電機中的電磁學(xué)基本知識

電機中的電磁學(xué)基本知識1第1頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1.0電機與拖動的基本知識

1.0.1電機與拖動的基本含義1.電機的定義

電機是以電磁感應(yīng)理論為原理，實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換或信號變換電氣設(shè)備。比如交流電機、直流電機等旋轉(zhuǎn)電機實現(xiàn)機電能量變換。變壓器實現(xiàn)電能變換。再比如，電壓傳感器，隔離變壓器等實現(xiàn)信號變換。用于控制系統(tǒng)中的各種控制電機進(jìn)行的信號變換等等。2第2頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1.0電機與拖動的基本知識

1.0.1電機與拖動的基本含義2.電機拖動的定義

以電機為原動機拖動各種運動型負(fù)載的控制系統(tǒng)稱為電力拖動系統(tǒng)。如電力機車、軌道交通車輛、起重設(shè)備、現(xiàn)代船舶驅(qū)動、機床控制、家用電氣中的洗衣機、電冰箱等。

3第3頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1.0電機與拖動的基本知識

1.0.2為什么要學(xué)電機與拖動1.應(yīng)用廣泛

電機與拖動廣泛應(yīng)用與交通運輸、國防、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、文化教育、醫(yī)療衛(wèi)生?？梢哉f，電機與拖動廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個方面。

4第4頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1.0電機與拖動的基本知識

1.0.2為什么要學(xué)電機與拖動2.是本專業(yè)的主要基礎(chǔ)課

對從事本專業(yè)工作的技術(shù)人員來講是非常重要。對后續(xù)專業(yè)可得學(xué)習(xí)同樣非常重要，如，電力拖動自動控制系統(tǒng)、專業(yè)綜合課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等。

5第5頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1.0電機與拖動的基本知識

1.0.3本課程的主要特點

基本原理、基本結(jié)構(gòu)、各種電機電器特性和應(yīng)用6第6頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1磁路的基本知識

1.1.1電路與磁路1.電路

對于電路系統(tǒng)來說，在電動勢E的作用下電流I從E的正極通過導(dǎo)體流向負(fù)極。可見構(gòu)成一個完整的電路系統(tǒng)需要電動勢、電導(dǎo)體，并可以形成電流。7第7頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月2.磁路

在磁路系統(tǒng)中，也有一個磁動勢F（類似于電路中的電勢），在F的作用下產(chǎn)生一個（類似于電路中的電流），磁通從磁動勢的N極通過一個通路（類似于電路中的導(dǎo)體）到S極，這個通路就是磁路。8第8頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月磁路材料的特點

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。由于非鐵磁物質(zhì)，如空氣也能通過磁通，這就造成鐵磁材料構(gòu)成的磁路周圍空氣中也必然會有磁通，空氣磁阻比鐵磁材料大幾千倍，因而比小的多，常常被稱為漏磁通，稱為主磁通。因此磁路問題比電路問題要復(fù)雜的多。9第9頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1.2電機電器中的磁路

磁路系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在電器設(shè)備之中，如變壓器、電機、繼電器等。并且在電機和某些電器的磁路中，一般還需要一段空氣隙，或者說空氣隙也是磁路的組成部分。10第10頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月幾種常用電機電器的典型磁路

(a)普通變壓器鐵芯；(b)電磁繼電器常用鐵芯；(c)電機磁路

圖1—1幾種常用電機電器的典型磁路空氣隙空氣隙磁路—磁力線的通路11第11頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1.3電氣設(shè)備中磁動勢的產(chǎn)生

為了產(chǎn)生較強的磁場，在一般電氣設(shè)備中都使用電流產(chǎn)生磁場。電流產(chǎn)生磁場的方法是：把繞制好的匝線圈套裝在鐵心上，并在線圈內(nèi)通入電流，這樣在鐵心和線圈周圍的空間中就會形成磁場，如圖1—2所示。圖1—2磁動勢的產(chǎn)生和磁路歐姆定律12第12頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月主磁通和漏磁通鐵心產(chǎn)生的磁場，其中大多數(shù)磁通通過鐵心，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)生磁通的匝線圈稱為勵磁線圈，勵磁線圈中的電流稱為勵磁電流。主磁通漏磁通勵磁電流勵磁線圈磁路磁阻13第13頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月產(chǎn)生磁場的其他方法

值得注意的是，除了電流產(chǎn)生磁場外，電機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越強?？梢灶A(yù)見永久磁鐵將在電機電器中得到廣泛的應(yīng)用。14第14頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2磁場的基本知識1.2.1磁感應(yīng)強度（磁通密度）B

描述磁場強弱及方向的物理量稱為磁感應(yīng)強度。為了形象地描繪磁場，往往采用磁感應(yīng)線，常稱為磁力線，磁力線是無頭無尾的閉合曲線。圖1—3畫出了直線電流及螺線管電流產(chǎn)生的磁力線。圖1—315第15頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月磁感應(yīng)強度的計量和方向

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。在國際單位制中，磁感應(yīng)強度B的單位為特（特斯拉），單位符號為T，即（韋伯/米2）。(a)(b)

圖1—3電流磁場中的磁力線直線電流；(b)螺線管電流16第16頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.2磁通

穿過某一截面S的磁感應(yīng)強度的通量，即穿過截面S的磁力線根數(shù)稱為磁感應(yīng)通量，簡稱磁通。用表示。即:17第17頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月截面S與B垂直的均勻磁場的計算

在均勻磁場中，如果截面S與B垂直，如圖1—4所示，則上式變?yōu)?或（1—2）式中，B為磁通密度，簡稱磁密，S為面積。在國際單位制中，的單位名稱為韋（韋伯），單位符號Wb。圖1—4均勻磁場中的磁通18第18頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.3磁場強度H

計算導(dǎo)磁物質(zhì)中的磁場時，引入輔助物理量磁場強度H，它與磁密B的關(guān)系為:（1—3）式中，為導(dǎo)磁物質(zhì)的磁導(dǎo)率。真空的磁導(dǎo)率為。鐵磁材料的，例如鑄鋼的約為的1000倍，各種硅鋼片的約為的6000～7000倍。國際單位制中，磁場強度H的單位名稱為安（安培）/米，單位符號A/m。19第19頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3電磁學(xué)的基本定律

1.3.1安培環(huán)路定律

—描述電流產(chǎn)生磁場的規(guī)律

凡導(dǎo)體中有電流流過時，就會產(chǎn)生與該載流導(dǎo)體相交鏈的磁通。在磁場中，沿任意一個閉合磁回路的磁場強度線積分等于該回路所交鏈的所有電流的代數(shù)和，即式中，就是該磁路所包圍的全電流。因此，式（1—4）也稱全電流定律。（1—4）20第20頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月安培環(huán)路定律

如圖1—5所示，電流、、產(chǎn)生的磁場，沿封閉曲線磁場強度滿足圖1—5中，與磁力線（閉合回線）符合右手螺旋關(guān)系的取正號，反之取負(fù)號。

圖1—5安培環(huán)路定律21第21頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.2電磁感應(yīng)定律——描述磁場產(chǎn)生電勢的規(guī)律

當(dāng)導(dǎo)體處于變化的磁場（磁通）中時，導(dǎo)體中會產(chǎn)生感應(yīng)電勢，這就是電磁感應(yīng)現(xiàn)象。這個感應(yīng)電勢的大小和磁通隨時間的變化率的負(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

Φ，當(dāng)該磁通隨時間發(fā)生變化時，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為（1—5）22第22頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月一、變壓器電動勢

線圈通入隨時間而變的電流，這時由所產(chǎn)生的磁通也隨時間而變，磁通沿導(dǎo)磁材料閉合。這時線圈和同時交鏈磁通，從而在線圈和中都會感應(yīng)電動勢和，感應(yīng)電動勢的正方向如圖1—6所示，其表達(dá)式如下：圖1—6變壓器電動勢符合右手螺旋定則23第23頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月變壓器電動勢的磁鏈表示磁鏈電感24第24頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月二、切割電動勢

1.切割電動勢的值切割電動勢是由于線圈（或?qū)w）和磁場之間存在相對運動，使線圈中的磁通發(fā)生變化，而產(chǎn)生電動勢，所以稱之為切割電動勢。如果線圈（或?qū)w）所處的磁通密度為均勻磁密時，導(dǎo)體中電動勢值的計算公式為：25第25頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月切割電動勢

2.切割電動勢方向：

由右手定則決定，即：伸開右手，使大拇指與其余四指互相垂直并在一個平面內(nèi)，讓磁力線穿過手心，大拇指指向?qū)w相對于磁場的運動方向，則四指所指的方向為旋轉(zhuǎn)電動勢的方向。右手定則法如圖1—7所示。圖1—7確定切割電動勢方向的右手定則26第26頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.3畢—薩電磁力定律

——描述電磁作用產(chǎn)生力的規(guī)律

載流導(dǎo)體在磁場中會受到力的作用，這種力是磁場與電流相互作用所產(chǎn)生的，故稱為電磁力。若磁場與導(dǎo)體相互垂直，則作用在導(dǎo)體上的電磁力為：式中，B為導(dǎo)體所處的磁通密度，單位為T；為導(dǎo)體中的電流，單位為A；為導(dǎo)體在磁場中的有效長度，單位為m；F為作用在導(dǎo)體上的電磁力，單位為N。

（1—9）27第27頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月電磁力的方向

電磁力的方向可用圖1—8所示的左手定則確定，即：

伸開左手，大拇指與其余四指互相垂直，并保持在一個平面，讓磁力線穿過手心，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1—8確定載流導(dǎo)體受力方向的左手定則28第28頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.4磁路歐姆定律

圖1—2是一個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為Φ，沿空氣閉合的漏磁通為。設(shè)鐵心截面積為S，平均磁路長度為，鐵磁材料的磁導(dǎo)率為(不是常數(shù)，隨磁感應(yīng)強度變化)。圖1—229第29頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月全電流定律的工程應(yīng)用

假設(shè)漏磁通可以不考慮(即，假設(shè)磁通全部通過鐵心)，并且認(rèn)為磁路上的磁場強度處處相等，于是，根據(jù)全電流定律有：

因，，可得：式中，為磁動勢；為磁阻；為磁導(dǎo)。（1—10）30第30頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.5磁路基爾霍夫第一定律

如果鐵心不是一個簡單的回路。而是帶有并聯(lián)分支的磁路，從而形成磁路的節(jié)點，則當(dāng)忽略漏磁通時，在磁路任何一個節(jié)點處，磁通的代數(shù)和恒等于零，即：31第31頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月磁路基爾霍夫第一定律

若令流入節(jié)點的磁通定為(＋)。則流出該節(jié)點的磁通定為(－)。如圖1—9封閉面處有：

磁路基爾霍夫第一定律表明，進(jìn)入或穿出任一封閉面的總磁通量的代數(shù)和等于零，或穿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—932第32頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.6磁路基爾霍夫第二定律

工程應(yīng)用中，磁路的幾何形狀往往是比較復(fù)雜的，直接利用安培環(huán)路定律的積分形式計算有一定的困難。為此，在計算時要進(jìn)行簡化。簡化的辦法是把磁路分段，幾何形狀相同的分為一段，找出它的平均磁場強度，再乘上這段磁路的平均長度，求得該段的磁位降(也可理解為一段磁路所消耗的磁動勢)。然后把各段磁路的磁位降相加，結(jié)果就是總磁動勢，即沿任何閉合磁路的總磁動勢恒等于各段磁位降的總和。33第33頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月

磁路基爾霍夫第二定律

磁路基爾霍夫第二定律：式中，為磁路里第k段磁路的磁場強度(A/m)；為第段磁路的平均長度(m)；為作用在整個磁路上的磁動勢；即全電流數(shù)(安匝)；

N為勵磁線圈的匝數(shù)。上式也可以理解為，消耗在任一閉合磁回路上的磁動勢，等于該磁路所交鏈的全部電流。（1—13）34第34頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月例

圖1—10中所示磁路可分為兩段，

第一段為：鐵磁材料組成的鐵心，總長度為：磁場強度為：；

第二段為：氣隙，長度為，磁場強度為。35第35頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月例（續(xù)）

鐵心上有兩組線圈，一組線圈的電流為，線圈的匝數(shù)為N1；另一組線圈的電流為，線圈的匝數(shù)為N2，由磁路基爾霍夫第二定律可得：圖1—10磁路基爾霍夫第二定律36第36頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4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。37第37頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4.1鐵磁材料的磁化

鐵磁材料由許許多多的磁疇構(gòu)成，每個磁疇相當(dāng)于一個小永磁體，具有較強的磁矩，如圖1—11所示。在未磁化的材料樣品中，所有磁疇擺列雜亂，因此材料對外不顯磁性，如圖1—11（a）所示。圖1—11鐵磁材料的磁化(a)未磁化38第38頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月

鐵磁材料的磁化

當(dāng)外部磁場施加到這一材料時，磁疇會沿施加磁場的方向轉(zhuǎn)向，所有的磁疇平行，鐵磁材料對外表現(xiàn)出磁性，如圖1—11(b)所示。

圖1—11鐵磁材料的磁化

(b)磁化39第39頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月

鐵磁材料的磁化當(dāng)外磁場加到鐵磁材料時，鐵磁材料磁疇產(chǎn)生的磁化磁場疊加在外磁場上，使合成磁場大為加強。隨著外部磁場強度的增加，磁疇就會沿施加的磁場方向轉(zhuǎn)向，直到所有的磁疇沿施加的磁場排列，即所有的磁疇與外磁場平行，此時，磁疇將不再能使磁通密度增加，也就是說材料完全飽和。圖1—11鐵磁材料的磁化

(b)磁化40第40頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4.2起始磁化曲線、磁滯回線、

基本磁化曲線

將一塊沒有磁化的鐵磁材料進(jìn)行磁化，當(dāng)磁場強度由零逐漸增大時，磁通密度將隨之增大，用描述的曲線稱為是鐵磁材料的起始磁化曲線，如圖1—12所示。圖1—12起始磁化曲線41第41頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月起始磁化曲線

圖1—12可見，當(dāng)磁場強度從零增大初期，磁密B隨磁場強度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，過了b點，B的增加減慢(bc段)，最后為cd段，又呈直線。圖1—1242第42頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月起始磁化曲線

其中a稱為跗點，b點為膝點，c點為飽和點。過了飽和點c，鐵磁材料的磁導(dǎo)率趨近于。各種電機和變壓器的主磁路中，為了獲得較大的磁密，又不過分增大磁動勢，通常把鐵心內(nèi)的工作點磁通密度選擇在膝點b附近。圖1—1243第43頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月磁滯回線

將鐵磁材料進(jìn)行周期性磁化，B和H之間的變化關(guān)系就會變成如圖1—13中的abcdefa所示形狀。當(dāng)H開始從零增加到，以后逐漸減小磁場強度H，B值將沿曲線ab下降。當(dāng)時，B值并不為零，而等于，稱為剩余磁通密度，簡稱剩磁。要使B值從減小到零，必須加上相應(yīng)的反向外磁場H，此反向磁場強度稱為矯頑力，用表示。圖1—13鐵磁材料的磁化特性44第44頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月磁滯回線

鐵磁材料所具有的這種磁通密度B的變化滯后于磁場強度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，見圖1—13中的abcdefa所示。曲線段abcd為磁滯回線下降分支，defa為磁滯回線上升分支。45第45頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月磁滯回線46第46頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月基本磁化曲線

對于同一鐵磁材料，選擇不同的磁場強度反復(fù)磁化時，可得出不同的磁滯回線，將各條磁滯回線的頂點連接起來，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1—14的虛線所示。圖1—14基本磁化曲線47第47頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月磁化曲線的工程應(yīng)用

鐵磁材料的磁導(dǎo)率比空氣的磁導(dǎo)率大幾千到幾萬倍。鐵磁材料的導(dǎo)率除了比大得多外，還與磁場強度以及磁狀態(tài)的歷史有關(guān)，所以鐵磁材料的不是常數(shù)。在工程計算時，不按進(jìn)行計算，而是按鐵磁材料的基本磁化曲線計算。圖1—15為電機中常用的硅鋼片DR320、生鐵48第48頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月磁化曲線的工程應(yīng)用所以只要知道磁場強度H就可以根據(jù)磁化曲線得到B圖1—15電機中常用的基本磁化曲線49第49頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4.3軟磁材料和硬磁材料

磁滯回線較窄，剩磁和矯頑力都小的鐵磁材料屬于軟磁材料，如硅鋼片、鐵鎳合金、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、變壓器的鐵心。磁滯回線較寬，剩磁和矯頑力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。50第50頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4.4磁滯損耗和渦流損耗

鐵磁材料在交變磁場的作用下而反復(fù)磁化過程中，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。磁滯回線面積越大，損耗越大。磁通密度最大值越大時，磁滯回線面積也越大。51第51頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4.4磁滯損耗和渦流損耗

試驗表明，交變磁化時，磁滯損耗與磁通的交變頻率f成正比，與磁通密度的幅值的n次方成正比，與鐵心重量成正比，即式中，為磁滯損耗系數(shù)，對一般的電工用硅鋼片，。電機和變壓器的鐵心都采用硅鋼片52第52頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月二、渦流損耗

當(dāng)通過鐵心的磁通發(fā)生交變時，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，鐵心中將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，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，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。圖1—16一片硅鋼片中的渦流53第53頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月渦流損耗的計算式

設(shè)渦流為，渦流回路的電阻為，渦流感應(yīng)電動勢為，渦流損耗為，可見，頻率f越高，磁通密度B越大，感應(yīng)電動勢就越大，渦流損耗也越大；鐵心的電阻越大，渦流損耗就越小。54第54頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月渦流損耗的計算式

對電工鋼片，渦流損耗還與鋼片厚度的平方成正比，經(jīng)推導(dǎo)可知，渦流損耗為（1-15）式中，為渦流損耗系數(shù)。

為了減小渦流損耗,應(yīng)減小鋼片的厚度d，所以電工鋼片的厚度做成0.35~0.5毫米；另外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。

55第55頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月磁路的鐵損耗

在電機和變壓器中，通常把磁滯損耗和渦流損耗合在一起，稱為鐵心損耗簡稱鐵耗。對于一般的電工鋼片，正常工作點的磁通密度B為，鐵心損耗可近似為:式中，為鐵心的損耗系數(shù)；為鐵心重量?？梢?，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—16）56第56頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月

1.5簡單磁路及計算