電機(jī)的磁路和磁路定理

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