電磁學的基本知識與基本定律.ppt

1、第1章 電磁學的基本知識與基本定律,電機是實現(xiàn)電能與機械能轉(zhuǎn)換的裝置，這種轉(zhuǎn)換是通過電磁場來完成的，只有深入分析電機內(nèi)部的電磁過程，才能了解電機的各種特性。 電磁場的抽象性，增加了該課程的難度,第1章 預備知識-電磁學的基本知識與基本定律,本章內(nèi)容: 電磁學的基本知識與基本定律； 常用磁性材料（鐵磁材料與永磁材料）及其特性。,1.1 電路的基本定律,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 磁場的基本知識,通電導體周圍會產(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)強度)B 描述磁場的強弱。,圖1.1 磁力線與電流之間的右螺旋關(guān)系,

2、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：NS,電流與所產(chǎn)生的磁場方向用右手螺旋法則確定。,磁感應(yīng)強度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，若B與S垂直，則上式變?yōu)?磁感應(yīng)強度的通量。 即穿過某一截面積S的磁力線總量。 單位為：Wb，韋伯,若B與S不垂直，S的法線與B的夾角為，則上式變?yōu)?磁場強度 H,(1-2),介質(zhì)中某點的磁感應(yīng)強度B與介質(zhì)磁導率之比。,載流導體

3、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)強度B的大小會因為介質(zhì)的磁導率不同而有很大的不同！在磁路計算中，為了計算上的方便，還引入磁場強度H這一輔助物理量。,它表示在磁場中，若充滿不同的介質(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)；磁導率的單位: 亨/米(H/m),真空的磁導率 為一常數(shù),鐵磁材料的 磁導率不是常數(shù)，一般為,鑄鋼材料的相對磁導率為,矽鋼材料的相對磁導率為,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

4、由電動勢E產(chǎn)生的； 在磁路中，磁通是由磁動勢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， 磁生電,1.3 基本電磁定律,電生磁的基本定律安培環(huán)路定律 磁生電的基本定律法拉第電磁感應(yīng)定律 電磁力定律 磁路的歐姆定律,1.3.1 電生磁的基本定律安培環(huán)路定律,(1-3),若閉合磁力線上 H 處處相等,則上式變?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)空間有多根載流導體，流過的電流

5、分別為：,則沿任何閉合路徑l對磁場強度H的線積分，等于該閉合回路所包圍的電流的代數(shù)和。,電流的正負由右手螺旋定則確定。 對于例圖有：,把磁路分成若干段，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度與磁路長度乘積之和，即：,1.3.1 電生磁的基本定律安培環(huán)路定律,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，則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 磁生電的基本定律法拉第電磁感

6、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)生的磁場反抗原來磁通量的變化。,參考正方向：一般先選定的參考方向，再用右手螺旋定則確定e的參考方向。,分析：當d/dt0時,e產(chǎn)生的應(yīng)該與原來的方向相反（指向下），對應(yīng)的感應(yīng)電流由

7、X流向A，對應(yīng)e與參考方向相反，為負；當d/dt0時,e產(chǎn)生的應(yīng)該與原來的方向相同（指向上），所以e和d/dt總是有相反的符號。,1.3.2 磁生電的基本定律法拉第電磁感應(yīng)定律,當磁通按正弦規(guī)律變化時，即:,則式（1-4）變?yōu)?,若取,為參考相量，則：,(1-5),變壓器電勢：,(1-4),=2f,圖1.3 磁通(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、導體運動速度之間的右手定則,設(shè)磁場的磁感應(yīng)強度（磁密）為B，切割磁力線的導體長度為l，切割速度為v，三者之間互相垂直，則導線中感應(yīng)電勢大小為：,e的方向用右手定則確定。,速度（切割、電機）電勢：,(1-1

8、5),圖1.5 通電導體產(chǎn)生的電磁力與電流、磁場之間的左手定則,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)直導線l與磁感應(yīng)強度B的方向垂直，受力方向用左手定則確定。,電流所i經(jīng)過的路徑稱為電路，磁通所經(jīng)過的路徑稱為磁路。通常用高磁導率材料組成磁路，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。,定義為磁導，反映材料的導磁能力。,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)

9、的平方、磁導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)強度與磁場強度成正比，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,

10、圖1.13 鐵磁材料的磁滯回線,改變磁動勢F的大小和方向，使磁場強度H=F/L=Ni/L在-HmHm之間反復周期變化，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)強度； Hc：矯頑力（轉(zhuǎn)折磁場強度）。,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基本磁化曲線。,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

11、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 ,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 直流永磁電機磁路示意圖,圖1.16 永久磁鐵的去磁曲

12、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：電機空載時的空載線。僅磁路磁阻導致的PM去磁 ； OC：額定負載線。轉(zhuǎn)子電樞線圈有負載電流時，其安匝數(shù)(F)產(chǎn)生的磁場會導致去磁效應(yīng)加強，氣隙磁密降低。 OD：重載線。電機啟制動或故障情況時； DA:回復線。負載電流減為零時,電樞電流去磁效應(yīng)逐漸消除，磁場將沿回復線退回至A； 以后運行點將由負載線與回復線的交點共同決定。,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、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