2电机学概述和磁路简介

电机学“十一五”国家级规划教材主编：阎治安学时：64学分：4周课时：42电机学概述和磁路简介0.1电机学概述0.2电机学理论基础--磁路的基本定律0.1电机学概述一、电机的定义电机是以电磁感应理论为原理，来实现能量转换或信号传递的电气设备或机电元件。二、为什么要学《电机学》课程？1.电机在国民经济中的广泛应用电力系统、工厂、交通运输、农村、国防、石油勘探、文教医疗、家用电器...2.本课程与其他课程的紧密联系对于电力系统自动化专业的技术人员，必然要从事电力系统稳定性的研究，则首先要了解各电气设备的特性；对于从事电气工程自动化专业的技术人员，要搞清楚所控制的对象及其各类电动机的特性，才能搞好自动控制的问题。三、《电机学》课程的内容和类型1.内容•电机的原理、结构、特性和应用；•直流电机、变压器、异步电机和同步电机。2.电机类型电机发电机电动机变压器按能量转换角度按结构特点及电源种类分电机静止----旋转电机交流电机直流电机同步电机异步电机变压器（1）发电机的用途火电厂：将燃料燃烧的热能转换为电能。水电厂：将水流的势能转换为电能。核电厂：将原子核裂变的原子能转换为电能。风电厂：将风能转换为电能。用于发电厂用于独立系统中的发电机发电机图片发电机图片葛洲坝170MW水轮发电机组（2）变压器的用途主要用于各级变电站中。改变交流电能的电压，实现交流电能的经济输送和合理分配。简单的电力系统示意图变压器图片(3)电动机的用途作为原动机，拖动各种机械设备。据统计，我国电动机的耗电量约占发电量的60%。工业农业交通运输业航天、航空、航海行业国防、文化教育、医疗卫生、IT等行业日常生活电动机的用途工业机床、机器人、轧钢机、纺织机、造纸机、风机、水泵、压缩机、吊车、卷扬机、传送带等。农业电力排灌设备、脱粒机、碾米机、榨油机、粉碎机等。交通运输业电气机车、磁悬浮列车、城市轨道列车、无轨电车、电动汽车等。电动机的用途航空和航海业有特殊要求的航空电机、船用电机和推进电机等。日常生活电风扇、洗衣机、吸尘器、空调、电冰箱、微波炉、DVD播放机、电动按摩器、电动工具等。电动机图片船用电机应用于洗衣机电动机图片用于榨汁机、搅拌机、切肉机及其它小家电等管状电机,用于遥控车库门开门器,遥控车库门,遥控卷帘门等用于CD、立体声耳机、DVD唱机四、电机学课程性质和学习方法1.课程地位是电气工程及其自动化专业的重要专业基础课，是后续相关专业课程（电机控制、电力系统分析、高电压技术、继电保护）的理论基础。主干课程之间的关系高等数学大学物理电路原理电机学基础理论专业知识桥梁电机测控电机设计电气传动电力系统高压技术建筑电气2.课程学习要点电机学以变压器和旋转电机的基本概念、基本电磁关系、基本分析方法、运行特性等内容为核心。将“场”的问题转换成“路”的问题：方程式中含有：电势平衡、转矩平衡、功率平衡、磁势平衡方程式；电磁场电路磁路归算后等效为电路等效电路相量图方程式转换为3.学习方法：本课程的特点是理论性、实践性和综合性强，学习时要：认真听课精读教材熟练掌握基本电磁规律掌握各物理量及其参数之间的关系物理意义、适用范围、主要因素、公式习题和实验是学好电机学的重要保证0.2电机学理论基础--磁路的基本定律1磁路的基本定律2常用的铁磁材料及其特性1磁路的基本定律一、磁场的基本概念1.磁感应强度和磁力线磁场由电流产生。产生磁场的电流——励磁电流。磁感应强度B用于表征磁场的强弱和方向。单位：T磁场中各点的磁感应强度可以用磁力线的疏密程度来表示。BII磁力线的分布和方向：磁力线的特性：①磁力线的回转方向和电流方向之间的关系遵守右手螺旋法则。②磁力线总是闭合的，既无起点，也无终点。③磁场中的磁力线不会相交。IIIB2.磁通量和磁通连续性定律在均匀磁场中：磁通(韦伯Wb)：穿过某一截面A的磁感应强度B的通量。=ABdA=BABA3.磁场强度和磁导率磁场强度H(A/m)：表征磁场的强弱和方向的量。H与B的关系与区别(在各向同性介质中)B=H①磁导率(H/m)：表征磁场中介质的导磁能力。对各向同性介质为标量；线性介质为常数。真空的磁导率：0=4×10－7H/m②H∝I，H与介质的性质无关。③B与I的大小和介质的性质均有关。二、磁路及其基本定律1.磁路的概念磁路：磁通所通过的路径。电路：电流所通过的路径。对偶电阻电动势电流磁阻磁动势磁通2＋u1－1主磁通漏磁通磁路i1励磁绕组SNSN变压器磁路四极直流电机磁路＋u2－i2两种常见的磁路2.安培环路定律（全电流定律）如图：∑i=i1＋i2－i3Hdl=∑i∮l在磁场中，沿着任何一条闭合回路l，磁场强度H的线积分，等于该闭合回路所包围电流的代数和,即l1i2i3i4iHdl注：若i与l符合右手螺旋关系，取正号，否则取负。其中大拇指所指为i的方向，四指为l方向。=NiNi无分支磁路lA3.磁路的欧姆定律Hdl=Hl∮lB=AH=BA==Nil/AFRm=描述磁动势与磁通之间关系的磁路欧姆定律，即作用于磁路上的磁动势等于磁阻乘以磁通。FΦRmRm=(A/Wb)lA磁动势：F=Ni——为作用在磁路上的安匝数。磁阻：FRm=磁路欧姆定律只能用于定性分析磁路因为不是常数，故Rm非线性。k=1nRm=Rmk串联磁路的总磁阻为【例0-1】有一闭合铁心磁路，铁心的截面积A=9*10-4m2，磁路的平均长度l=0.3m，铁心的磁导率Fe=50000(0为真空的磁导率，0=4π*10-7H/m），套装在铁心上的励磁绕组为500匝，不计漏磁。试求在铁心中产生1T的磁通密度时，所需的励磁磁动势和励磁电流。F=Hl=NiBHNFimA/159104500017A4.473.0159A21054.95007.47闭合面A显然有：-1＋2＋3=0任一闭合面：=04.磁路的基尔霍夫第一定律图1-4磁路的基尔霍夫第一定律A123iN文字描述：穿出(或进入)任一闭合面的总磁通量恒等于零(或者说，进入任一闭合面的磁通量恒等于穿出该闭合面的磁通量)Φ3Rm3Φ2Φ1Rm1Rm2F5.磁路的基尔霍夫第二定律图1-5磁路的基尔霍夫第二定律iN1l2l1A2A2H1H磁路由铁磁材料及空气隙两部分组成，而铁磁材料这部分的截面积又分为A1，A2，故整个磁路应分为三段。根据安培环路定律及磁路欧姆定律，可得：磁压降文字描述：沿任何闭合磁路的总磁动势恒等于各段磁路磁压降的代数和。mmmRRRHlHlHHlNi22112211第k段磁路的磁压降为BkkHklk=lk=lkkkAkRmk=(A/Wb)lkkAk第k段磁路的磁阻为沿任何闭合磁路磁动势的代数和等于磁压降的代数和。F=Hklk=RmkkFΦ1Rm1Rm2Φ2RmδΦδ磁路和电路的比较电路磁路基本物理量及表达式单位基本物理量及表达式单位电流：IA磁通：ΦWb电动势：EV磁动势：F=NIA电压降：UV磁压降：ΦRm=HlA电阻：R=ρl/AΩ磁阻：Rm=l/μAH-1电导：G=1/RS磁导：Λm=1/RmH欧姆定律：E=IR欧姆定律：F=ΦRm基尔霍夫第一定律：ΣI=0基尔霍夫第一定律：ΣΦ=0基尔霍夫第二定律：ΣE=ΣU基尔霍夫第二定律：ΣF=ΣΦRm=ΣHl5.铁心磁路计算（1）串联磁路计算将磁路分段，保证每段磁路的均匀性计算每段磁路的截面积和等效长度根据给定磁通，确定每段磁路磁密由磁密确定每段磁路的磁场强度计算每段磁路的磁压降由基尔霍夫第二定律计算磁动势iNl1A1H1l2A2H2l3A3H3l4A4H4l5A5H5H【例0-2】图示的磁路由电工钢片叠压而成，铁心的叠压系数为kFe=0.94，各段铁心的截面积均为A=0.8×10-3m2，长度分别为l1=0.08m，l2=0.1m，l3=0.037m，l4=0.037m，l5=0.1m，气隙长度=0.006m，已知铁心的磁导率为空气磁导率的1900倍，励磁绕组的匝数N=2000，如要在铁心中产生10-3Wb的磁通，求需要多大的励磁电流。解：铁心的净面积为Ak=kFeA=0.94×0.8×10-3m2=0.752×10-3m2铁心中的平均磁通密度为33k110T1.33T0.75210BA铁心部分的磁场强度为7Fe1.33A/m=560A/m19004π10BH铁心部分的磁压降为5151kkkkklHlHA198A)1.0037.0037.01.008.0(560不考虑边缘效应，则气隙中磁通密度与铁心中相等，故气隙中磁场强度为-35δ700110A/m=9.94710A/m4π100.8BHA气隙磁压降为该磁路所需的总磁动势为励磁电流为5δ9.947100.006A=5968.2AH6166.2A3.083A2000FiN※尽管1.5%l，但H=96.8%Hl。磁路中气隙的影响①当F一定时，气隙的存在使大幅减小。②若要保持一定，则需增大磁动势F。A2.6166A2.5968198δ51HlHFkkk边缘效应增大了气隙的有效面积。气隙铁心铁心边缘磁通边缘磁通若气隙长度为δ，铁心的截面积为a*b,当δ比a和b小很多时，气隙的有效面积Aδ（有效）将近似等于Aδ（有效）≈(a+δ)(b+δ)三、电磁感应定律＋u－ie正方向（参考方向）e=－=－Nddtddt磁通链=N。设=msint则e=－Nmcost=Emsin(t－90o)E=4.44fNmE=－j4.44fNm1.变压器电动势2.运动电动势e=Bvl需互相垂直右手定则l：导体在磁场中的长度，m；v：导体与磁场之间的运动速度，m/s；e：单位为V。三者之间互相垂直，电动势的方向用右手定则确定。O'i四、电磁力定律与电磁转矩左手定则f=Bli1.电磁力2.电磁转矩ffrTe=2Blir需互相垂直（单位：N）（单位：Nm）2常用的铁磁材料及其特性材料（介质）按磁导率分类：非铁磁（非磁性）材料、铁磁（磁性）材料。非铁磁材料（如空气、铜、铝和绝缘材料等）：≈0=4×10－7H/m①顺磁材料（如空气）：略大于0。②反磁材料（如铜）：略小于0。1.高导磁性(具增磁作用）0一、铁磁材料的重要性质铁磁材料高导磁性的微观机理磁畴（磁化前）磁畴（磁化后）铁磁材料被磁化铁磁材料在外磁场中呈现很强的磁性这一现象。因其内部存在着很多很小的“磁畴”。由此产生的附加磁场比同一H在非铁磁材料中所激励的磁场要强得多。2.磁饱和性B=H（≠常数）膝点铁磁材料的磁化曲线不是一条直线，会随铁磁材料内磁密B的变化而变化，当磁密达到b点后，铁磁材料内磁密B呈现饱和想象，也就是说，此时磁场强度H继续增加，铁磁材料的磁导率会迅速变小，磁密B增加会越来越慢。/FeBHFeHBH0()BfH0BH()FefHbca初始磁化曲线3.磁滞性BHOHmBm剩磁－Hm矫顽力Br－Hc－BmHc－Br磁滞回线基本磁化曲线磁密变化落后于磁场强度变化，通常在电机内也可理解为磁通落后于激磁电流的现象，称为磁滞现象。BH0BH4.铁心损耗(1)磁滞损耗Ph铁磁材料置于交变磁场中时，磁畴相互间不停地摩擦而消耗能量、造成损耗，这种损耗称为磁滞损耗。(2)涡流损耗Pe铁心内的交变磁通将感应电势，进而在铁心内引起环流。这些环流通作涡流状流动，称为涡流。涡流引起的损耗，称为涡流损耗。铁心损耗＝磁滞损耗＋涡流损耗常见材料的基本磁化曲线B/T×102H/(A/m)