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1、电机中的电磁学基本知识1第1页，本讲稿共63页1.0 1.0 电机与拖动电机与拖动的基本知识的基本知识 1.0.1 1.0.1 电机与拖动的基本含义电机与拖动的基本含义 1.1.电机的定义电机的定义 电机是以电磁感应理论为原理，实现能量转换或信电机是以电磁感应理论为原理，实现能量转换或信号变换电气设备。号变换电气设备。比如交流电机、直流电机等旋转电机实现机电能量比如交流电机、直流电机等旋转电机实现机电能量变换。变压器实现电能变换。变换。变压器实现电能变换。再比如，电压传感器，隔离变压器等实现信号变换。再比如，电压传感器，隔离变压器等实现信号变换。用于控制系统中的各种控制电机进行的信号变换等等。
2、用于控制系统中的各种控制电机进行的信号变换等等。2第2页，本讲稿共63页1.0 1.0 电机与拖动电机与拖动的基本知识的基本知识 1.0.1 1.0.1 电机与拖动的基本含义电机与拖动的基本含义 2.2.电机拖动的定义电机拖动的定义 以电机为原动机拖动各种运动型负载的控以电机为原动机拖动各种运动型负载的控制系统称为电力拖动系统。制系统称为电力拖动系统。如电力机车、轨道交通车辆、起重设备、如电力机车、轨道交通车辆、起重设备、现代船舶驱动、机床控制、家用电气中的现代船舶驱动、机床控制、家用电气中的洗衣机、电冰箱等。洗衣机、电冰箱等。3第3页，本讲稿共63页1.0 1.0 电机与拖动电机与拖动的基本
3、知识的基本知识 1.0.2 1.0.2 为什么要学电机与拖动为什么要学电机与拖动 1.1.应用广泛应用广泛 电机与拖动广泛应用与交通运输、国防、电机与拖动广泛应用与交通运输、国防、工业、农业、文化教育、医疗卫生。工业、农业、文化教育、医疗卫生。可以说，电机与拖动广泛应用于国民经可以说，电机与拖动广泛应用于国民经济的各个方面。济的各个方面。4第4页，本讲稿共63页1.0 1.0 电机与拖动电机与拖动的基本知识的基本知识 1.0.2 1.0.2 为什么要学电机与拖动为什么要学电机与拖动 2.2.是本专业的主要基础课是本专业的主要基础课 对从事本专业工作的技术人员来讲是对从事本专业工作的技术人员来讲
4、是非常重要。非常重要。对后续专业可得学习同样非常重要，如，对后续专业可得学习同样非常重要，如，电力拖动自动控制系统、专业综合课程电力拖动自动控制系统、专业综合课程设计、毕业设计等。设计、毕业设计等。5第5页，本讲稿共63页1.0 1.0 电机与拖动电机与拖动的基本知识的基本知识 1.0.3 1.0.3 本课程的主要特点本课程的主要特点 基本原理、基本结构、基本原理、基本结构、各种电机电器特性和应用各种电机电器特性和应用6第6页，本讲稿共63页1.1 1.1 磁路的基本知识磁路的基本知识 1.1.1 1.1.1 电路与磁路电路与磁路 1.1.电路电路 对于电路系统来说，在电动势对于电路系统来说，
5、在电动势E E的作用下电流的作用下电流I I从从E E的正极通过导体流向负极。可见构成一个完整的电路系统的正极通过导体流向负极。可见构成一个完整的电路系统需要电动势、电导体，并可以形成电流。需要电动势、电导体，并可以形成电流。7第7页，本讲稿共63页2.2.磁路磁路 在磁路系统中，也有一个磁动势在磁路系统中，也有一个磁动势F F（类似于电路（类似于电路中的电势），在中的电势），在F F的作用下产生一个的作用下产生一个 （类似于电（类似于电路中的电流），磁通路中的电流），磁通 从磁动势的从磁动势的N N极通过一个通极通过一个通路（类似于电路中的导体）到路（类似于电路中的导体）到S S极，这个通路
6、就是极，这个通路就是磁路。磁路。8第8页，本讲稿共63页磁路材料的特点磁路材料的特点 由于铁磁材料磁导率比空气大几千倍，即空气磁阻由于铁磁材料磁导率比空气大几千倍，即空气磁阻比铁磁材料大几千倍，所以构成磁路的材料均使用导磁比铁磁材料大几千倍，所以构成磁路的材料均使用导磁率高的铁磁材料。率高的铁磁材料。由于非铁磁物质，如空气也能通过磁通，这就造成铁由于非铁磁物质，如空气也能通过磁通，这就造成铁磁材料构成的磁路周围空气中也必然会有磁通磁材料构成的磁路周围空气中也必然会有磁通 ，空气，空气磁阻比铁磁材料大几千倍，因而磁阻比铁磁材料大几千倍，因而 比比 小的多，小的多，常常常常被称为漏磁通，被称为漏磁
7、通，称为主磁通。因此磁路问题比电路问题称为主磁通。因此磁路问题比电路问题要复杂的多。要复杂的多。9第9页，本讲稿共63页1.1.2 1.1.2 电机电器中的磁路电机电器中的磁路 磁路系统广泛应用在电器设备之中，如磁路系统广泛应用在电器设备之中，如变压器、电机、继电器等。并且在电机和变压器、电机、继电器等。并且在电机和某些电器的磁路中，一般还需要一段空气某些电器的磁路中，一般还需要一段空气隙，或者说空气隙也是磁路的组成部分。隙，或者说空气隙也是磁路的组成部分。10第10页，本讲稿共63页几种常用电机电器的典型磁路几种常用电机电器的典型磁路 (a)普通变压器铁芯；(b)电磁继电器常用铁芯；(c)电
8、机磁路 图11 几种常用电机电器的典型磁路空气隙空气隙空气隙空气隙空气隙空气隙磁路磁路磁力线的通路磁力线的通路11第11页，本讲稿共63页1.1.3 1.1.3 电气设备中磁动势的产生电气设备中磁动势的产生 为了产生较强的磁场，在一为了产生较强的磁场，在一般电气设备中都使用电流产生般电气设备中都使用电流产生磁场。磁场。电流产生磁场的方法是：电流产生磁场的方法是：把绕制好的匝线圈套装在把绕制好的匝线圈套装在铁心上，并在线圈内通入电流，铁心上，并在线圈内通入电流，这样在铁心和线圈周围的空间这样在铁心和线圈周围的空间中就会形成磁场，如图中就会形成磁场，如图1212所所示。示。图 12 磁动势的产生和
9、磁路欧姆定律12第12页，本讲稿共63页主磁通和漏磁通主磁通和漏磁通 铁心产生的磁场，其铁心产生的磁场，其中大多数磁通通过铁心，中大多数磁通通过铁心，称为主磁通；小部分围绕称为主磁通；小部分围绕线圈，称为漏磁通，如图线圈，称为漏磁通，如图1212所示。所示。套装在铁心上用于产生套装在铁心上用于产生磁通的匝线圈称为励磁线磁通的匝线圈称为励磁线圈，励磁线圈中的电流称圈，励磁线圈中的电流称为励磁电流。为励磁电流。主磁通漏磁通励磁电流励磁线圈磁路磁阻13第13页，本讲稿共63页产生磁场的其他方法产生磁场的其他方法 值得注意的是，除了电流产生磁场外，值得注意的是，除了电流产生磁场外，电机电器中还使用了大
10、量的永久磁铁。而电机电器中还使用了大量的永久磁铁。而且随着科学技术的发展，永久磁铁的磁性且随着科学技术的发展，永久磁铁的磁性将越来越强。可以预见永久磁铁将在电机将越来越强。可以预见永久磁铁将在电机电器中得到广泛的应用。电器中得到广泛的应用。14第14页，本讲稿共63页1.2 1.2 磁场的基本知识磁场的基本知识1.2.1 1.2.1 磁感应强度（磁通密度）磁感应强度（磁通密度）B B 描述磁场强弱及方向的物理量称为磁感应强度。为了形描述磁场强弱及方向的物理量称为磁感应强度。为了形描述磁场强弱及方向的物理量称为磁感应强度。为了形描述磁场强弱及方向的物理量称为磁感应强度。为了形象地描绘磁场，往往采
11、用磁感应线，常称为磁力线，磁力象地描绘磁场，往往采用磁感应线，常称为磁力线，磁力象地描绘磁场，往往采用磁感应线，常称为磁力线，磁力象地描绘磁场，往往采用磁感应线，常称为磁力线，磁力线是无头无尾的闭合曲线。图线是无头无尾的闭合曲线。图线是无头无尾的闭合曲线。图线是无头无尾的闭合曲线。图13131313画出了直线电流及螺画出了直线电流及螺画出了直线电流及螺画出了直线电流及螺线管电流产生的磁力线。线管电流产生的磁力线。线管电流产生的磁力线。线管电流产生的磁力线。图图1315第15页，本讲稿共63页磁感应强度的计量和方向磁感应强度的计量和方向 磁力线的方向与产生它的电流方向满足右手螺旋关系，磁力线的方
12、向与产生它的电流方向满足右手螺旋关系，如图如图13(a)13(a)所示。所示。在国际单位制中，磁感应强度在国际单位制中，磁感应强度B B的单位为特（特斯拉），的单位为特（特斯拉），单位符号为单位符号为T T，即，即 （韦伯（韦伯/米米2 2）。）。(a)(b)图13 电流磁场中的磁力线(a)直线电流；(b)螺线管电流16第16页，本讲稿共63页1.2.2 1.2.2 磁通磁通 穿过某一截面穿过某一截面S S的磁感应强度的通量，即的磁感应强度的通量，即穿过截面穿过截面S S的磁力线根数称为磁感应通量，的磁力线根数称为磁感应通量，简称磁通。用表示。即简称磁通。用表示。即:17第17页，本讲稿共63
13、页截面截面S S与与B B垂直的均匀磁场的计算垂直的均匀磁场的计算 在均匀磁场中，如果截面在均匀磁场中，如果截面在均匀磁场中，如果截面在均匀磁场中，如果截面S S S S与与与与B B B B垂直，垂直，垂直，垂直，如图如图如图如图14141414所示，则上式变为所示，则上式变为所示，则上式变为所示，则上式变为:或或或或 （12121212）式中，式中，式中，式中，B B B B为磁通密度，简称磁密，为磁通密度，简称磁密，为磁通密度，简称磁密，为磁通密度，简称磁密，S S S S为为为为面积。面积。面积。面积。在国际单位制中，在国际单位制中，在国际单位制中，在国际单位制中，的单位名称为的单位名
14、称为的单位名称为的单位名称为韦（韦伯），单位符号韦（韦伯），单位符号韦（韦伯），单位符号韦（韦伯），单位符号WbWbWbWb。图14 均匀磁场中的磁通18第18页，本讲稿共63页1.2.3 1.2.3 磁场强度磁场强度H H 计算导磁物质中的磁场时，引入辅助物理量磁场强计算导磁物质中的磁场时，引入辅助物理量磁场强度度H H，它与磁密，它与磁密B B的关系为的关系为:（1313）式中，式中，为导磁物质的磁导率。真空的磁导率为为导磁物质的磁导率。真空的磁导率为 。铁磁材料的。铁磁材料的 ，例如铸钢的，例如铸钢的 约为约为 的的10001000倍，各种硅钢片的倍，各种硅钢片的 约为约为 的的6000
15、600070007000倍。倍。国际单位制中，磁场强度国际单位制中，磁场强度HH的单位名称为安（安培）的单位名称为安（安培）/米，米，单位符号单位符号A/mA/m。19第19页，本讲稿共63页1.3 1.3 电磁学的基本定律电磁学的基本定律 1.3.1 1.3.1 安培环路定律安培环路定律 描述电流产生磁场的规律描述电流产生磁场的规律 凡导体中有电流流过时，就会产生与该载流导体相交凡导体中有电流流过时，就会产生与该载流导体相交链的磁通。在磁场中，沿任意一个闭合磁回路的磁场链的磁通。在磁场中，沿任意一个闭合磁回路的磁场强度线积分等于该回路所交链的所有电流的代数和，强度线积分等于该回路所交链的所有
16、电流的代数和，即即 式中，式中，就是该磁路所包围的全电流。因此，式（就是该磁路所包围的全电流。因此，式（1414）也称全电流定律。）也称全电流定律。（14）20第20页，本讲稿共63页安培环路定律安培环路定律 如图如图1515所示，电流所示，电流 、产生的磁场，沿封闭曲产生的磁场，沿封闭曲线磁场强度满足线磁场强度满足 图图1515中，与磁力线（闭合中，与磁力线（闭合回线）符合右手螺旋关系的回线）符合右手螺旋关系的取正号，反之取负号。取正号，反之取负号。图15 安培环路定律21第21页，本讲稿共63页1.3.2 1.3.2 电磁感应定律电磁感应定律描述磁场产生电描述磁场产生电势的规律势的规律 当
17、导体处于变化的磁场（磁通）中时，导体中会产当导体处于变化的磁场（磁通）中时，导体中会产生感应电势，这就是电磁感应现象。这个感应电势的大生感应电势，这就是电磁感应现象。这个感应电势的大小和磁通随时间的变化率的负值成正比，这就是电磁感小和磁通随时间的变化率的负值成正比，这就是电磁感应定律。例如匝数为应定律。例如匝数为N的线圈所交链的磁通为的线圈所交链的磁通为 ，当该磁通随时间发生变化时，线圈产生的感应电动，当该磁通随时间发生变化时，线圈产生的感应电动势为势为（15）22第22页，本讲稿共63页一、变压器电动势一、变压器电动势 线圈通入随时间而变的电流，这时由所产生的磁通也随线圈通入随时间而变的电流
18、，这时由所产生的磁通也随时间而变，磁通沿导磁材料闭合。这时线圈和同时交链磁通，时间而变，磁通沿导磁材料闭合。这时线圈和同时交链磁通，从而在线圈和中都会感应电动势和，感应电动势的正方向如从而在线圈和中都会感应电动势和，感应电动势的正方向如图图1616所示，其表达式如下：所示，其表达式如下：图16 变压器电动势符合右手符合右手螺旋定则螺旋定则23第23页，本讲稿共63页变压器电动势的磁链表示变压器电动势的磁链表示磁链磁链磁链磁链电感电感24第24页，本讲稿共63页二、切割电动势二、切割电动势 1.1.切割电动势的值切割电动势的值 切割电动势是由于线圈（或导体）和磁场之间存切割电动势是由于线圈（或导
19、体）和磁场之间存切割电动势是由于线圈（或导体）和磁场之间存切割电动势是由于线圈（或导体）和磁场之间存在相对运动，使线圈中的磁通发生变化，而产生电在相对运动，使线圈中的磁通发生变化，而产生电在相对运动，使线圈中的磁通发生变化，而产生电在相对运动，使线圈中的磁通发生变化，而产生电动势，所以称之为切割电动势。如果线圈（或导体）动势，所以称之为切割电动势。如果线圈（或导体）动势，所以称之为切割电动势。如果线圈（或导体）动势，所以称之为切割电动势。如果线圈（或导体）所处的磁通密度为均匀磁密时，导体中所处的磁通密度为均匀磁密时，导体中所处的磁通密度为均匀磁密时，导体中所处的磁通密度为均匀磁密时，导体中电动
20、势值电动势值电动势值电动势值的计的计的计的计算公式为：算公式为：算公式为：算公式为：25第25页，本讲稿共63页切割电动势切割电动势 2.2.切割电动势方向：切割电动势方向：由右手定则决定，即：伸开右手，由右手定则决定，即：伸开右手，使大拇指与其余四指互相垂直并在一使大拇指与其余四指互相垂直并在一个平面内，让磁力线穿过手心，大拇个平面内，让磁力线穿过手心，大拇指指向导体相对于磁场的运动方向，指指向导体相对于磁场的运动方向，则四指所指的方向为旋转电动势的方则四指所指的方向为旋转电动势的方向。右手定则法如图向。右手定则法如图1717所示。所示。图17 确定切割电动势方向的右手定则26第26页，本讲
21、稿共63页1.3.3 1.3.3 毕毕毕毕萨电磁力定律萨电磁力定律萨电磁力定律萨电磁力定律 描述电磁作用产生力的规律描述电磁作用产生力的规律 载流导体在磁场中会受到力的作用，这种力是磁场与载流导体在磁场中会受到力的作用，这种力是磁场与电流相互作用所产生的，故称为电磁力。若磁场与导体相电流相互作用所产生的，故称为电磁力。若磁场与导体相互垂直，则作用在导体上的电磁力为：互垂直，则作用在导体上的电磁力为：式中，式中，B B为导体所处的磁通密度，单位为为导体所处的磁通密度，单位为T T；为导体中为导体中的电流，单位为的电流，单位为A A；为导体在磁场中的有效长度，单为导体在磁场中的有效长度，单位为位为
22、mm；F F为作用在导体上的电磁力，单位为为作用在导体上的电磁力，单位为N N。（19）27第27页，本讲稿共63页电磁力的方向电磁力的方向 电磁力的方向可用图电磁力的方向可用图1818所示的左手定则确定，即：所示的左手定则确定，即：伸开左手，大拇指与其伸开左手，大拇指与其余四指互相垂直，并保持在余四指互相垂直，并保持在一个平面，让磁力线穿过手一个平面，让磁力线穿过手心，四指指向电流的方向，心，四指指向电流的方向，则大拇指所指的方向即为电则大拇指所指的方向即为电磁力的方向。磁力的方向。图18 确定载流导体受力方向的左手定则 28第28页，本讲稿共63页1.3.4 1.3.4 磁路欧姆定律磁路欧
23、姆定律 图图1212是一个单框铁心磁是一个单框铁心磁路的示意图。铁心上绕有路的示意图。铁心上绕有N N匝线圈，通以电流匝线圈，通以电流i i产生的沿铁产生的沿铁心闭合的主磁通为心闭合的主磁通为，沿空气，沿空气闭合的漏磁通为闭合的漏磁通为 。设铁心截。设铁心截面积为面积为S S，平均磁路长度为，平均磁路长度为 ，铁磁材料的磁导率为，铁磁材料的磁导率为 (不不是常数，随磁感应强度变化是常数，随磁感应强度变化)。图1229第29页，本讲稿共63页全电流定律的工程应用全电流定律的工程应用 假设漏磁通可以不考虑假设漏磁通可以不考虑(即即 ，假设磁通全部通过铁，假设磁通全部通过铁心心)，并且认为磁路，并且
24、认为磁路 上的磁场强度处处相等，于是，根据上的磁场强度处处相等，于是，根据全电流定律有：全电流定律有：因因 ，可得：，可得：式中，式中，为磁动势；为磁动势；为磁阻；为磁阻；为为磁导磁导。（110）30第30页，本讲稿共63页1.3.5 1.3.5 磁路基尔霍夫第一定律磁路基尔霍夫第一定律 如果铁心不是一个简单的回路。而是带如果铁心不是一个简单的回路。而是带有并联分支的磁路，从而形成磁路的节点，有并联分支的磁路，从而形成磁路的节点，则当忽略漏磁通时，在磁路任何一个节点处，则当忽略漏磁通时，在磁路任何一个节点处，磁通的代数和恒等于零，即：磁通的代数和恒等于零，即：31第31页，本讲稿共63页磁路基
25、尔霍夫第一定律磁路基尔霍夫第一定律 若令流入节点的磁通定为若令流入节点的磁通定为()。则流出该节点的磁通定为则流出该节点的磁通定为()。如。如图图1919封闭面处有：封闭面处有：磁路基尔霍夫第一定律表明，磁路基尔霍夫第一定律表明，进入或穿出任一封闭面的总磁通进入或穿出任一封闭面的总磁通量的代数和等于零，或穿入任一量的代数和等于零，或穿入任一封闭面的磁通量恒等于穿出该封封闭面的磁通量恒等于穿出该封闭面的磁通量。闭面的磁通量。图图1932第32页，本讲稿共63页1.3.6 1.3.6 磁路基尔霍夫第二定律磁路基尔霍夫第二定律 工程应用中，磁路的几何形状往往是比较复杂的，工程应用中，磁路的几何形状往
26、往是比较复杂的，直接利用安培环路定律的积分形式计算有一定的困难。直接利用安培环路定律的积分形式计算有一定的困难。为此，在计算时要进行简化。为此，在计算时要进行简化。简化的办法是把磁路分段，几何形状相同的分为一段，简化的办法是把磁路分段，几何形状相同的分为一段，找出它的平均磁场强度，再乘上这段磁路的平均长度，找出它的平均磁场强度，再乘上这段磁路的平均长度，求得该段的磁位降求得该段的磁位降(也可理解为一段磁路所消耗的磁动也可理解为一段磁路所消耗的磁动势势)。然后把各段磁路的磁位降相加，结果就是总磁动势，即。然后把各段磁路的磁位降相加，结果就是总磁动势，即沿任何闭合磁路的总磁动势恒等于各段磁位降的总
27、和。沿任何闭合磁路的总磁动势恒等于各段磁位降的总和。33第33页，本讲稿共63页 磁路基尔霍夫第二定律磁路基尔霍夫第二定律 磁路基尔霍夫第二定律：磁路基尔霍夫第二定律：式中，式中，为磁路里第为磁路里第k k段磁路的磁场强度段磁路的磁场强度(A/m)(A/m)；为第段磁路的平均长度为第段磁路的平均长度(m)(m)；为作用在整个磁路上的磁动势；即全电流数为作用在整个磁路上的磁动势；即全电流数(安匝安匝)；N N为励磁线圈的匝数。为励磁线圈的匝数。上式也可以理解为，消耗在任一闭合磁回路上的磁上式也可以理解为，消耗在任一闭合磁回路上的磁动势，等于该磁路所交链的全部电流。动势，等于该磁路所交链的全部电流
28、。（113）34第34页，本讲稿共63页例例 图图110110中所示磁路可分中所示磁路可分为两段，为两段，第一段为第一段为：铁磁材料组成：铁磁材料组成的铁心的铁心 ，总长度为：，总长度为：磁场强度为：磁场强度为：；第二段为第二段为：气隙，长度为：气隙，长度为 ，磁场强度为，磁场强度为 。35第35页，本讲稿共63页例（续）例（续）铁心上有两组线圈，一组铁心上有两组线圈，一组线圈的电流为线圈的电流为 ，线圈的匝，线圈的匝数为数为N1N1；另一组线圈的电流；另一组线圈的电流为为 ，线圈的匝数为，线圈的匝数为N2N2，由，由磁路基尔霍夫第二定律可得：磁路基尔霍夫第二定律可得：图110 磁路基尔霍夫第
29、二定律36第36页，本讲稿共63页1.4 1.4 铁磁材料铁磁材料 铁磁材料，一般是由铁或铁与钴、钨、铁磁材料，一般是由铁或铁与钴、钨、镍、铝及其他金属的合金构成，迄今为止是镍、铝及其他金属的合金构成，迄今为止是最通用的磁性材料。虽然这些材料的性能差最通用的磁性材料。虽然这些材料的性能差异很大，但决定其性能的基本现象却是共同异很大，但决定其性能的基本现象却是共同的。的。37第37页，本讲稿共63页1.4.1 1.4.1 铁磁材料的磁化铁磁材料的磁化 铁磁材料由许许多多铁磁材料由许许多多的磁畴构成，每个磁畴相的磁畴构成，每个磁畴相当于一个小永磁体，具有当于一个小永磁体，具有较强的磁矩，如图较强的
30、磁矩，如图111111所示。所示。在未磁化的材料样品在未磁化的材料样品中，所有磁畴摆列杂乱，中，所有磁畴摆列杂乱，因此材料对外不显磁性，因此材料对外不显磁性，如图如图111111（a a）所示。）所示。图111 铁磁材料的磁化(a)未磁化38第38页，本讲稿共63页 铁磁材料的磁化铁磁材料的磁化 当外部磁场施加到这一材当外部磁场施加到这一材当外部磁场施加到这一材当外部磁场施加到这一材料时，磁畴会沿施加磁场的料时，磁畴会沿施加磁场的料时，磁畴会沿施加磁场的料时，磁畴会沿施加磁场的方向转向，所有的磁畴平行，方向转向，所有的磁畴平行，方向转向，所有的磁畴平行，方向转向，所有的磁畴平行，铁磁材料对外表
31、现出磁性，铁磁材料对外表现出磁性，铁磁材料对外表现出磁性，铁磁材料对外表现出磁性，如图如图如图如图111(b)111(b)111(b)111(b)所示。所示。所示。所示。图111 铁磁材料的磁化 (b)磁化39第39页，本讲稿共63页 铁磁材料的磁化铁磁材料的磁化 当外磁场加到铁磁材料时，铁磁当外磁场加到铁磁材料时，铁磁材料磁畴产生的磁化磁场叠加在外磁材料磁畴产生的磁化磁场叠加在外磁场上，使合成磁场大为加强。随着外场上，使合成磁场大为加强。随着外部磁场强度的增加，磁畴就会沿施加部磁场强度的增加，磁畴就会沿施加的磁场方向转向，直到所有的磁畴沿的磁场方向转向，直到所有的磁畴沿施加的磁场排列，即所有
32、的磁畴与外施加的磁场排列，即所有的磁畴与外磁场平行，此时，磁畴将不再能使磁磁场平行，此时，磁畴将不再能使磁通密度增加，也就是说材料完全饱和。通密度增加，也就是说材料完全饱和。图111 铁磁材料的磁化 (b)磁化40第40页，本讲稿共63页1.4.2 1.4.2 1.4.2 1.4.2 起始磁化曲线、磁滞回线、起始磁化曲线、磁滞回线、基本磁化曲线基本磁化曲线 将一块没有磁化的铁磁材将一块没有磁化的铁磁材将一块没有磁化的铁磁材将一块没有磁化的铁磁材料进行磁化，当磁场强度由料进行磁化，当磁场强度由料进行磁化，当磁场强度由料进行磁化，当磁场强度由零逐渐增大时，磁通密度将零逐渐增大时，磁通密度将零逐渐增
33、大时，磁通密度将零逐渐增大时，磁通密度将随之增大，用描述的曲线称随之增大，用描述的曲线称随之增大，用描述的曲线称随之增大，用描述的曲线称为是铁磁材料的起始磁化曲为是铁磁材料的起始磁化曲为是铁磁材料的起始磁化曲为是铁磁材料的起始磁化曲线，如图线，如图线，如图线，如图1 1 1 112121212所示。所示。所示。所示。图112 起始磁化曲线 41第41页，本讲稿共63页起始磁化曲线起始磁化曲线 图图112112可见，当磁场可见，当磁场强度从零增大初期，磁密强度从零增大初期，磁密B B随磁场强度随磁场强度H H增加较慢增加较慢(图中图中oaoa段段)，之后，磁密，之后，磁密B B随随HH的增加而增
34、大加快的增加而增大加快（abab）段，过了）段，过了b b点，点，B B的增加减慢的增加减慢(bc(bc段段)，最后，最后为为cdcd段，又呈直线。段，又呈直线。图11242第42页，本讲稿共63页起始磁化曲线起始磁化曲线 其中其中a a称为跗点，称为跗点，b b点为膝点，点为膝点，c c点为饱和点。过了饱和点点为饱和点。过了饱和点c c，铁磁材料的磁导率趋近于铁磁材料的磁导率趋近于 。各种电机和变压器的主磁路中，各种电机和变压器的主磁路中，为了获得较大的磁密，又不过为了获得较大的磁密，又不过分增大磁动势，通常把铁心内分增大磁动势，通常把铁心内的工作点磁通密度选择在膝点的工作点磁通密度选择在膝
35、点b b附近。附近。图11243第43页，本讲稿共63页磁滞回线磁滞回线 将铁磁材料进行周期性磁化，将铁磁材料进行周期性磁化，B B和和HH之间的变化关系就会变成如图之间的变化关系就会变成如图113113中的中的abcdefaabcdefa所示形状。当所示形状。当HH开始从零增加到开始从零增加到 ，以后逐渐减小磁，以后逐渐减小磁场强度场强度HH，B B值将沿曲线值将沿曲线abab下降。下降。当当 时，时，B B值并不为零，而等于值并不为零，而等于 ，称为剩余磁通密度，简称剩磁。要，称为剩余磁通密度，简称剩磁。要使使B B值从减小到零，必须加上相应值从减小到零，必须加上相应的反向外磁场的反向外磁
36、场H H，此反向磁场强度称，此反向磁场强度称为矫顽力，用为矫顽力，用 表示。表示。图113 铁磁材料的磁化特性44第44页，本讲稿共63页磁滞回线磁滞回线 铁磁材料所具有的这种磁通铁磁材料所具有的这种磁通铁磁材料所具有的这种磁通铁磁材料所具有的这种磁通密度密度密度密度B B B B的变化滞后于磁场强度的变化滞后于磁场强度的变化滞后于磁场强度的变化滞后于磁场强度HHHH变化的现象，叫做磁滞。呈变化的现象，叫做磁滞。呈变化的现象，叫做磁滞。呈变化的现象，叫做磁滞。呈现磁滞现象的现磁滞现象的现磁滞现象的现磁滞现象的B-HB-HB-HB-H闭合回线，闭合回线，闭合回线，闭合回线，称为磁滞回线，见图称为
37、磁滞回线，见图称为磁滞回线，见图称为磁滞回线，见图113113113113中的中的中的中的abcdefaabcdefaabcdefaabcdefa所示。所示。所示。所示。曲线段曲线段曲线段曲线段abcdabcdabcdabcd为磁滞回线下降分支，为磁滞回线下降分支，为磁滞回线下降分支，为磁滞回线下降分支，defadefadefadefa为磁滞回线上升分支。为磁滞回线上升分支。为磁滞回线上升分支。为磁滞回线上升分支。45第45页，本讲稿共63页磁滞回线磁滞回线46第46页，本讲稿共63页基本磁化曲线基本磁化曲线 对于同一铁磁材料，选择不同的磁对于同一铁磁材料，选择不同的磁场强度反复磁化时，可得出
38、不同的场强度反复磁化时，可得出不同的磁滞回线，将各条磁滞回线的顶点磁滞回线，将各条磁滞回线的顶点连接起来，所得的曲线称为连接起来，所得的曲线称为基本磁基本磁基本磁基本磁化曲线化曲线化曲线化曲线，或平均磁化曲线。，或平均磁化曲线。起始磁化曲线与平均磁化曲线起始磁化曲线与平均磁化曲线相差甚小。如图相差甚小。如图114114的虚线所示。的虚线所示。图114 基本磁化曲线 47第47页，本讲稿共63页磁化曲线的工程应用磁化曲线的工程应用 铁磁材料的磁导率铁磁材料的磁导率 比空气的磁导率比空气的磁导率 大几千到几大几千到几万倍。铁磁材料的导率万倍。铁磁材料的导率 除了比除了比 大得多外，还与磁场大得多外
39、，还与磁场强度以及磁状态的历史有关，所以铁磁材料的强度以及磁状态的历史有关，所以铁磁材料的 不是常不是常数。数。在工程计算时，不按在工程计算时，不按 进行计算，而是进行计算，而是按铁磁材料的基本磁化曲线计算。按铁磁材料的基本磁化曲线计算。图图115115为电机中常用的硅钢片为电机中常用的硅钢片DR320DR320、生铁、生铁48第48页，本讲稿共63页磁化曲线的工程应用磁化曲线的工程应用所以只要知道磁场强度所以只要知道磁场强度HH就可以根据磁化曲线得到就可以根据磁化曲线得到B B图115 电机中常用的基本磁化曲线 49第49页，本讲稿共63页1.4.3 1.4.3 软磁材料和硬磁材料软磁材料和
40、硬磁材料 磁滞回线较窄，剩磁和矫顽力都小的铁磁材料属于软磁滞回线较窄，剩磁和矫顽力都小的铁磁材料属于软磁材料，如硅钢片、铁镍合金、铁滏氧、铸钢等。这些磁材料，如硅钢片、铁镍合金、铁滏氧、铸钢等。这些材料磁导率较高，磁滞回线包围面积小，磁滞损耗小，材料磁导率较高，磁滞回线包围面积小，磁滞损耗小，多用于做电机、变压器的铁心。多用于做电机、变压器的铁心。磁滞回线较宽，剩磁和矫顽力都大的铁磁材料属磁滞回线较宽，剩磁和矫顽力都大的铁磁材料属于硬磁材料，如钨钢、钴钢、铝镍钴、铁氧体、钕于硬磁材料，如钨钢、钴钢、铝镍钴、铁氧体、钕铁硼等，硬磁材料主要用做永久磁铁铁硼等，硬磁材料主要用做永久磁铁。50第50页
41、，本讲稿共63页1.4.4 1.4.4 磁滞损耗和涡流损耗磁滞损耗和涡流损耗 铁磁材料在交变磁场的铁磁材料在交变磁场的作用下而反复磁化过程中，作用下而反复磁化过程中，磁畴之间不停地互相摩擦，磁畴之间不停地互相摩擦，消耗能量，因此引起损耗。消耗能量，因此引起损耗。这种损耗称为磁滞损耗。这种损耗称为磁滞损耗。磁滞回线面积越大，损耗磁滞回线面积越大，损耗越大。磁通密度最大值越大。磁通密度最大值 越越大时，磁滞回线面积也越大时，磁滞回线面积也越大。大。51第51页，本讲稿共63页1.4.4 1.4.4 磁滞损耗和涡流损耗磁滞损耗和涡流损耗 试验表明，交变磁化时，磁滞损耗试验表明，交变磁化时，磁滞损耗试
42、验表明，交变磁化时，磁滞损耗试验表明，交变磁化时，磁滞损耗 与磁通的交变频与磁通的交变频与磁通的交变频与磁通的交变频率率率率f f f f成正比，与磁通密度的幅值成正比，与磁通密度的幅值成正比，与磁通密度的幅值成正比，与磁通密度的幅值 的的的的n n n n次方成正比，与铁次方成正比，与铁次方成正比，与铁次方成正比，与铁心重量心重量心重量心重量 成正比，即成正比，即成正比，即成正比，即 式中，式中，式中，式中，为磁滞损耗系数，对一般的电工用硅钢片为磁滞损耗系数，对一般的电工用硅钢片为磁滞损耗系数，对一般的电工用硅钢片为磁滞损耗系数，对一般的电工用硅钢片，。电机和变压器的铁心都采用硅钢片电机和变
43、压器的铁心都采用硅钢片电机和变压器的铁心都采用硅钢片电机和变压器的铁心都采用硅钢片 52第52页，本讲稿共63页二、二、涡流损耗涡流损耗 当通过铁心的磁通发生交变当通过铁心的磁通发生交变时，根据电磁感应定律，铁心中时，根据电磁感应定律，铁心中将产生感应电动势，并引起环流。将产生感应电动势，并引起环流。这些环流在铁心内部围绕磁通呈这些环流在铁心内部围绕磁通呈旋涡状流动，如图旋涡状流动，如图116116所示，所示，称为涡流。涡流在铁心中引起损称为涡流。涡流在铁心中引起损耗，称为涡流损耗。耗，称为涡流损耗。图116 一片硅钢片中的涡流53第53页，本讲稿共63页涡流损耗的计算式涡流损耗的计算式 设涡
44、流为设涡流为 ，涡流回路的，涡流回路的电阻为电阻为 ，涡流感应电动势为，涡流感应电动势为 ，涡流损耗为，涡流损耗为 ，可见，频率，可见，频率f f越越高，磁通密度高，磁通密度B B越大，感应电动越大，感应电动势就越大，涡流损耗也越大；铁势就越大，涡流损耗也越大；铁心的电阻越大，涡流损耗就越小。心的电阻越大，涡流损耗就越小。54第54页，本讲稿共63页涡流损耗的计算式涡流损耗的计算式 对电工钢片，涡流损耗还与钢片厚对电工钢片，涡流损耗还与钢片厚度的平方成正比，经推导可知，涡流损度的平方成正比，经推导可知，涡流损耗为耗为 （1-151-15）式中，式中，为涡流损耗系数。为涡流损耗系数。为了减小涡流
45、损耗为了减小涡流损耗,应减小钢片的厚度应减小钢片的厚度d d，所以电工钢片的厚度做成所以电工钢片的厚度做成0.350.5 0.350.5 毫毫米；另外增加涡流回路的电阻，所以电工米；另外增加涡流回路的电阻，所以电工钢片中常加入钢片中常加入4 4左右的硅，变成硅钢片，左右的硅，变成硅钢片，用以提高电阻。用以提高电阻。55第55页，本讲稿共63页磁路的铁损耗磁路的铁损耗 在电机和变压器中，通常把磁滞损耗和涡流损耗合在在电机和变压器中，通常把磁滞损耗和涡流损耗合在在电机和变压器中，通常把磁滞损耗和涡流损耗合在在电机和变压器中，通常把磁滞损耗和涡流损耗合在一起，称为铁心损耗简称铁耗。一起，称为铁心损耗
46、简称铁耗。一起，称为铁心损耗简称铁耗。一起，称为铁心损耗简称铁耗。对于一般的电工钢片，正常工作点的磁通密度对于一般的电工钢片，正常工作点的磁通密度对于一般的电工钢片，正常工作点的磁通密度对于一般的电工钢片，正常工作点的磁通密度B B B B为为为为 ，铁心损耗可近似为，铁心损耗可近似为，铁心损耗可近似为，铁心损耗可近似为:式中，式中，式中，式中，为铁心的损耗系数；为铁心的损耗系数；为铁心的损耗系数；为铁心的损耗系数；为铁心重量。可见，为铁心重量。可见，为铁心重量。可见，为铁心重量。可见，铁心损耗与频率的铁心损耗与频率的铁心损耗与频率的铁心损耗与频率的1.31.31.31.3次方、磁通密度的平方
47、、铁心重次方、磁通密度的平方、铁心重次方、磁通密度的平方、铁心重次方、磁通密度的平方、铁心重量成正比。量成正比。量成正比。量成正比。（116）56第56页，本讲稿共63页 1.5 1.5 简单磁路及计算简单磁路及计算 直流磁路计算有已知磁通求磁动势，或己直流磁路计算有已知磁通求磁动势，或己知磁动势求磁通两类问题。知磁动势求磁通两类问题。直流电机的磁路计算属于第一类问题，直流电机的磁路计算属于第一类问题，所以主要介绍第一类问题的计算，然后简所以主要介绍第一类问题的计算，然后简单介绍第二类问题。单介绍第二类问题。57第57页，本讲稿共63页 已知磁通求磁动势的计算实例：已知磁通求磁动势的计算实例：
48、例例11 11 在图在图117 117 中，铁心用中，铁心用DR320DR320叠成，叠成，它的截面积它的截面积 ，铁心的平均长度铁心的平均长度 ，空气隙长度空气隙长度 ，线圈的匝数线圈的匝数 匝。匝。试求产生磁通试求产生磁通 时所需要的励磁磁动势时所需要的励磁磁动势 和励磁电流和励磁电流 。（考虑到气隙磁场的边缘效应，在计算气隙有效面积时，通常在长、宽考虑到气隙磁场的边缘效应，在计算气隙有效面积时，通常在长、宽方向各增加一个值。方向各增加一个值。）58第58页，本讲稿共63页（1 1）将磁路进行分段）将磁路进行分段 每一段磁路应是均匀每一段磁路应是均匀的的(即材料相同，截面即材料相同，截面相
49、同相同)，算出各段的截，算出各段的截面积面积S S和和 。此例为两段，一段铁此例为两段，一段铁心，一段空气隙。心，一段空气隙。59第59页，本讲稿共63页1.5.2 1.5.2 交流磁路交流磁路 在交流系统中，电压和磁通的波形非常在交流系统中，电压和磁通的波形非常接近于时间的正弦函数。采用闭合铁心磁接近于时间的正弦函数。采用闭合铁心磁路作为模型（即没有气隙）描述磁性材料路作为模型（即没有气隙）描述磁性材料稳态交流工作的励磁特性，如图稳态交流工作的励磁特性，如图118118所所示的磁路。磁路长度为示的磁路。磁路长度为 ，贯穿铁心长，贯穿铁心长度的横截面积为度的横截面积为S S。此外，假设铁心磁通
50、。此外，假设铁心磁通正弦变化，因此：正弦变化，因此：式中，式中，为铁心磁通的幅值；为铁心磁通的幅值；为磁密的为磁密的幅值；幅值；为角频率，为角频率，为电源频率。为电源频率。60第60页，本讲稿共63页1.6 1.6 永磁材料的应用永磁材料的应用 剩磁的意义在于，当没有外部励磁存在剩磁的意义在于，当没有外部励磁存在时，它也能在磁路中产生磁通。时，它也能在磁路中产生磁通。几种常用永磁材料的磁化特性如图几种常用永磁材料的磁化特性如图112020所示。铝镍钴所示。铝镍钴5 5为一种广泛应用的铁、镍、为一种广泛应用的铁、镍、铝及钴的合金。最初发现于铝及钴的合金。最初发现于19311931年，其具年，其具