二十六頁,2022年,8月28日1.1.5常用的鐵磁材料及其特性根據(jù)矯頑磁力的大小和磁滯回線的形狀,磁性材料分為軟磁材料和硬磁材料(永磁材料)。(1)軟磁材料矯頑磁力小和磁滯回線較狹窄,而導(dǎo)磁率很大,容易被磁化,在較低外磁場的作用下就能產(chǎn)生較高的磁通密度,一旦外磁場消失,其磁性基本上消失。如電工硅鋼片、鑄鋼、鑄鐵等。(2)硬磁材料(永磁材料)矯頑磁力大和磁滯回線較寬闊,而導(dǎo)磁率較小,不容易被磁化,也不容易失磁,當(dāng)外磁場消失后,它們能保持相當(dāng)強(qiáng)且穩(wěn)定的磁性。如鐵氧體(鐵和鍶、鋇等金屬元素的一種或多種復(fù)合化合物)、鋁鎳鈷(鐵和鋁、鎳及鈷的合金)、稀土永磁材料等。第十二頁,共二十六頁,2022年,8月28日1.1.5常用的鐵磁材料及其特性第十三頁,共二十六頁,2022年,8月28日1.1.5常用的鐵磁材料及其特性第十四頁,共二十六頁,2022年,8月28日1.1.5常用的鐵磁材料及其特性第十五頁,共二十六頁,2022年,8月28日1.1.5常用的鐵磁材料及其特性第十六頁,共二十六頁,2022年,8月28日1.1.6磁場的損耗(1)磁滯損耗:鐵磁材料在交變磁場作用下反復(fù)磁化時,內(nèi)部的磁疇不停的往返倒轉(zhuǎn),分子運動摩擦生熱而消耗能量,稱為磁滯損耗。磁滯損耗和磁場頻率、磁滯回線面積(跟材料有關(guān))、磁通密度幅值(最大值)有關(guān)。用硅鋼片可減少磁滯損耗。上式中:V為導(dǎo)磁體的體積;kh為導(dǎo)磁材料的磁滯損耗系數(shù);f為磁場交變頻率,即導(dǎo)磁體被反復(fù)磁化的頻率;Bm為磁化過程中的最大磁通密度;指數(shù)n與材料的性質(zhì)有關(guān),其值在1.4~2.0之間。第十七頁,共二十六頁,2022年,8月28日1.1.6磁場的損耗(2)渦流損耗:鐵磁滯材料中的磁通交變時,會感應(yīng)電動勢和電流,因為這種電流呈漩渦狀,故稱為渦流。渦流在材料的電阻上產(chǎn)生的損耗,稱為渦流損耗。上式中:V為導(dǎo)磁體的體積;ke為鐵芯材料的渦流損耗系數(shù);τ為疊片的厚度,在50Hz的交變磁場中一般在0.3mm~0.5mm之間;f為磁場交變頻率,即導(dǎo)磁體被反復(fù)磁化的頻率;Bm為磁化過程中的最大磁通密度。渦流損耗和磁場頻率、磁通密幅值、及材料的電阻和厚度都有關(guān)系。因此,電工鋼片一般都很薄,并且加入4%左右的硅,形成半導(dǎo)體類合金,顯著增加電阻以減小渦流損耗。磁滯損耗和渦流損耗共稱為鐵耗,表示式:一般電工鋼片,Bm在1.8T內(nèi),可近似為:其中:kFe為鐵芯損耗系數(shù)。B↑
第十八頁,共二十六頁,2022年,8月28日1.1.7磁路的基本定律(1)安培環(huán)路定律(全電流定律)磁場強(qiáng)度矢量H沿任一閉合磁路的線積分,等于穿過該閉合路徑的限定面積中流過電流的代數(shù)和。上式中:N為閉合路徑鏈著的線圈匝數(shù);I為線圈中的電流。積分回路的繞行方向和產(chǎn)生該磁場電流的方向符合右手螺旋法則。磁壓(磁位差):磁場強(qiáng)度沿一條路徑L的線積分。沿著磁場中任一閉合回路,其總磁壓等于總磁勢:HL注意:磁壓、磁動勢單位均為A。第十九頁,共二十六頁,2022年,8月28日1.1.7磁路的基本定律(1)安培環(huán)路定律(全電流定律)例1:一閉合鐵心磁路,鐵心的截面積,磁路的平均長度L=0.3m,鐵心的磁導(dǎo)率,套裝在鐵心上的勵磁繞組為500匝。試求在鐵心中產(chǎn)生1T的磁通密度時,所需的勵磁磁動勢和勵磁電流。???A
第二十頁,共二十六頁,2022年,8月28日1.1.7磁路的基本定律(2)磁路的歐姆定律如圖所示為一均勻磁路。根據(jù)安培環(huán)路定律可得:
磁阻表達(dá)式:
其中:μ為導(dǎo)磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率;L為導(dǎo)磁性物質(zhì)的長度;S為導(dǎo)磁性物質(zhì)的截面積。磁路的磁阻與長度成正比、與橫截面積成反比,與磁導(dǎo)率成反比。作用在磁路上的磁動勢等于磁路內(nèi)的磁通量乘以磁阻。磁阻的單位是H-1或A/Wb。第二十一頁,共二十六頁,2022年,8月28日1.1.7磁路的基本定律(3)磁路的基爾霍夫第一定律定律內(nèi)容:穿出(或進(jìn)入)任一閉和面的總磁通量恒等于零(或者說,進(jìn)入任一閉合面的磁通量恒等于穿出該閉合面的磁通量),這就是磁通連續(xù)性定律。
又稱磁路的并聯(lián)定律。對于閉合面A:第二十二頁,共二十六頁,2022年,8月28日1.1.7磁路的基本定律(4)磁路的基爾霍夫第二定律定律背景:磁路計算時,總是把整個磁路分成若干段,每段為同一材料、相同截面積,且段內(nèi)磁通密度處處相等,從而磁場強(qiáng)度亦處處相等。定律內(nèi)容:沿任何閉合磁路的總磁動勢恒等于各段磁路磁位降的代數(shù)和。
又稱磁路的串聯(lián)定律。i第二十三頁,共二十六頁,2022年,8月28日1.1.7磁路的基本定律注意:磁路雖然形式上與電路相同,但它們之間卻存在著本質(zhì)上的不同,如電流是真實的帶電粒子的運動,鐵芯材料的磁化是鐵磁材料內(nèi)部磁疇繞軸轉(zhuǎn)動,形成一個附加磁場,而磁場僅僅是人們對磁場現(xiàn)象的一種描述
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