電力拖動電機(jī)知識

第1章電磁學(xué)的根本知識

與根本定律電機(jī)是實現(xiàn)電能與機(jī)械能轉(zhuǎn)換的裝置，這種轉(zhuǎn)換是通過電磁場來完成的，只有深入分析電機(jī)內(nèi)部的電磁過程，才能了解電機(jī)的各種特性。電磁場的抽象性，增加了該課程的難度第1章預(yù)備知識

-----電磁學(xué)的根本知識與根本定律

本章內(nèi)容:電磁學(xué)的根本知識與根本定律；常用磁性材料〔鐵磁材料與永磁材料〕及其特性。1.1電路的根本定律基爾霍夫電流定律(KCL)：在電路節(jié)點上基爾霍夫電壓定律〔KVL〕：在閉合回路中1.2磁場的根本知識通電導(dǎo)體周圍會產(chǎn)生磁場，磁場是一個矢量。用磁通密度〔簡稱磁密〕或磁感應(yīng)強(qiáng)度)B描述磁場的強(qiáng)弱。圖1.1磁力線與電流之間的右螺旋關(guān)系B的單位為T，特[斯拉]為形象描繪磁場的空間分布情況，通常使用磁感應(yīng)線—磁力線。

用帶有方向的閉合曲線表示磁力線，曲線上任意點的切線方向表示磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向。通過該點垂直于B的單位面積的磁感應(yīng)線數(shù)目等于該點B的大小。磁力線方向：N→S電流與所產(chǎn)生的磁場方向用右手螺旋法那么確定。磁感應(yīng)強(qiáng)度B表示了單位面積上的磁通，故又被稱為磁通密度。磁通量(1-1)對于均勻磁場，假設(shè)B與S垂直，那么上式變?yōu)榇鸥袘?yīng)強(qiáng)度的通量。即穿過某一截面積S的磁力線總量。單位為：Wb，韋[伯]假設(shè)B與S不垂直，S的法線與B的夾角為α，那么上式變?yōu)榇艌鰪?qiáng)度H

(1-2)介質(zhì)中某點的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與介質(zhì)磁導(dǎo)率μ之比。載流導(dǎo)體會在周圍介質(zhì)中產(chǎn)生磁場形成磁路，同樣大小的電流在周圍介質(zhì)中所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小會因為介質(zhì)的磁導(dǎo)率不同而有很大的不同！在磁路計算中，為了計算上的方便，還引入磁場強(qiáng)度H這一輔助物理量。它表示在磁場中，假設(shè)充滿不同的介質(zhì)，不同質(zhì)點處的H是相同的，與介質(zhì)無關(guān)；但B會因為介質(zhì)的不同而不同。H的單位：安/米(A/m)；磁導(dǎo)率的單位:亨/米(H/m)真空的磁導(dǎo)率為一常數(shù)鐵磁材料的磁導(dǎo)率不是常數(shù)，一般為鑄鋼材料的相對磁導(dǎo)率為矽鋼材料的相對磁導(dǎo)率為在同樣大小的電流下，鐵心線圈的磁通比空心線圈的磁通大得多，這就是電機(jī)和變壓器通常都用鐵磁材料來制造的原因。磁動勢：磁鏈：在電路中，電流I是由電動勢E產(chǎn)生的；在磁路中，磁通Φ是由磁動勢F產(chǎn)生的。流過線圈電流i與線圈匝數(shù)N的乘積。磁阻：和電路中的電阻一樣，磁路中也定義磁阻Rm，它對磁通起阻礙作用其中l(wèi)為磁路平均長度，s為磁路截面積磁路的歐姆定律：表示N匝線圈所匝鏈的總磁通(單位：Wb韋伯)。電生磁，磁變生電1.3根本電磁定律電生磁的根本定律——安培環(huán)路定律〔磁動勢、磁壓降〕磁變生電的根本定律——法拉第電磁感應(yīng)定律電磁生力根本定律——電磁力定律磁路的歐姆定律1.3.1電生磁的根本定律——安培環(huán)路定律(1-3)假設(shè)閉合磁力線上H處處相等,那么上式變?yōu)?安培環(huán)路定律也稱全電流定律。是表示電流與所產(chǎn)生的磁場之間關(guān)系的定律。設(shè)空間有多根載流導(dǎo)體，流過的電流分別為：那么沿任何閉合路徑l對磁場強(qiáng)度H的線積分，等于該閉合回路所包圍的電流的代數(shù)和。電流的正負(fù)由右手螺旋定那么確定。對于例圖有：把磁路分成假設(shè)干段，幾何形狀相同的為一段。如此，H沿整個磁路的線積分就等于每段磁路磁場強(qiáng)度與磁路長度乘積之和，即：電生磁的根本定律—安培環(huán)路定律〔續(xù)〕稱為第k段磁路的磁壓降，F(xiàn)=NI為作用在整個磁路上的磁動勢(磁動勢的單位：安匝)。對于無分支磁路，由于各段磁路的磁通是相等的，那么全電流定理可以寫成：注意：在鐵磁材料構(gòu)成的磁路中，由于磁路有飽和非線性現(xiàn)象，Rm不為恒值。故磁路歐姆定律常用作定性分析，不用于定量計算。1.3.2磁變生電的根本定律—法拉第電磁感應(yīng)定律(1-4)圖1.2磁通與其感應(yīng)電勢的正方向假定電動機(jī)慣例設(shè)定的參考方向變壓器電勢：能在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢只有兩種情況：

一、繞組和磁場無相對位置運動，與繞組相交鏈的磁鏈發(fā)生變化而在繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢—變壓器電動勢；二、繞組和磁場間有相對位置運動，繞組中的導(dǎo)線切割磁場而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢—切割電動勢。大小與磁鏈的變化率成正比，方向由楞次定律確定：楞次定律：閉合線圈中感應(yīng)電流的方向總是使得它自己所產(chǎn)生的磁場對抗原來磁通量Φ的變化。參考正方向：一般先選定Ф的參考方向，再用右手螺旋定那么確定e的參考方向。分析：當(dāng)dФ/dt>0時,e產(chǎn)生的Ф應(yīng)該與原來的Φ方向相反〔指向下〕，對應(yīng)的感應(yīng)電流由X流向A，對應(yīng)e與參考方向相反，為負(fù)；當(dāng)dФ/dt<0時,e產(chǎn)生的Ф應(yīng)該與原來的Φ方向相同〔指向上〕，…，所以e和dФ/dt總是有相反的符號。磁變生電的根本定律—法拉第電磁感應(yīng)定律(續(xù))當(dāng)磁通按正弦規(guī)律變化時，即:那么式〔1-4〕變?yōu)?假設(shè)取為參考相量，那么：(1-5)變壓器電勢：(1-4)ω=2πf圖1.3磁通Φ(t)超前感應(yīng)電勢e(t)90?的相量圖(1-13)圖1.4感應(yīng)電勢與磁場、導(dǎo)體運動速度之間的右手定那么設(shè)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度〔磁密〕為B，切割磁力線的導(dǎo)體長度為l，切割速度為v，三者之間互相垂直，那么導(dǎo)線中感應(yīng)電勢大小為：e的方向用右手定那么確定。速度〔切割、電機(jī)〕電勢：(1-15)圖1.5通電導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁力與電流、磁場之間的左手定那么1.3.3電磁力定律1.3.4磁路的歐姆定律圖1.6變壓器的簡單磁路通電導(dǎo)體在磁場中受到磁場對它的作用力稱為電磁力。也稱安培力。設(shè)直導(dǎo)線l與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向垂直，受力方向用左手定那么確定。電流所經(jīng)過的路徑稱為電路，磁通Φ所經(jīng)過的路徑稱為磁路。通常用高磁導(dǎo)率材料組成磁路，通過磁路將磁通約束在特定的路徑中。對于均勻磁路：(1-15)其中，定義為磁路的磁阻。λ定義為磁導(dǎo)，反映材料的導(dǎo)磁能力。1.3.4磁路的歐姆定律由于式(1-15)與電路的歐姆定律相似,故又稱為磁路的歐姆定律。根據(jù)和式：電感與勵磁線圈匝數(shù)的平方、磁導(dǎo)率及鐵心截面積成正比，與磁路長度成反比。1.3.5線圈電感在有線圈的電路中，通常把單位電流所產(chǎn)生的磁鏈定義為線圈的電感L，單位為H，亨[利]。于是有：(1-15)(1-19)1.4常用磁性材料及其特性1.4.1鐵磁材料的磁化及磁滯回線圖1.10鐵磁材料的磁化圖1.11磁性材料的磁滯回線在非鐵磁材料中，磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度成正比，即：在鐵磁材料中，B與H是非線性關(guān)系，即B=f(H)是一條曲線，稱為磁化曲線。圖1.12鐵磁材料與非鐵磁材料的磁化曲線1.4.2磁化曲線與飽和現(xiàn)象圖1.12鐵磁材料與非鐵磁材料的磁化曲線1.4.3軟磁材料與硬磁材料圖1.13鐵磁材料的磁滯回線改變磁動勢F的大小和方向，使磁場強(qiáng)度H=F/l=Ni/l在-Hm~Hm之間反復(fù)周期變化，所得B=f(H)關(guān)系曲線，稱為鐵磁材料的磁滯回線。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。Br：稱為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度；Hc：矯頑力〔轉(zhuǎn)折磁場強(qiáng)度〕。同一鐵磁材料在不同的Hm下有不同的磁滯回線，把這些回線的頂點〔Bm〕連接起來就是該鐵磁材料的根本磁化曲線。軟磁材料：容易被磁化，但剩磁較??；如矽鋼片、鑄鋼、鑄鐵和鐵氧體等，常用作磁路材料硬磁材料：不容易被磁化，也不容易去磁；如銣鐵硼、鐵鈷釤等稀土永磁材料，制成永磁體1.4.4鐵磁材料中的鐵耗圖1.14鐵磁材料的渦流現(xiàn)象磁滯損耗:

(1-9)渦流損耗:(1-10)總鐵耗:反抗磁通Φ磁滯損耗：鐵磁材料在交變磁場作用下，內(nèi)部磁疇周期倒轉(zhuǎn)方向，磁疇間會相互摩擦發(fā)熱而耗能；磁滯回線面積越大(硬磁材料)，磁滯損耗越大。渦流損耗：通過鐵心的磁通發(fā)生交變時，由電磁感應(yīng)定理，在鐵心中將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流；鐵心體積磁滯損耗系數(shù)與材料有關(guān)的常數(shù)鐵磁材料厚度渦流損耗系數(shù)與材料電阻率鐵心重量鐵心損耗系數(shù)(1-22)Hysteresis材料電阻率↑，Ce↓1.4.5永久磁鐵的去磁曲線與各種永磁材料的特點圖1.15直流永磁電機(jī)磁路示意圖圖1.16永久磁鐵的去磁曲線永磁體PM為磁路提供磁勢F，大小不是固定的，與外磁路的狀況和永磁體的去磁曲線有關(guān)；特點：即使同一永磁體，當(dāng)外部條件〔或外磁路〕不同時，它所提供的H以及B也不盡相同。Br：永磁體初始最大磁密；OB’：電機(jī)空載時的空載線。僅磁路磁阻導(dǎo)致的PM去磁；OC’：額定負(fù)載線。轉(zhuǎn)子電樞線圈有負(fù)載電流時，其安匝數(shù)(F)產(chǎn)生的磁場會導(dǎo)致去磁效應(yīng)加強(qiáng)，氣隙磁密降低。OD’：重載線。電機(jī)啟制動或故障情況時；D’A:回復(fù)線。負(fù)載電流減為零時,電樞電流去磁效應(yīng)逐漸消除，磁場將沿回復(fù)線退回至A；以后運行點將由負(fù)載線與回復(fù)線的交點共同決定。圖1.17幾種常用永磁材料的去磁曲線(1)鋁鎳鈷合金：工作溫度高、熱穩(wěn)定性強(qiáng)、剩磁高等優(yōu)點；但矯頑力小，引起較高的永久性去磁。(2)鐵氧體材料：造價低，工作溫度高400°。但剩磁較低；(3)鈷-釤永磁材料，由鐵、鎳、鈷以及稀土釤等組成。剩磁高磁能積大，去磁曲線為直線，工作溫度為300°等優(yōu)點。但稀土稀缺，價高；(4)銣-鐵-硼：迄今磁密最高、剩磁最大永磁材料之一。矯頑力也大。缺點：工作溫度低150°，熱穩(wěn)定性比稀土永磁差，外表必須處理以防氧化。應(yīng)用呈上升趨勢。永磁材料工作點處的B與H的乘積定義為磁能積。用BH表示，單位J/m2思考與練習(xí)變壓器電勢、運動電勢〔速率電勢〕、自感電勢和互感電勢產(chǎn)生的原因有什么不同？其大小與那些因素有關(guān)？答：在線圈中，由于線圈交鏈的磁鏈〔線圈與磁勢相對靜止〕發(fā)生變化而產(chǎn)生的電勢就叫變壓器電勢。它與通過線圈的磁通的變化率成正比，與自身的匝數(shù)成正比。由于導(dǎo)體與磁場發(fā)生相對運動切割磁力線而產(chǎn)生的感應(yīng)電勢叫做運動電勢，它與切割磁力線的導(dǎo)體長度、磁強(qiáng)、切割速度有關(guān)。由線圈自身的磁場與本身相交鏈的磁通發(fā)生改變而在本線圈內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢叫自感電勢，它與L有關(guān)?；ジ须妱菔怯上噜従€圈中，由一個線圈引起的磁通變化，使鄰近線圈中的磁通發(fā)生變化而引起的其它線圈中的感應(yīng)電勢。它與兩線圈的匝數(shù)、相隔距離、磁通〔互感磁通〕變化率等有關(guān)。Ф/F＝/，從上式可以推出L與成正比，與磁阻成反比。又因兩線圈W相同，鐵的遠(yuǎn)小于木的，所以鐵質(zhì)上繞組的自感系數(shù)大，另一個小。因木質(zhì)是線性的，不變，鐵的思考與練習(xí)2.自感系數(shù)的大小與那些因素有關(guān)？有兩個匝數(shù)相等的線圈，一個繞在閉合鐵心上，一個繞在木質(zhì)材料上，哪一個的自感系數(shù)大？哪一個的自感系數(shù)是常數(shù)？哪一個是變數(shù)？隨什么因素變化？答：因為又因兩線圈N相同，鐵的遠(yuǎn)小于木的，所以鐵質(zhì)上繞組的自感系數(shù)大，另一個小。因木質(zhì)是線性的，不變，鐵的要變，所以木質(zhì)上繞組L為常數(shù)，鐵質(zhì)上繞組L為變數(shù)。鐵為變數(shù)是因為當(dāng)H改變時μ變化而引起的，所以根本因素是H改變了。思考與練習(xí)思考：1.3、1.7練習(xí)：1.3練習(xí)：1.3參考答案圖1.10的對稱磁路有三個繞組。繞組A和B的匝數(shù)均為N，繞在底部的兩個鐵心柱上，鐵心尺寸如下圖?！?〕畫出該磁路的類比等效電路圖；〔2〕求出每個繞組的自感；〔3〕求出三對繞組間的互感；〔4〕求出由繞組A和B中的時變電流iA(t)和iB(t)在繞組1中所感應(yīng)的電壓。說明這一結(jié)構(gòu)可用于測量兩個同頻率正弦交流不平衡的工作原理。解：〔1〕對于圖1.10所示磁路，繪出其類比等效電路如圖1.11所示。(2)圖1.11中，考慮到各段磁路的磁阻分別為關(guān)于求分支磁路i、j、k…個線圈電感的參考公式：從第k線圈兩端看進(jìn)去的等效磁阻。從第k(k≠i≠i)線圈兩端看進(jìn)去的等效磁阻。練習(xí)：1.3參考答案解：于是：從第k線圈兩端看進(jìn)去的等效磁阻。從第k(k≠i≠i)線圈兩端看進(jìn)去的等效磁阻。電感無正負(fù)，但有同相反相之分。假設(shè)A對1是同，那么B對1是逆。練習(xí)：1.3參考答案解:〔4〕由繞組A和B中的時變電流iA(t)和iB(t)在繞組1中所感應(yīng)的電壓為：由上式可見，對于同頻率的兩個正弦交流iA(t)和iB(t)，假設(shè)兩者不平衡，即iA(t)≠iB(t)，那么繞組N1中感應(yīng)不為零的電壓。這樣,通過測量繞組N1中感應(yīng)電壓的有無，便可以確定繞組A和B是否不平衡。注意：原參考答案有誤，因為求得的電感，其物理量綱就不是亨利H；九九電影網(wǎng)九九電影網(wǎng)://youhuijuan.co/淘寶優(yōu)惠券網(wǎng)avtt2023v天堂網(wǎng)2023avtt2023v1天堂網(wǎng)2023avtt2023v2天堂網(wǎng)2023