電機(jī)的基本原理

電機(jī)的基本原理第1頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月1.概述1.1電機(jī)在國民經(jīng)濟(jì)中的重要作用

與其它形式的能量相比，電能具有大量生產(chǎn)、來源廣泛、集中管理、便于輸送、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。電機(jī)是一種與電能密切相關(guān)的能量轉(zhuǎn)換裝置，可以實(shí)現(xiàn)電能和機(jī)械能、電能和電能之間的轉(zhuǎn)換自然界里的能量，可以通過特定裝置轉(zhuǎn)換為機(jī)械能并驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生電能------發(fā)電機(jī)。為降低傳輸過程中的電能損失，通常采用高壓輸電，用變壓器將發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電壓升高，經(jīng)過高壓電力網(wǎng)傳輸?shù)接脩魝?cè)，再用變壓器將高電壓降低到適于用戶使用的電壓等級(jí)------變壓器。在用戶側(cè)，利用電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作，帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械，實(shí)現(xiàn)電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換-----電動(dòng)機(jī)。第2頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2電機(jī)的基本構(gòu)成和分類電機(jī)是基于電磁感應(yīng)定律實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的裝置。要實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，必須有一個(gè)磁場，磁場與兩個(gè)或兩個(gè)以上的電路耦合。電機(jī)中的能量轉(zhuǎn)換，就是通過有關(guān)電路中磁鏈的變化來實(shí)現(xiàn)的。最常見的電機(jī)是旋轉(zhuǎn)電機(jī)，它產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，有一靜止部分（稱為定子）一旋轉(zhuǎn)部分（稱為轉(zhuǎn)子）二者之間有一空氣隙。第3頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月第4頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月電機(jī)的種類多種多樣，一般有以下幾種分類方式：按照能量轉(zhuǎn)換方式分電動(dòng)機(jī)——將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能發(fā)電機(jī)——將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能電能轉(zhuǎn)換裝置——將一種形式的電能轉(zhuǎn)換為另一種形式的電能，包括變壓器(輸入和輸出的電壓不同)、變頻機(jī)(輸入和輸出的頻率不同)、變流機(jī)(輸入和輸入的波形不同，將直流變?yōu)榻涣?和移相器(輸入和輸出的相位不同)。控制電機(jī)——不以功率轉(zhuǎn)換為主要職能，在電氣、機(jī)械系統(tǒng)中起調(diào)節(jié)、放大和控制作用。根據(jù)運(yùn)動(dòng)方式分旋轉(zhuǎn)電機(jī)——產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)靜止電機(jī)——不產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)直線電機(jī)——產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)第5頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月旋轉(zhuǎn)電機(jī)平面形直線電機(jī)圓筒形直線電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子平移的動(dòng)子平移的磁場軸向平移的磁場軸向平移的動(dòng)子第6頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)供電電源分直流電機(jī)——使用或產(chǎn)生直流電交流電機(jī)——使用或產(chǎn)生交流電在交流電機(jī)中，根據(jù)供電電源相數(shù)的不同，又可將電機(jī)分為單相電機(jī)和三相電機(jī)。根據(jù)同步速度(磁場轉(zhuǎn)速)分直流電機(jī)——沒有固定的同步速度的電機(jī)變壓器——靜止設(shè)備同步電機(jī)——轉(zhuǎn)速等于同步速度的電機(jī)感應(yīng)電機(jī)——作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，速度總低于同步速；作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，速度大于同步速交流換向器電機(jī)——速度可以從同步速度以下調(diào)至同步速度以上。第7頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月2磁場與磁路

2.1與磁場有關(guān)的基本概念(1)磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度和磁導(dǎo)率磁場是由電流(運(yùn)動(dòng)電荷)或永磁體在其周圍空間產(chǎn)生的一種特殊形態(tài)的物質(zhì)，可用磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度來表征其大小和方向。磁感應(yīng)強(qiáng)度定義為通以單位電流單位長度導(dǎo)體在磁場中所受的力，是一個(gè)矢量，用B表示，單位為特斯拉(T)，也稱為磁通密度，或簡稱磁密。磁場強(qiáng)度也是一個(gè)矢量，用H表示，單位為A/m，與磁感應(yīng)強(qiáng)度之間滿足

B＝

H

為磁導(dǎo)率，決定于磁場所在點(diǎn)的材料特性，單位為H/m。第8頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)材料的導(dǎo)磁性能，可將其分為鐵磁材料和非鐵磁材料非鐵磁材料的磁導(dǎo)率可認(rèn)為與真空的磁導(dǎo)率

0相同，為4

10-7H/m。鐵磁材料主要是鐵、鎳、鈷以及它們的合金，其磁導(dǎo)率是非鐵磁材料磁導(dǎo)率的幾十倍至數(shù)千倍。由于材料的磁導(dǎo)率變化范圍很大，常采用相對磁導(dǎo)率

r來表征材料的導(dǎo)磁性能，

r為材料的磁導(dǎo)率與真空磁導(dǎo)率的比值第9頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)磁通與磁通連續(xù)性定理磁通是通過磁場中某一面積A的磁力線數(shù)，用

表示，定義為

單位為韋伯（Wb）。在圖1-1所示的均勻磁場中，穿過面積A的磁通為

式中，

為面積A的法線方向與B之間的夾角。圖1-1磁通第10頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月磁通（量）的計(jì)算第11頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月磁通連續(xù)性定理：由于磁力線是閉合的，對于任何一個(gè)閉合曲面，進(jìn)入該閉合曲面的磁力線數(shù)應(yīng)等于穿出該閉合曲面的磁力線數(shù)。若規(guī)定磁力線從曲面穿出為正、進(jìn)入為負(fù)，則通過閉合曲面的磁通恒為零。第12頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)磁動(dòng)勢和安培環(huán)路定律磁場強(qiáng)度沿一路徑L的線積分定義為該路徑上的磁壓降，也稱為磁壓，用符號(hào)U表示，單位為A，即在電機(jī)中，磁場強(qiáng)度沿任一閉合路徑的線積分等于該路徑所包圍的電流的代數(shù)和，即稱為安培環(huán)路定律顯然，如果H與l同方向，則相量相乘變?yōu)榇鷶?shù)相乘第13頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月磁場強(qiáng)度方向與路徑方向同方向第14頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月電流的正方向與積分路徑的方向之間符合右手螺旋關(guān)系。如果H與L方向相同，且在L上H處處相同

由于磁場為電流所激發(fā)，上式中閉合路徑所包圍的電流數(shù)稱為磁動(dòng)勢，用F表示，單位為A。通常我們稱磁路的磁壓為該磁路所需的磁動(dòng)勢，隱去了磁壓這一概念。第15頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月第16頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月(4)磁鏈與電磁感應(yīng)定律處于磁場中的一個(gè)N匝線圈，若其各匝通過的磁通

都相同，則經(jīng)過該線圈的磁鏈

為

第17頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月

當(dāng)線圈中的磁鏈發(fā)生變化時(shí)，線圈中將產(chǎn)生電動(dòng)勢，稱為感應(yīng)電動(dòng)勢。感應(yīng)電動(dòng)勢的大小與磁鏈的變化率成正比感應(yīng)電動(dòng)勢的方向傾向于產(chǎn)生一電流，若該電流能流通，所產(chǎn)生的磁場將阻止線圈磁鏈的變化。第18頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月若電動(dòng)勢、電流和磁通的正方向如圖1-3所示，即電流正方向與磁通正方向符合右手螺旋關(guān)系，正電動(dòng)勢產(chǎn)生正電流，則感應(yīng)電動(dòng)勢可表示為

單位為V。上式稱為電磁感應(yīng)定律。若磁場由交流電流產(chǎn)生，則磁通隨時(shí)間變化，所產(chǎn)生的電動(dòng)勢稱為變壓器電動(dòng)勢。若通過線圈的磁通不隨時(shí)間變化，但線圈與磁場之間有相對運(yùn)動(dòng)，也會(huì)引起線圈磁鏈的變化，所產(chǎn)生的電動(dòng)勢稱為運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢。圖1-3電流、磁通和電動(dòng)勢的正方向第19頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢的大小可用另一種形式表示l為導(dǎo)體在磁場中的長度，m；v為導(dǎo)體與磁場之間的運(yùn)動(dòng)速度，m/s；e的單位為V。三者之間互相垂直，電動(dòng)勢的方向用右手定則確定圖1-4右手定則第20頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月(5)電磁力與電磁轉(zhuǎn)矩若將一導(dǎo)體置于磁場中，導(dǎo)體中通以電流i，則其將受到電磁力作用，電磁力的大小可表示為電磁力F的單位為N。電磁力的方向可用左手定則確定。將左手伸開，使磁力線指向手心，拇指在手掌平面中與其它四指成90

角，其它四指指向電流的方向，則拇指所指方向就是電磁力的方向。圖1-5左手定則第21頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月在旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，假設(shè)載流導(dǎo)體位于轉(zhuǎn)子上，則其所受的電磁力乘以導(dǎo)體與旋轉(zhuǎn)軸中心線之間的距離r(通常為轉(zhuǎn)子半徑)，就是電磁轉(zhuǎn)矩，即

單位為N.m。2.2磁路及其基本定理

麥克思韋方程是描述電磁現(xiàn)象的普遍適用方程。但由于電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且包含多種導(dǎo)磁性能不同的材料，難以直接利用麥克思韋方程得到磁場的分布。在電機(jī)中，通常把復(fù)雜的三維磁場問題的求解簡化為相應(yīng)磁路的計(jì)算，在絕大多數(shù)情況下可以滿足工程精度的要求。第22頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月1、磁路所謂磁路，就是磁通流過的路徑。磁路的基本組成部分是磁動(dòng)勢源和磁通流過的物體，磁動(dòng)勢源為永磁體或通電線圈。由于鐵磁材料的導(dǎo)磁性能遠(yuǎn)優(yōu)于空氣，絕大部分磁通在鐵磁材料內(nèi)部流通。圖1-6a)為帶鐵心的電感，由通電線圈和鐵心組成，鐵心的截面積均勻（為A），磁路的平均長度為L。假設(shè)磁通經(jīng)過該磁路的所有截面且在截面上均勻分布，則可得到圖1-6b)所示的等效磁路(a)電感(b)其等效磁路圖1-6電抗器及其等效磁路第23頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月該磁路上的磁通和磁動(dòng)勢分別為

將磁通和磁動(dòng)勢的關(guān)系與電路中電流和電壓的關(guān)系類比，定義

為該段磁路的磁阻，單位為A/Wb。上式表征了磁通、磁動(dòng)勢和磁阻之間的關(guān)系，稱為磁路的歐姆定律。磁阻可用磁路的材料特性和尺寸表示為

第24頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月若磁路中有n個(gè)磁阻Rm1、Rm2、…、Rmn串聯(lián)，則等效磁阻為

若磁路中有n個(gè)磁阻Rm1、Rm2、…、Rmn并聯(lián)，則等效磁阻為

磁阻的倒數(shù)稱為磁導(dǎo)，用

表示

其單位為Wb/A。第25頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月表1-1磁路與電路的類比磁路電路磁動(dòng)勢F(A)電壓U(V)磁通

(Wb)電流I(A)磁阻(H-1)電阻(

)磁導(dǎo)(H)電導(dǎo)(S)磁路方程F=

Rm電路方程U=IR磁通密度(T)電流密度(A/m2)可以看出，磁路方程與電路方程在形式上非常相似。其類比關(guān)系如表1-1所示。第26頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月但是，電路和磁路雖然形式上相同，但在物理本質(zhì)上有本質(zhì)的區(qū)別：電路中的電流是運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生的，是實(shí)際存在的，而磁路中的磁通僅僅是描述磁現(xiàn)象的一種手段；電路中通過電流要產(chǎn)生損耗，但當(dāng)鐵心中的磁通不變時(shí)不產(chǎn)生損耗；在溫度一定的前提下，導(dǎo)體的電阻率是恒定的，而導(dǎo)磁材料的磁導(dǎo)率隨其中磁場的變化而變化；導(dǎo)體和非導(dǎo)體的導(dǎo)電率之比可達(dá)1016，電流沿導(dǎo)體流動(dòng)；而常用鐵磁材料的相對磁導(dǎo)率通常為103~105，磁場不只在鐵磁材料中存在，在非鐵磁材料中也存在。第27頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月2、磁路的基本定理在進(jìn)行磁路的分析與計(jì)算時(shí)，除了上面提到的磁路的歐姆定律、安培環(huán)路定律和磁通連續(xù)性定率外，還要用到以下定理。①磁路的基爾霍夫第一定律對于圖中的節(jié)點(diǎn)a，在其周圍取一閉合面，根據(jù)磁通連續(xù)性定理，流入該閉合面的磁通的代數(shù)和恒等于零，即上式稱為磁路的基爾霍夫第一定律，是磁通連續(xù)性定理在等效磁路中的具體體現(xiàn)。圖1-7一相通電的三相變壓器及其等效磁路第28頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月②磁路的基爾霍夫第二定律圖1-8a)為一帶開口鐵心的電抗器，磁路中含有通電線圈、鐵心和氣隙。線圈匝數(shù)為N，流過的電流為i，取一條通過電抗器鐵心和氣隙中心線的閉合路徑，根據(jù)安培環(huán)路定律，

1-8(a)帶開口鐵心的電抗器H1和H

分別為鐵心和氣隙中的磁場強(qiáng)度，l1為鐵心部分的長度，

為氣隙長度。第29頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月鐵心和氣隙分別用等效磁阻Rm1和Rm2等效，F(xiàn)為激磁線圈的磁動(dòng)勢，F(xiàn)=Ni，則其等效磁路如圖1-8b)所示。整理上式，有

可以有幾個(gè)磁動(dòng)勢源同時(shí)作用在磁路上任何閉合磁路上的總磁動(dòng)勢等于組成該磁路的各磁阻上的磁壓降之和，稱為磁路的基爾霍夫第二定律，是安培環(huán)路定律在等效磁路中的具體體現(xiàn)。(b)等效磁路圖1-8帶開口鐵心的電抗器及其等效磁路第30頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月沿任何閉合磁路的總磁動(dòng)勢恒等于各段磁壓降的代數(shù)和。即：

電機(jī)和變壓器的磁路是由數(shù)段不同截面、不同材料的鐵心組成，而且還可能含有氣隙，在進(jìn)行磁路計(jì)算時(shí)總是將磁路分成若干段，每段為同一材料。且截面積和磁密處處相等，則磁場強(qiáng)度處處相等。由左圖可見，磁路由三段組成，兩段為截面積不同的鐵磁材料，一段為空氣隙。鐵心上的勵(lì)磁磁動(dòng)勢Ni為：該定律稱為磁路的基爾霍夫第二定律

分段原則：先根據(jù)材料不同分段、 再根據(jù)磁通和面積（或磁密或磁場強(qiáng)度）不同分段第31頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月【例1-1】有一鐵心，其尺寸見圖1-9，鐵心的厚度為0.1m，相對磁導(dǎo)率為2000，上面繞有1000匝的線圈，當(dāng)線圈內(nèi)通以0.8A的電流時(shí)，能產(chǎn)生多大磁通？解：用磁路的歐姆定律求解。取通過鐵心中心線的路徑為平均磁路。鐵心的上、下、左三邊寬度相同，可取為磁路1，右邊取為磁路2。磁路1的平均長度為l1=1.3m，截面積為A1=0.15

0.1=0.015m2

圖1-9鐵心第32頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月則磁路1的磁阻為磁路2的平均長度為l2=0.45m，截面積為A2=0.1

0.1=0.01m2，則磁路2的磁阻為磁路的總磁阻為

線圈的磁動(dòng)勢為則產(chǎn)生的磁通為第33頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月

為了在一定的勵(lì)磁磁動(dòng)勢作用下能激勵(lì)較強(qiáng)的磁場，從而使電機(jī)及變壓器等裝置的尺寸縮小，重量減輕，性能改善，必須增加磁路的磁導(dǎo)率μ（因?yàn)?B=μH=μF/l）,由于鐵磁物質(zhì)具有高導(dǎo)磁性能，工程上往往利用鐵磁物質(zhì)：1）相同磁動(dòng)勢下產(chǎn)生盡可能高的磁密；2）使盡可能多的磁通約束在有限的范圍內(nèi)。所以電機(jī)和變壓器的鐵心用導(dǎo)磁率較高的鐵磁材料組成。本節(jié)介紹鐵磁材料特性3鐵磁材料的特性第34頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1鐵磁物質(zhì)的磁化

(1)鐵磁物質(zhì)有幾種物質(zhì)，如鐵、鈷、鎳以及他們的合金，以及錳和鉻的某些合金，即使在較小的外磁場的作用下，其磁化也特別顯著。這類物質(zhì)稱為鐵磁物質(zhì)，他們的磁導(dǎo)率都很大，超過幾千。(2)鐵磁物質(zhì)的磁化

將鐵磁材料放入磁場后，磁場會(huì)顯著增強(qiáng)，鐵磁材料在磁場中呈現(xiàn)很強(qiáng)的磁性這一現(xiàn)象，稱為鐵磁物質(zhì)的磁化。原因：鐵磁物質(zhì)中有許多稱為磁疇的天然磁化區(qū)，當(dāng)未投入磁場時(shí)磁疇雜亂無章的排列，磁效應(yīng)相互抵消對外不顯磁性。當(dāng)放入磁場后，磁疇按外磁場方向排列起來，形成一附加磁場疊加在外磁場上。如圖1-6所示。缺點(diǎn)，B低，溫度穩(wěn)定性差金屬鐵、鈷、鎳，B高，缺點(diǎn)電阻率低，渦流損耗嚴(yán)重。鐵磁物質(zhì)非金屬鐵氧體電阻率高，渦流損耗小，抗銹防腐第35頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月3．2磁化曲線

鐵磁材料的磁狀態(tài)一般由磁化曲線B-H曲線表示起始磁化曲線可由實(shí)驗(yàn)得出。將一塊未磁化的鐵磁材料制成閉合鐵心，如下圖，其上繞有繞組，調(diào)節(jié)R使電流從零開始逐漸增大，則鐵心中穿過橫截面的磁通密度將隨之增大，測得對應(yīng)于不同的H值下的B值?？芍瘘c(diǎn)描繪出B-H曲線。該曲線即是起始磁化曲線，圖1-7所示。

(1)起始磁化曲線

曲線分為四段：oa段：開始磁化時(shí)，外磁場較弱B增加的不快ab段：隨外磁場增強(qiáng)，大量磁疇開始轉(zhuǎn)向，越來越多的趨向于外磁場的方向，B增加的很快bc段：隨H的繼續(xù)增加，可轉(zhuǎn)向的磁疇越來越少，B增加的越來越慢cd段：達(dá)到飽和后，基本上與非磁性材料的特性平行第36頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月注：對非鐵磁性材料，因

0為常數(shù)，所以B-H為線性。見上圖虛線。從上述的鐵磁材料B-H曲線可見不是線性，所以不是常值，它隨H的變化如上圖所示。

在電機(jī)和變壓器的設(shè)計(jì)中，為產(chǎn)生較大磁通，且又不過分增大勵(lì)磁磁勢，通常選磁密在b點(diǎn)附近。第37頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）磁滯回線

若對鐵磁材料進(jìn)行周期性的磁化，則B-H曲線如圖：

H：0Hm0-Hc（矯頑力）B：0BmBr（剩磁）0可見鐵磁材料在交變的磁場內(nèi)被磁化的過程中，磁化曲線是一條具有單方向性的閉合曲線，稱為磁滯回線。從磁滯回線上看，B的變化總是滯后于H的變化，這種現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象。磁性材料按矯頑力Hc的大小可分為軟磁材料和硬磁材料。

第38頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3鐵磁材料（3）基本磁化曲線

對同一鐵磁材料，選不同的Hm進(jìn)行反復(fù)磁化，可得大小不同的磁滯回路，將各磁滯回路頂點(diǎn)連接起來。可得到基本磁化曲線。軟磁材料：Br、Hc小，回線窄，磁導(dǎo)率高，用于制造變壓器和電機(jī)鐵心硬磁材料：Br、Hc高，回線寬，作為永磁材料永磁材料種類很多，書中列舉了幾種。其磁性能用Br、Hc和（BH）max最大磁能積三項(xiàng)指標(biāo)衡量。第39頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1-1450TW800冷軋硅鋼片的基本磁化曲線第40頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月軟磁材料：硅鐵合金：電工純鐵低碳鋼鎳鐵合金鐵鈷合金鐵鋁合金鐵硅鋁合金硬磁材料（永磁材料）：鋁鎳鈷鐵氧體稀土鈷釹鐵硼第41頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月軟磁材料種類很多，常用的有以下幾類：純鐵和低碳鋼含碳量低于0.04％，包括電磁純鐵、電解鐵等。其特點(diǎn)是飽和磁化強(qiáng)度高，價(jià)格低廉，加工性能好，但電阻率低，在交變磁場下渦流損耗大，只適于靜態(tài)磁場中使用。鐵硅合金含硅量為0.5％～4.8％，一般制成薄板使用，俗稱硅鋼片。在純鐵中加入硅后，可消除磁性材料的磁性能隨時(shí)間變化的現(xiàn)象。隨著含硅量的增加，脆性增強(qiáng)，飽和磁化強(qiáng)度下降，但電阻率和磁導(dǎo)率提高，矯頑力和渦流損耗減小。在交流領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，如制造電機(jī)、變壓器、繼電器、互感器等的鐵心。第42頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月軟磁鐵氧體軟磁鐵氧體為非金屬亞鐵磁性軟磁材料，其電阻率非常高(10-2～1010Ω.m)，但飽和磁化強(qiáng)度低，價(jià)格低廉，廣泛用于高頻電感和高頻變壓器。非晶態(tài)軟磁合金又稱非晶合金。其磁導(dǎo)率和電阻率高，矯頑力小，不存在由晶體結(jié)構(gòu)引起的磁晶各向異性，具有耐腐蝕和強(qiáng)度高等特點(diǎn)。此外，其居里溫度比晶態(tài)軟磁材料低得多，損耗大為降低，是一種正在開發(fā)利用的新型軟磁材料。第43頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3鐵心損耗

(1)磁滯損耗

當(dāng)鐵磁材料置于交變磁場時(shí)，被反復(fù)交變磁化，致使磁疇之間不停的摩擦，消耗能量，造成損耗，這種損耗稱為磁滯損耗。由交流電源與磁場之間的往返能量交換，進(jìn)一步加以說明磁滯損耗。

在固定鐵心上裝有一個(gè)線圈，從電源輸入電能為電壓u，電流為i，線圈匝數(shù)為N，電阻為R，則在dt時(shí)間內(nèi)電源輸入裝置的總能量為uidt消耗于電阻上的電能為Ri2dt鐵心線圈從交流電源吸收的瞬時(shí)功率p為：

第44頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月從t1到t2時(shí)間內(nèi)輸入磁路系統(tǒng)的能量：

若鐵心長度為l,截面積為A，則:V=lA

鐵心體積磁場儲(chǔ)能密度為：對線性磁路μ=常數(shù)第45頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月電流交變一個(gè)周期鐵心線圈能量密度的增量計(jì)算：磁密由-Br→Bm→Br→-Bm→-Br磁場強(qiáng)度由0→Hm→0→-Hm→01）B由-Br→Bm（H由0→Hm，i由0到imax）時(shí)線圈從電源輸入能量第46頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月2）Bm→Br時(shí)（H由Hm→0，i由imax→0）時(shí)能量從磁路系統(tǒng)釋放回電源第47頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月在電流的正半周鐵心線圈能量密度的增量大小為磁滯回線的面積鐵心線圈吸收電源的能量在電流的一個(gè)周期內(nèi)鐵心線圈的能量密度的增量大小為S1231鐵心線圈吸收電源的能量鐵心線圈吸收電源的能量全部轉(zhuǎn)化為鐵心的磁滯損耗第48頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月由于磁滯損耗是消耗于鐵心中的平均功率（T=1/f周期）能量最終以熱能的形式消散掉，由于這部分能量是由磁滯現(xiàn)象引起的。因而叫做磁滯損耗磁滯損耗與體積V、頻率f及磁滯回線面積成正比磁滯回線面積越小，磁滯損耗越小，電機(jī)和變壓器鐵心常用硅鋼片制成，因硅鋼片的磁滯回線小，屬于軟磁材料。Ch：磁滯損耗系數(shù)對電工鋼片n=1.6~2.3第49頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)渦流損耗

因鐵心是導(dǎo)電的，當(dāng)穿過鐵心的磁通隨時(shí)間變化時(shí)，鐵心中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，從而產(chǎn)生電流，這些環(huán)流在鐵心內(nèi)繞磁通做旋狀流動(dòng)成為渦流，渦流在鐵心中引起損耗稱為渦流損耗。第50頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月

由于渦流的存在，對鐵心磁滯回線產(chǎn)生影響。回線將由靜態(tài)變?yōu)閯?dòng)態(tài)形式右圖虛線所示：

在回路上升部分，鐵心中渦流阻止磁場的增加，為保持一定的磁通，激磁電流增加，以抵消渦流作用，所以磁滯回路上升部分向右擴(kuò)展，同理下降部分向左擴(kuò)展頻率越高，磁通密度越大，渦流損耗越大，反比于電阻率及路徑長度。

Ce：渦流損耗系數(shù)△：鋼片厚度鐵心損耗：可近似為：CFe：鐵心損耗系數(shù)G：鐵心重量第51頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月【例1-2】對于例1-1中的鐵心，若其磁化曲線如圖1-18所示(圖1-14的一部分)，若鐵心內(nèi)產(chǎn)生1.53

10-2Wb的磁通，所需電流多大？解：對于磁路1，流過

=1.53

10-2Wb的磁通時(shí)，磁密為:第52頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月查圖1-18所示的磁化曲線，得磁場強(qiáng)度為H1＝400A/m，該磁路上的磁壓為:F1=H1l1=400

1.3=520A對于磁路2，流過

=1.53

10-2Wb的磁通時(shí)，磁密為:查圖1-18所示的磁化曲線，得磁場強(qiáng)度為H2=2370A/m，該磁路上的磁壓為F2=H2l2=2370

0.45=1066.5A圖1-18磁化曲線第53頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月磁路所需磁動(dòng)勢為

F=F1＋F2=520+1066.5=1586.5A所以產(chǎn)生1.53

10-2Wb的磁通需勵(lì)磁電流為【例1-3】對于例1-2中的鐵心，若在右邊上有一氣隙，氣隙長度為0.5mm，如圖1-19所示。若鐵心內(nèi)產(chǎn)生1.53

10-2Wb的磁通，所需電流多大？圖1-19例1-3的鐵心第54頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月解：磁路分為三段，上、下、左三邊為磁路1，右邊(不包括空氣隙)為磁路2，空氣隙為磁路3。磁路1的計(jì)算同例1-2，磁壓為520A。磁路2的計(jì)算長度比例1-2中減少了0.5mm，其磁壓為

F2=H2l2=2370

(0.45-5

10-4)=1065.3A在磁路3中，由于其中的磁密存在邊緣效應(yīng)。磁路的寬度可認(rèn)為擴(kuò)大了2個(gè)氣隙長度，因此其截面積為A3=(0.1+2

5

10-4)

(0.1+2

5

10-4)=1.02

10-2m2磁密為:圖1-20磁場的邊緣效應(yīng)第55頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月磁壓為F3=H3l3=B3l3/

0=1.5

5

10-4/(4

10-7)=596.8A磁路所需的總磁動(dòng)勢為

F=F1＋F2＋F3=520+1065.3＋596.8=2182.1A所需勵(lì)磁電流為

只是開了0.5mm的空氣隙，產(chǎn)生相同的磁通需要的電流由1.59變化為2.18A。第56頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月4.電感和磁場儲(chǔ)能4.1電感在電機(jī)中，導(dǎo)體通常繞成線圈。當(dāng)線圈中流過電流時(shí)，將產(chǎn)生磁場。當(dāng)線圈所在磁路由磁導(dǎo)率恒定的材料制成或磁路的主要組成部分為空氣，即磁路不飽和時(shí)，電感定義為線圈中流過單位電流所產(chǎn)生的磁鏈。電感的單位為亨(H)，A、l分別為磁路截面積和磁路長度，N為線圈匝數(shù)。線圈的電感與匝數(shù)的平方、磁路的磁導(dǎo)成正比。第57頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月

(1)自感和互感圖1-21為繞有兩個(gè)線圈的磁路，線圈內(nèi)電流的方向使二者產(chǎn)生的磁通方向相同，則磁路上的總磁動(dòng)勢為圖1-21電感第58頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月為便于分析，認(rèn)為所產(chǎn)生的磁通全部在鐵心內(nèi)，則磁通為

線圈1交鏈的磁鏈為式中：為線圈1的自感；線圈1自身電流產(chǎn)生的磁鏈;為線圈1和線圈2之間的互感為線圈2中電流在線圈1中產(chǎn)生的磁鏈線圈2中的磁鏈可表示為：為線圈2的自感；為線圈1中電流在線圈2中產(chǎn)生的磁鏈線圈1自身電流產(chǎn)生的磁鏈;圖1-21電感第59頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月電動(dòng)勢的表達(dá)式在電機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中，定轉(zhuǎn)子之間的互感往往隨時(shí)間發(fā)生變化，此時(shí)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢應(yīng)包括上式中的兩項(xiàng)。當(dāng)電感不隨時(shí)間發(fā)生變化時(shí)，有(2)漏電感第60頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1-21電感上面的分析忽略了漏磁通。在圖1-21中，線圈1中的電流實(shí)際上產(chǎn)生的磁通

1分成兩部分，一部分是在鐵心內(nèi)同時(shí)交鏈線圈1和線圈2的磁通

，稱為主磁通；一部分是只交鏈線圈1的磁通

，稱為線圈1的漏磁通。第61頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月線圈1中的總磁通為

假設(shè)漏磁通經(jīng)過了線圈1的所有匝數(shù)，則對應(yīng)的磁鏈關(guān)系為

1和

分別為線圈所交鏈的總磁鏈和漏磁鏈。與漏磁鏈對應(yīng)的電感稱為漏電感，用L

表示4.2磁場儲(chǔ)能磁場是一種特殊形式的物質(zhì)，能夠儲(chǔ)存能量，這部分能量是在磁場建立過程中由外部電源輸入的能量轉(zhuǎn)化而來的，稱為磁場儲(chǔ)能或磁場能量。電機(jī)就是通過磁場儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的。圖1-21電感第62頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月圖示電感，線圈兩端的輸入功率為

dt時(shí)間內(nèi)輸入的能量為：

i2Rdt為繞組電阻消耗的能量，dW

=Nid

=id

=eidt為磁場儲(chǔ)能。若t=0時(shí)電流和磁鏈的初始值為0，則時(shí)間t時(shí)磁場儲(chǔ)存的能量為：第63頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月磁場儲(chǔ)能的另一種表達(dá)形式。如果繞組所交鏈的磁路長度為l，截面積為A，且磁密B在磁路上分布均勻，有：當(dāng)磁密為零時(shí)，沒有磁場儲(chǔ)能。當(dāng)磁密由零變化到B時(shí)，所存儲(chǔ)的磁場儲(chǔ)能為：

單位體積內(nèi)的磁場儲(chǔ)能就是磁場儲(chǔ)能密度，為：第64頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月若磁路不飽和，則磁場儲(chǔ)能密度為在磁密相同的前提下，由于空氣的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)低于鐵心的磁導(dǎo)率，空氣隙中的能量密度遠(yuǎn)高于鐵心中的能量密度，因此電機(jī)中的磁場儲(chǔ)能主要存儲(chǔ)在空氣隙中。磁場能量還可以表示為如下形式：

若磁路的

-i曲線如圖所示，則面積oabo就表示磁場能量。對于面積obco，可表示為：稱為磁共能。在一般情況下，磁場能量與磁共能不相等。若磁路的

-i曲線為直線，則磁場能量等于磁共能。圖1-22磁場能量與磁共能第65頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月5機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的基本原理5.1機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置的基本構(gòu)成與能量關(guān)系機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置都有載流導(dǎo)體和磁場，都有一個(gè)固定部分和一個(gè)可動(dòng)部分。當(dāng)可動(dòng)部分發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，裝置內(nèi)部的磁場儲(chǔ)能發(fā)生變化，并在輸入(或輸出)電能的電路系統(tǒng)發(fā)生一定反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電能和機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換。根據(jù)能量守恒定理，在機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置中，恒滿足以下能量關(guān)系：

對于機(jī)械能向電能轉(zhuǎn)換的裝置，電能和機(jī)械能為負(fù)；對于電能向機(jī)械能轉(zhuǎn)換的裝置，電能和機(jī)械能為正。第66頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月裝置內(nèi)部的能量損耗包括三部分：裝置內(nèi)部電路中流過電流而產(chǎn)生的電阻損耗、磁路系統(tǒng)產(chǎn)生的鐵耗和可動(dòng)部分運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械損耗。嚴(yán)格來講，機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置中電磁場的儲(chǔ)能，應(yīng)當(dāng)包括電場儲(chǔ)能和磁場儲(chǔ)能兩部分。由于我們研究的是低速、低頻系統(tǒng)，可以認(rèn)為電場和磁場相互獨(dú)立，通常的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置中大多用磁場作為耦合場，電磁場的儲(chǔ)能僅為磁場儲(chǔ)能。5.2單邊激磁系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)換右圖為一單邊激磁的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，由固定鐵心、可動(dòng)鐵心和一個(gè)繞組組成，固定鐵心和可動(dòng)鐵心之間的氣隙

是可變的。圖1-23單邊激磁的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置第67頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月由于繞組電感隨可動(dòng)部分的運(yùn)動(dòng)而發(fā)生變化，因此電路系統(tǒng)滿足

忽略鐵心的損耗，裝置的輸入功率為時(shí)間dt內(nèi)輸入裝置的能量為為電路系統(tǒng)的電阻損耗。得與磁場儲(chǔ)能對應(yīng)的磁場儲(chǔ)能增量為第68頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月為裝置產(chǎn)生的機(jī)械能。若該機(jī)械能對應(yīng)的是力F和位移dx

所產(chǎn)生的力為若機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，則產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為式中r為力臂，d

為位移dx所對應(yīng)的角度，用弧度表示。在單邊激磁系統(tǒng)中，若繞組電感隨位移的增大而增大，所產(chǎn)生的機(jī)械能為正，為電動(dòng)效應(yīng)；若繞組電感隨位移的增大而減小，機(jī)械能為負(fù)，從系統(tǒng)外吸收機(jī)械能，為發(fā)電效應(yīng)。第69頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月5.3雙邊激磁系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)換前述單邊激磁系統(tǒng)中，只有固定部分一側(cè)有激磁電流。若可動(dòng)部分上也有電流流過，則固定部分和可動(dòng)部分都有激磁電流，稱為雙邊激磁系統(tǒng)。通常電機(jī)的定轉(zhuǎn)子都有繞組，是典型的雙邊激磁系統(tǒng)。右圖一雙邊激磁系統(tǒng)，定轉(zhuǎn)子上各有