第01章-电与磁

船舶电气设备与系统课件2020/5/21轮机工程学院船电系第一章电与磁概述电工设备中发生的物理过程通常同时包含“电”和“磁”这两个紧密相连的现象，即电生磁，磁生电。例如在电路原理课程中讨论交流电路时所考虑的感应电动势，就是线圈中所链磁通随时间变化而引起的；不过当时我们用一个线性的电路参数“电感”来表达这个作用，仅从电路概念加以分析。本章重点阐述磁场基本概念和基本物理量，分析磁性材料的磁性能和磁路计算的基本定律。船舶电气设备与系统课件2020/5/21轮机工程学院船电系第一章电与磁本章主要讲解内容第一节磁场的基本概念和基本物理量第二节铁磁材料的磁性能第三节磁路的基本概念第四节电磁感应船舶电气设备与系统课件2020/5/21轮机工程学院船电系第一节磁场的基本概念和基本物理量一、磁场的基本概念1．磁场与磁力线（1）磁场:当小磁针靠近永久磁铁时会发生偏转现象，这表明在永久磁铁的周围有一种物质存在，这一物质称为磁场。（2）磁力线:磁场的分布情况用闭合磁力线来描述。在磁铁的外部，磁力线从N极出发，经外部空间进入S极；再由S极经磁铁内部回到N极而组成闭合回线，即磁力线是闭合的。返回本章船舶电气设备与系统课件2020/5/21轮机工程学院船电系图1-1条形磁铁的磁场返回（3）磁场方向l1曲线上a点的磁场方向即为a点切线l2的方向，（4）磁场强弱磁力线的疏密反映了磁场各处磁性的强弱程度；靠近磁铁两端的磁力线密，磁场就强，远离磁铁两端的磁力线疏，磁场就弱。船舶电气设备与系统课件2020/5/21轮机工程学院船电系返回2．电流的磁效应除了永久磁铁周围存在磁场外，当小磁针靠近通电导线(或通电导线绕成的螺旋管线圈)，小磁针会发生偏转，这说明通电导线的周围和磁铁一样也存在着磁场，这种现象，称为电流的磁效应。磁场是由电流产生的，磁场的强弱及方向由通过导线的电流决定。船舶电气设备与系统课件2020/5/21轮机工程学院船电系（a）通电直导体（b）通电螺线管线圈图1-2磁场与电流的方向返回2．电流的磁效应磁场方向的确定：（a）右手握住直导体，拇指指向电流方向，则弯曲的四指的指向即为磁场方向。（b）右手握住线圈，弯曲的四指指向电流方向，则拇指的指向即为螺旋管内部的磁场方向。船舶电气设备与系统课件2020/5/21轮机工程学院船电系二、磁场的基本物理量1．磁感应强度B磁感应强度B是表示磁场空间某点的磁场强弱和方向的物理量，是矢量。其定义式为:)(Bvqfq-电荷所带电量，单位是库伦（C）B-磁感应强度，单位是特斯拉（Tesla）V-电荷运动速度，单位是米/秒（m/s）f-电磁力，单位是牛顿（N）船舶电气设备与系统课件2020/5/21轮机工程学院船电系均匀磁场：如果磁场内各点磁感应强度的大小和方向均同，则称其为均匀磁场。均匀磁场可用疏密均匀、方向相同的磁力线来表示（本书若没有特别说明，都指均匀磁场）。在均匀磁场中IlfBI–通人导体的电流单位是安培(A)f-电磁力，单位是牛顿（N）l-导体长度，单位是米(m)船舶电气设备与系统课件2020/5/21轮机工程学院船电系2．磁通定义：磁通的定义是磁感应强度（假设磁场为均匀磁场）与垂直于磁场方向的面积的乘积定义式：B单位：特斯拉（Tesla）φ单位：韦伯（Wb）dsB船舶电气设备与系统课件2020/5/21轮机工程学院船电系3．磁场强度磁场强度是计算磁场所用的物理量，其大小为磁感应强度和导磁率之比。BHB单位：特斯拉单位：安/米单位：亨/米IN为电流与线圈匝数的乘积，称为磁动势，用字F表示F=NI(磁势单位为A)船舶电气设备与系统课件2020/5/21轮机工程学院船电系4．磁导率（导磁系数）和相对磁导率（1）磁导率定义：表征各种材料导磁能力的物理量。定义式：μ=B/H(H/m)（2）相对磁导率定义：一般材料的磁导率和真空中的磁导率之比，称为这种材料的相对磁导率。定义式：μr=μ/μ0船舶电气设备与系统课件2020/5/21轮机工程学院船电系第二节铁磁材料的磁性能为了在一定的的磁势作用下能激励较强的磁场，以使电机和变压器等电器设备尺寸缩小、重量减轻、性能改善，必须增加磁路的磁导率。所以电机和变压器的铁心常用磁导率较高的铁磁材料制成，下面对常用的铁磁材料及其性质作简要说明。说明船舶电气设备与系统课件2020/5/21轮机工程学院船电系1.高导磁性（a）(b)图1-3磁性材料的磁化思考：磁畴、磁化船舶电气设备与系统课件2020/5/21轮机工程学院船电系2.磁饱和性H0bca0Bμ图1-4磁化曲线图1-5与H的关系非饱和段：oa、ab段半饱和段：bc段饱和段：c点以后图1-4船舶电气设备与系统课件2020/5/21轮机工程学院船电系3.磁滞性如果励磁线圈中通入交变励磁电流,对铁心进行反复磁化，磁感应强度的变化总是滞后于磁场强度的变化,这种现象称为磁滞现象.为消除剩磁所加的反向磁场强度值Hc称为矫顽力。HHc013456Br2图1-6磁滞回线船舶电气设备与系统课件2020/5/21轮机工程学院船电系由实验可知，铁磁材料不同，其磁滞回线和磁化曲线也不同。图1-7中示出了几种铁磁材料的磁化曲线。按磁性物质的磁性能，磁性材料可以分成三种类型：软磁材料、永磁材料、矩磁材料。铁磁材料的类型船舶电气设备与系统课件2020/5/21轮机工程学院船电系⑴软磁材料具有较小的矫顽磁力，磁滞回线较窄。一般用来制造电机、电器及变压器等的铁心。常用的有铸铁、硅钢、坡莫合金及铁氧体等。铁氧体在电子技术中应用也很广泛，例如可做计算机的磁心，磁鼓以及录音机的磁带、磁头。船舶电气设备与系统课件2020/5/21轮机工程学院船电系⑵永磁材料具有较大的矫顽磁力，磁滞回线较宽。一般用来制造永久磁铁。常用的有碳钢、钴钢及铁镍铝钴合金等。⑶矩磁材料具有较小的矫顽力和较大的剩磁，磁滞回线接近矩形，稳定性良好。在计算机系统中可用作记忆元件、开关元件和逻辑元件。常用的有镁锰铁氧体及1J51型铁镍合金等。船舶电气设备与系统课件2020/5/21轮机工程学院船电系铁磁物质的磁性是与磁畴结构分不开的。当铁磁物质受到强烈的振动，或在高温下由于剧烈热运动影响，磁畴取向性容易混乱。这时与磁畴联系的一系列铁磁物质（如高导磁率、磁滞等），就会全部消失。因此，管理人员在维修和安装电机时，都应注意。注意啦！！！船舶电气设备与系统课件2020/5/21轮机工程学院船电系第三节磁路的基本概念磁通的路径称为磁路。一、磁路在工程上，为了得到较强的磁场，广泛利用了铁磁物。在电机、变压器、继电器、仪表等电器设备中应用铁磁物质制成一定的形状，即人为地造成磁通的路径，磁通主要在这部分空间内闭合，其周围则因导磁系数小得多而磁通极少。船舶电气设备与系统课件2020/5/21轮机工程学院船电系图1-8（a）是永磁式（磁电式）仪表的磁路，图1-8（b）为电磁继电器的磁路，图1-8（c）为单相铁心式变压器的磁路，图1-8（d）为四极转枢式电机的磁路；I2I1铁心空气隙永久磁铁I衔铁铁心磁轭I电枢铁I(a)(b)(c)(d)图1-8几种常见磁路几种常见的磁路船舶电气设备与系统课件2020/5/21轮机工程学院船电系磁路中的导磁材料的导磁系数一般不过比非磁性材料的导磁系数大几千倍。二、磁路的基本定律与磁路的特点磁路概念的建立，是基于铁磁物质的导磁系数大大地超过了非铁磁物质的导磁系数。在电路中，导电材料的导电系数一般比电路周围绝缘材料的导电系数大几千万倍以上，船舶电气设备与系统课件2020/5/21轮机工程学院船电系因此，在磁路中漏磁现象比电路中漏电的现象大为显著。把按照我们安排的路径而闭合的磁通称为主磁通，而把不按照这种路径闭合的磁通称为漏磁通。船舶电气设备与系统课件2020/5/21轮机工程学院船电系图1-9IIm(a)(b)（a）（b）图1-9磁路中的磁场分布船舶电气设备与系统课件2020/5/21轮机工程学院船电系图1-10有分支磁路的分配磁路定律磁路定律由描述磁场性质的磁通连续性原理和安培环路定律导来的。船舶电气设备与系统课件2020/5/21轮机工程学院船电系*1安培环路定律沿任何一条闭合回线L，磁场强度H的线积分等于该闭合回线所包围的电流的代数和如果在均匀磁场中，沿着回线L磁场强度H处处相等，则NiHLLilHd船舶电气设备与系统课件2020/5/21轮机工程学院船电系*2磁路欧姆定律作用在磁路上的磁动势F等于磁路内的磁通量Φ乘以磁阻Rm船舶电气设备与系统课件2020/5/21轮机工程学院船电系磁通量Φ等于磁通密度乘以面积BSSBd磁场强度等于磁通密度除以磁导率/BH船舶电气设备与系统课件2020/5/21轮机工程学院船电系于是)/(/SllBHlNimRFSlIN∴磁动势F=IN磁阻SlRm船舶电气设备与系统课件2020/5/21轮机工程学院船电系[例1]有一闭合铁心磁路，铁心的截面积S=9×10-4m2，磁路的平均长度l=0.3m，铁心的磁导μFe=5000μ0，套装在铁心上的励磁绕组为500匝。试求在铁心中产生1T的磁通密度时，需要多少励磁磁动势和励磁电流？船舶电气设备与系统课件2020/5/21轮机工程学院船电系解用安培环路定律求解如下A/m159A/m10π4500001/7FeBHA7.47A3.0159HlFA1054.9A5007.47/2NFi船舶电气设备与系统课件2020/5/21轮机工程学院船电系*3磁路的基尔霍夫第一定律在磁路的分支处所连接着的各个铁梗中磁通的代数和应恒等于零。0*4磁路的基尔霍夫第二定律磁路中沿任意闭合回路磁压的代数和等于沿该回路磁势的代数和。NIHl船舶电气设备与系统课件2020/5/21轮机工程学院船电系综上所述，磁路和电路有很多相似之处。与电路一样，计算磁路也是以磁路的基尔霍夫两条定律相似的定律为基础的。磁路的磁通、磁势、磁压、磁阻等量与电路中的电流、电动势、电压、电阻等量一一对应。而且，磁路的欧姆定律对应于电路的欧姆定律。对比思考船舶电气设备与系统课件2020/5/21轮机工程学院船电系另外必须指出，磁路和电路有一个本质的差别，即磁通并不像电流一样代表某种质点的运动。恒定磁通通过某磁阻并不像恒定电流通过电阻时那样具有能量形式的转换，会使电阻发热。对比思考船舶电气设备与系统课件2020/5/21轮机工程学院船电系磁路和电路有相似之处，却要注意有以下几点差别：1）电路中有电流I时，就有功率损耗；而在直流磁路中，维持一定磁通量，铁心中没有功率损耗。2）电路中的电流全部在导线中流动；而在磁路中，总有一部分漏磁通。总结：船舶电气设备与系统课件2020/5/21轮机工程学院船电系3）电路中导体的电阻率在一定的温度下是恒定的；而磁路中铁心的导磁率随着饱和程度而有所变化。4）对于线性电路，计算时可以用叠加原理；而在磁路中，B和H之间的关系为非线性，因此计算时不可以用叠加原理。船舶电气设备与系统课件2020/5/21轮机工程学院船电系三、恒定磁通无分支磁路的计算磁路的计算可以分为两类：（1）已知磁通求磁势；（2）已知磁势求磁通。在此我们仅讨论已知磁通求磁势，并且仅讨论无分支磁路。船舶电气设备与系统课件2020/5/21轮机工程学院船电系无分支磁路中已知磁通求磁势，可以按照下列步骤进行：1.按照材料和截面的不同进行分段；2.作出中心线，按照所给尺寸计算出磁路各段的截面S1、S2…和长度l1、l2…；3.按已知的磁通计算各个段落的磁感应强度：,,2211SBSBΦΦ船舶电气设备与系统课件2020/5/21轮机工程学院船电系4.从各材料的B-H曲线（基本磁化曲线）上按已算出的磁感应强度B1、B2……找出与它们相对应的磁场强度H1、H2……5.按照磁路的基尔霍夫第二定律求出所需要的磁势：......2211lHlHHlNI船舶电气设备与系统课件2020/5/21轮机工程学院船电系当所给磁路中有空气隙时，则可应用空气的导磁率μ0=4