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1、一、一、磁磁场场中的主要物理量中的主要物理量1.磁感磁感应应强强度和磁通度和磁通磁磁感感应应强强度度(magnetic induction)是是磁磁场场的的基基本本物物理理量量，它它是是根根据据洛洛仑仑兹兹力力来来定定义义的的，是是一一个个矢矢量量，用用符符号号B来来表表示示。其其方方向向与与磁磁场场的的方方向向一一致致，可可以以用用能能够够自由自由转动转动的小磁的小磁针针来来测测定。定。绪论绪论放放在在磁磁场场中中某某处处的的小小磁磁针针N极极所所指指的的方方向向就就是是该该点点磁磁感感应应强强度度的的方方向向；其其大大小小是是运运动动电电荷荷在在磁磁场场中中受受到到磁磁场场力力的的作作用用
2、，当当运运动动电电荷荷与与磁磁场场的的方方向向垂垂直直时时，它它所所受到的磁力最大，记为受到的磁力最大，记为Fmax。通通常常用用磁磁感感应应强强度度线线来来描描绘绘磁磁场场中中各各点点的的情情况况。其其方方向向代代表表该该点点磁磁感感应应强强度度的的方方向向，其其大大小小用用该该点点附附近近磁磁感感应应强强度度线线的疏密程度来表示。的疏密程度来表示。磁磁感感应应强强度度线线是是连连续续的的闭闭合合曲曲线线，且且任任意意两两根根磁磁感感应应强强度度线线不不可可能能相相交交。如如果果磁磁场场是是由由电电流流产产生生的的，电电流流也也是是闭闭合合流流动动的的，即即磁磁感感应应强强度度线线总总是是与
3、与电电流流线线相相互交互交链链的。的。磁力线(1)磁磁感感应应线线的的回回转转方方向向和和电电流流方方向向之之间间的的关关系系遵遵守守右右手手螺螺旋旋法法则则(2)磁磁场场中中的的磁磁感感应应线线不不相相交交，每每点点的的磁磁感感应应强强度度的的方方向向确确定定唯唯一一(3)载载流流导导线线周周围围的的磁磁感感应应线线都都是是围围绕绕电流的闭合曲线电流的闭合曲线磁通量磁通量通过磁场中某一面积的磁感应线数称为通过通过磁场中某一面积的磁感应线数称为通过该面积的磁通量该面积的磁通量(磁通磁通)，符号，符号、单位、单位Wb =BScos 2.磁磁场场强强度和磁度和磁导导率率磁场强度是描述磁场的另一个重
4、要的物磁场强度是描述磁场的另一个重要的物理量。理量。磁磁场场中中某某点点的的磁磁场场强强度度只只取取决决于于产产生生这这个个磁磁场场的的运运动动电电荷荷(或或电电流流)的的分分布布，而而与与介介质质无无关关。也也就就是是说说，在在确确定定的的运运动动电电荷荷(或或电电流流)分分布布所所产产生生的的磁磁场场中中，如如果果分分别别充充满满不不同同的的介介质质，则则磁磁场场中中同同一一点点的的磁磁场场强强度度H是是相相同同的的。而而磁磁感感应应强强度度随随着着介介质质的的不不同同而而不不同同，不不同同的的程程度度取取决决于于介介质质的磁的磁导导率率。在在国国际际单单位位制制(SI)中中，由由后后面面
5、介介绍绍的的安安培培环环路路定定律律可可知知，磁磁场场强强度度的的单单位位是是安安/米，符号米，符号为为A/m。磁导率磁导率(permeability)是反映物质导磁是反映物质导磁能力或物质被磁化能力的物理量。能力或物质被磁化能力的物理量。磁场强度磁场强度H、磁导率磁导率 B=H 磁导率，决定于介质性质，磁导率，决定于介质性质，Hm。变化变化范围很大。范围很大。真空磁导率真空磁导率 0=4 10-7Hm 非铁磁物质如空气、铜、铝和绝缘材料等，非铁磁物质如空气、铜、铝和绝缘材料等，近似等于真空磁导率近似等于真空磁导率 铁磁物质如铁、镍、铝及其合金，磁导率铁磁物质如铁、镍、铝及其合金，磁导率远大于
6、真空磁导率达数千甚至上万倍。通远大于真空磁导率达数千甚至上万倍。通常以相对磁导率常以相对磁导率 表示铁磁物质的磁导率表示铁磁物质的磁导率比真空磁导率增大的倍数比真空磁导率增大的倍数在在同样大小的电流作用下，铁芯线圈的同样大小的电流作用下，铁芯线圈的磁通比空心线圈的磁通大得多磁通比空心线圈的磁通大得多电磁感应定律电磁感应定律 磁链：一个线圈放在磁场中，线圈所环绕的磁链：一个线圈放在磁场中，线圈所环绕的总磁通叫做磁链。总磁通叫做磁链。如果线圈只有一匝，则线圈的磁链就等于磁如果线圈只有一匝，则线圈的磁链就等于磁通；如果线圈有多匝，则线圈的磁链就等于通；如果线圈有多匝，则线圈的磁链就等于各匝磁通之和各
7、匝磁通之和。感应电动势：一个线圈放在磁场中，当磁场感应电动势：一个线圈放在磁场中，当磁场发生变化时，线圈中会产生电动势，这种电发生变化时，线圈中会产生电动势，这种电动势称为感应电动势。动势称为感应电动势。当线圈闭合时，就会当线圈闭合时，就会产生感应电流。产生感应电流。电电磁磁感感应应定定律律：当当线线圈圈环环绕绕的的磁磁链链发发生生变变化化时时，线线圈圈中中产产生生感感应应电电动动势势。感感应应电电动动势势的的大大小小等等于于磁磁链链随随时时间间的的变变化化率率。感感应应电动势的方向可由楞次定律给出。电动势的方向可由楞次定律给出。假假定定感感应应电电动动势势的的参参考考方方向向与与磁磁通通的的
8、参参考考方方向向成成右右手手螺螺旋旋关关系系，感感应应电电动动势势的的表表达达式式两种感应电势线圈中磁链的变化线圈中磁链的变化(1)磁磁通通本本身身就就是是由由交交流流电电流流所所产产生生，也也就就是是说说磁磁通通本本身身随随时时间间在在变变化化着着，这这样样产产生生的的电电势势称称为为变变压压器器电电势势。（线线圈圈与与磁磁场场相相对对静止）静止）(2)磁磁通通本本身身不不随随时时间间变变化化，但但由由于于线线圈圈与与磁磁场场间间有有相相对对运运动动而而引引起起线线圈圈中中磁磁链链的的变变化化，这样产生的电势称为这样产生的电势称为运动电势运动电势或速度电势或速度电势 e=Blv 楞次定律：楞
9、次定律：当闭合线圈环绕的磁链发生变当闭合线圈环绕的磁链发生变化时，线圈中感应电流所产生的磁场总是化时，线圈中感应电流所产生的磁场总是企图抵消原磁场的变化。企图抵消原磁场的变化。闭合线圈中产生感应电流的原因是感应电闭合线圈中产生感应电流的原因是感应电动势，因此动势，因此感应电动势的方向与感应电流感应电动势的方向与感应电流方向相同。方向相同。当线圈不闭合时，感应电流为当线圈不闭合时，感应电流为零，但感应电动势依然存在。零，但感应电动势依然存在。电磁力电磁力 载流导体位于磁场中时，导体上受到力载流导体位于磁场中时，导体上受到力Fe 单相变压器单相变压器一、电机中的典型磁路（主、漏磁通）一、电机中的典
10、型磁路（主、漏磁通）N1N2电能电能i1输入电能输入电能磁磁 场场电能电能i2输出电能输出电能磁路基本定律磁路基本定律旋转电机旋转电机机械端口机械端口转子转子定子绕组定子绕组定子铁心定子铁心电端口电端口ABC磁磁 场场电能电能机械能机械能磁路磁路:磁通所走的路径。磁通所走的路径。旋转电机横截示意图面旋转电机横截示意图面二、二、磁路的基本定律磁路的基本定律 1.1.安培环路定律安培环路定律 沿空间任意条闭合回路，磁场强度沿空间任意条闭合回路，磁场强度H H的线积分等的线积分等于该闭合回路所包围的电流的代数和。于该闭合回路所包围的电流的代数和。i3l H dl i2 i1 注：注：若若i i与与l
11、 l符合右手螺旋关系，取正号，否则取符合右手螺旋关系，取正号，否则取负号负号 。其中大拇指所指为。其中大拇指所指为i i的的方向，四指为方向，四指为l l方向。方向。H H：磁场强度，安：磁场强度，安/米米(A/mA/m)其中：其中：F=NiF=Ni：磁路的磁动势磁路的磁动势 H HFeFel lFeFe：铁心上的磁压降：铁心上的磁压降 H H：气隙上的磁压降气隙上的磁压降注：注：i i与与l l符合右手螺旋关系符合右手螺旋关系,电机学中习惯大拇指所指为电机学中习惯大拇指所指为l l的方的方向，四指为多匝线圈中向，四指为多匝线圈中i i方向。方向。当气隙长度当气隙长度远远小于两远远小于两侧的铁
12、心截面的边长时，侧的铁心截面的边长时，铁铁心和气隙中为均匀磁场，则心和气隙中为均匀磁场，则 带气隙的铁心磁路带气隙的铁心磁路 2.2.磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律 其中其中其中其中:B:B:B:B:磁通密度，特斯拉磁通密度，特斯拉磁通密度，特斯拉磁通密度，特斯拉(T T T T)：磁通，韦伯（磁通，韦伯（磁通，韦伯（磁通，韦伯（W W W Wb b b b）A A A A：铁心的截面积铁心的截面积铁心的截面积铁心的截面积 ，平方米（，平方米（，平方米（，平方米（m m m m2 2 2 2 ）在线性或可以近似地认为是线性的介质中在线性或可以近似地认为是线性的介质中有有 B=HH 其中其中是磁导
13、率，是磁导率，H/mH/m将将=BA和和B=HH 代入代入Ni Hl，得得欧姆定律欧姆定律或或或或 则可写为则可写为则可写为则可写为欧姆定律：欧姆定律：欧姆定律：欧姆定律：作用于磁路上的磁动势等于磁阻乘以作用于磁路上的磁动势等于磁阻乘以作用于磁路上的磁动势等于磁阻乘以作用于磁路上的磁动势等于磁阻乘以磁通。磁通。磁通。磁通。定义：定义：定义：定义：:磁路的磁阻，磁路的磁阻，A/Wb 定义：定义：定义：定义：:磁路的磁导，磁路的磁导，Wb/A磁路的基尔霍夫第一定律磁路的基尔霍夫第一定律流入磁路节点的磁通的代数和应等于零流入磁路节点的磁通的代数和应等于零 磁磁压压（磁磁位位差差）：H H沿沿路路径径
14、的的线线积积分分称称该该路路径径上的磁压。上的磁压。Um=Hdl磁势磁势：磁场回路所匝链的电流：磁场回路所匝链的电流 F=I*磁势、磁压的单位均为：磁势、磁压的单位均为：A磁路的基尔霍夫第二定律磁路的基尔霍夫第二定律沿着任一闭合回路，其总磁压等于总磁势沿着任一闭合回路，其总磁压等于总磁势第二节 铁磁材料及其磁化特性不同的磁性材不同的磁性材料有不同的磁料有不同的磁导率导率同一材料当其同一材料当其磁通密度不同磁通密度不同时，亦有不同时，亦有不同的磁导率的磁导率 起始段，磁导率较小起始段，磁导率较小线性区，磁导线性区，磁导率大且不变率大且不变饱和区饱和区三三 磁滞回线磁滞回线矫顽力矫顽力 由于磁滞，
15、由于磁滞，当磁场强当磁场强度减小到零（即度减小到零（即 ）时，时，磁感强度磁感强度 ，而，而是仍有一定的数值是仍有一定的数值 ，叫做剩余磁感强度叫做剩余磁感强度(剩磁剩磁).当外磁场由当外磁场由 逐渐逐渐减小时，磁感强度减小时，磁感强度 B并不并不沿起始曲线沿起始曲线 0P 减小减小，而，而是沿是沿 PQ比较缓慢的减小，比较缓慢的减小，这种这种 B的变化落后于的变化落后于H的的变化的现象，叫做变化的现象，叫做磁滞现磁滞现象象，简称，简称磁滞磁滞.O磁滞回线磁滞回线四四 铁磁性材料铁磁性材料O软软磁材料磁材料O硬硬磁材料磁材料O矩矩磁铁氧体材料磁铁氧体材料 实验表明，不同铁磁性物质的磁滞回线形状
16、相实验表明，不同铁磁性物质的磁滞回线形状相差很大差很大.二、二、铁磁材料的磁化特性与铁心磁路磁化曲铁磁材料的磁化特性与铁心磁路磁化曲 线的关系线的关系 均匀磁路均匀磁路 B-H曲线曲线-i曲线曲线 BA及及Ni=HL 1 1）铁磁材料的磁化曲线）铁磁材料的磁化曲线2 2）空气的磁化曲线）空气的磁化曲线思考题：画带气隙的铁心磁思考题：画带气隙的铁心磁路的磁化曲线路的磁化曲线。气隙长度不。气隙长度不同，曲线之间有何不同？同，曲线之间有何不同？3 3、4 4）带气隙的铁心磁路）带气隙的铁心磁路的磁化曲线的磁化曲线 (3 4)3 4)四、铁心损耗四、铁心损耗(磁滞损耗和涡流损耗磁滞损耗和涡流损耗)磁滞
17、损耗磁滞损耗 铁磁材料置于交变磁场中时，材铁磁材料置于交变磁场中时，材料被反复交变磁化与此同时，磁畴相互料被反复交变磁化与此同时，磁畴相互间不停地摩擦、消耗能量、造成损耗，这间不停地摩擦、消耗能量、造成损耗，这种损耗称为磁滞损耗。种损耗称为磁滞损耗。磁带损耗磁带损耗PFe与磁场交变的频率与磁场交变的频率f、铁心的体、铁心的体积积V和磁滞回线的面积成正比和磁滞回线的面积成正比。涡流损耗涡流损耗 因为铁心是导电的故当通过铁因为铁心是导电的故当通过铁心的磁通随时间变化时，根据电磁感应定心的磁通随时间变化时，根据电磁感应定律，铁心中将产生感应电动势，并引起环律，铁心中将产生感应电动势，并引起环流。这些
18、环流在铁心内部围绕磁通作旋涡流。这些环流在铁心内部围绕磁通作旋涡状流动称为涡流，涡流在铁心中引起的状流动称为涡流，涡流在铁心中引起的损耗，称为涡流损耗。损耗，称为涡流损耗。磁场储能 磁场是一种特殊形式的物质磁场是一种特殊形式的物质，磁场中能够储存能量，在磁场建立过程中，能量由外部能源转换而来。电机电机通过磁场储能来实现机、电能量转换通过磁场储能来实现机、电能量转换体积能量密度体积能量密度磁场能量主要存储在气隙中 电机的制造材料电机的制造材料 导电、导磁、绝缘、散热和机械支撑导电、导磁、绝缘、散热和机械支撑 铜是最通用的导电材料铜是最通用的导电材料 钢铁是良好的导磁材料为了减小铁芯中钢铁是良好的
19、导磁材料为了减小铁芯中的涡流损耗，导磁材料应当用薄片钢，的涡流损耗，导磁材料应当用薄片钢，称为电工钢片（硅钢片）。成分中称为电工钢片（硅钢片）。成分中含有含有少量的硅，使它有较高的电阻，同时又少量的硅，使它有较高的电阻，同时又有良好的磁性能有良好的磁性能。绝缘材料绝缘材料电路与磁路的类比U+-RIF+-Rm恒恒定定磁磁通通磁磁路路就就是是产产生生磁磁通通的的励励磁磁电电流流是是不不随随时时间间变变化化的的直直流流电电流流，其其产产生生的的磁磁通通势势、磁磁通通也也都都不不随随时时间间而而变变化化，有有时时也也称称为为直直流流磁磁路路。恒恒定定磁磁通通磁磁路路的的线线圈圈中中不不会会产产生生感感
20、应应电电动动势势。从从电电路路的的角角度度来来看看，当当线线圈圈两两端端加加直直流流电电压压时时，其其电电流流只只取取决决于于线线圈圈的的电电阻阻，与与磁磁路路的的性性质质无无关关。从从磁磁路路欧欧姆姆定定律律可可知知，磁磁路路的的磁磁通通势势也也是是恒恒定定的的，但但磁磁通通的的大大小小却却与与磁磁路路的的性性质质有有关关，它它随随磁磁阻阻的的增增加加而而减减小小，而而铁铁磁磁材材料料的的磁磁阻阻又又与与磁磁路路的的饱饱和程度有关。和程度有关。在在具具体体介介绍绍各各种种磁磁路路的的计计算算之之前前先先说说明以下几个共同的明以下几个共同的问题问题。1.铁铁芯材料磁特性的芯材料磁特性的选选取取
21、恒恒定定磁磁通通磁磁路路的的计计算算一一般般选选取取该该磁磁路路所所用用铁铁磁磁材材料料的的基基本本磁磁化化曲曲线线作作为为其其磁磁特特性性的的表表征征。通通常常，基基本本磁磁化化曲曲线线也也称称为为直流磁化曲直流磁化曲线线。2.磁路的磁路的长长度度在在进进行行磁磁路路计计算算时时，一一般般都都取取其其平平均均长长度（中心度（中心线长线长度）作度）作为为磁路的磁路的长长度。度。3.磁路的面磁路的面积积磁路中铁磁材料部分的截面积用磁路的磁路中铁磁材料部分的截面积用磁路的几何尺寸直接计算。但如果铁芯由涂有几何尺寸直接计算。但如果铁芯由涂有绝缘漆的薄钢片叠装而成时，这就使得绝缘漆的薄钢片叠装而成时，这就使得铁芯的有效截面积比其外表实际截面积铁芯的有效截面积比其外表实际截面积一小些，应考虑填充因数。一小些，应考虑填充因数。