電器學_第三章

1、電器學電器學第三章第三章 電磁機構(gòu)理論電磁機構(gòu)理論電磁機構(gòu)：磁系統(tǒng)勵磁線圈磁系統(tǒng)：磁導(dǎo)體氣隙一、電磁鐵一、電磁鐵：n電磁鐵的定義：電磁鐵是指通電后，對鐵磁物質(zhì)產(chǎn)生吸力，將電能轉(zhuǎn)化為機械能的電器或電器部件。n電磁鐵的組成：由線圈、導(dǎo)磁體和反力彈簧組成。n電磁鐵的分類原則與類型：n1、按銜鐵運動方式分：直動式和轉(zhuǎn)動式；n2、按導(dǎo)磁體形狀分：U形、E形和螺管式；n3、按線圈電流種類分：直流和交流電磁鐵；n4 、線圈連接方式：并聯(lián)線圈和串聯(lián)線圈。第一節(jié) 電磁結(jié)構(gòu)的種類和特性n電磁鐵的工作原理：n線圈通電，導(dǎo)磁體被磁化，靜鐵心與銜鐵之間產(chǎn)生吸力。吸力如大于彈簧反力，銜鐵閉合，此時兩者之間有一很小氣隙；如

2、線圈斷電或吸力小于反力，則銜鐵釋放。n電器中電磁鐵的作用：單獨或作為電器的組成或部件n1）可遠距離及自動控制電動機（接觸器）； n2）作感應(yīng)元件；n3）作分勵脫扣器和合閘電磁鐵； n4）作為獨立電器，如牽引電磁鐵、制動電磁鐵、起重電磁鐵、電磁吸盤和電磁離合器等。n磁路：由磁通、磁場強度H、磁感應(yīng)強度B、磁壓降Um反映。n電磁系統(tǒng)的計算：是系統(tǒng)中磁場的計算，是三維場，常用有限差分法、有限元法，以及ANSYS等軟件計算，可參閱上述參考資料。二、電磁系統(tǒng)的吸力：二、電磁系統(tǒng)的吸力：n(靜態(tài))吸力特性nFf() 或者 Mf(a)n此時是假定銜鐵運動無限緩慢得到的特性n動態(tài)吸力特性n考慮運動過程的時間軸

3、三、機械特性/反力特性n銜鐵運動時所克服的機械負載的阻力Frn本質(zhì)：負載特性n與吸力特性的統(tǒng)一n銜鐵的吸合：電磁吸力為主n釋放和復(fù)合：反作用力為主四、時間特性：n電磁系統(tǒng)的工作循環(huán)包括“動作過程”和“循環(huán)過程”兩個重復(fù)的過程。n“時間特性”的定義：指在動作過程與釋放過程中，動作時間td和釋放時間ts與銜鐵行程的關(guān)系。n（1）動作過程：由觸動階段tc和吸合運動tx階段組成。前者的銜鐵是靜止不動的，其時間是指自電磁系統(tǒng)的線圈接上電源起到銜鐵開始運動間的時間，用tc表示；而后者的銜鐵吸合，動作時間用tx表示，動作時間td = tc+tx 。n（2）釋放過程：分為開始釋放時間tk和返回運動時間tf兩段

4、，釋放時間ts =tk+tf。第二節(jié) 磁性材料及其基本特性n磁疇n鐵磁物質(zhì)內(nèi)部磁場范圍的相對獨立的天然磁化區(qū)n排列雜亂以致總體對外呈無磁性n外界磁場作用下形成一致對外磁性否則無磁性n可磁化至飽和狀態(tài)n各向異性：n磁化的方向性n居里點n臨界溫度值n磁性材料在此溫度或以上，磁疇消失，變?yōu)轫槾挪牧?）磁化曲線和磁滯回線磁化曲線與磁滯回線3）鐵損和損耗曲線n鐵損n因磁滯和渦流現(xiàn)象導(dǎo)致的功率損耗n正比于：磁通密度的平方n正比于：磁通交變頻率的1.21.3次方（磁滯回線變寬）n損耗曲線n圖38n鐵損與磁感應(yīng)強度和頻率的函數(shù)n實驗曲線4） (鐵)磁性材料n軟磁材料n矯頑力小，小到百分之幾A/mn磁滯回線較窄

5、n磁導(dǎo)率不高，剩磁也不大磁滯現(xiàn)象不明顯n硬磁材料n矯頑力大，達數(shù)十萬A/mn磁滯回線較寬n最大磁能積（BH ）大n可制作永磁鐵n經(jīng)適當充磁后，能長久保持較強的磁性n軟磁材料種類n電工純鐵n硅鋼n高磁導(dǎo)率合金n高頻軟磁材料n非晶態(tài)軟磁合金n硬磁材料特點n磁滯回線寬n磁能積BH較大n常用于永久磁鐵充磁后磁性能維持較長時間n常用種類n鑄造鋁鎳鈷系n粉末燒結(jié)鋁鎳鈷系n鋇、鍶、鐵的氧化物n燒結(jié)的鐵氧體材料n稀土鈷系材料：稀土鈷族元素鈷n稀土永磁材料：銨鐵硼第三節(jié) 電磁機構(gòu)中的磁場及其路化n一.磁場的基本物理量n磁場是一種特殊的物質(zhì)n磁場是電流所建立的一種空間n電流之間相互作用力的中介n磁場對電流的作用力

6、微觀上，是對運動電荷的作用力洛侖茲力B/H BqvF AdAB磁場中洛倫磁力作用第三節(jié) 電磁機構(gòu)中的磁場及其路化二.磁場的基本性質(zhì)QPUdlH IdlH 0dAB vA磁通連續(xù)性定理第三節(jié) 電磁機構(gòu)中的磁場及其路化三.磁場的路化磁力線是一條閉合曲線;磁通管;磁路：指磁通或磁力線經(jīng)過的閉合回路。第四節(jié) 磁路的基本定律和計算任務(wù)磁路基本定律由磁場基本定律磁通連續(xù)性定理和安培環(huán)路定律導(dǎo)出利用電路分析方法，將相當于i，將磁通管看作載流導(dǎo)體。一.磁路的基本定律基爾霍夫第一定律：在磁路中取某閉合曲面為一點，則流入及流出該點的磁通代數(shù)和恒等于零。0基爾霍夫第二定律：在磁路中，回路的磁動勢等于同回路交鏈的全部

7、電流。INHlAlBAHlURMM二.磁路的參數(shù)與等效磁路1MR拍合式電磁系統(tǒng)及其等效磁路第四節(jié) 磁路的基本定律和計算任務(wù)三.磁路相對電路而言的不同點（即特點）：1、磁導(dǎo)體的相對磁導(dǎo)率r是磁感應(yīng)強度B（即）的函數(shù)，不是常數(shù)；2、存在漏磁通；3、主磁通和漏磁通不會產(chǎn)生焦耳熱損耗；（電路電流在電阻上產(chǎn)生焦耳熱）4、與磁導(dǎo)體外部的磁通管相關(guān)的磁路參數(shù)需由磁場的基本性質(zhì)和基本定律確定；5、它是分布參數(shù)性質(zhì)的路。四.磁路的計算的任務(wù)設(shè)計任務(wù)也稱正求任務(wù)，是建立已知磁通所需的磁動勢。驗算任務(wù)也稱反求任務(wù)，就是在已知電磁機構(gòu)幾何參數(shù)和電磁參數(shù)（主要是磁動勢）的條件下，求該磁動勢能夠產(chǎn)生的磁通。一般借助于電子

8、計算機來進行計算機輔助設(shè)計。第五節(jié) 氣隙磁導(dǎo)和磁導(dǎo)體磁阻的計算工作氣隙和非工作氣隙（防剩磁氣隙或非磁性墊片）。計算氣隙磁導(dǎo)的必要性：當氣隙較大且磁路不飽和時，工作氣隙的磁阻R比導(dǎo)磁體的磁阻大得多，故磁路的磁通勢大多消耗在工作氣隙上。因此，的計算結(jié)果直接影響磁路計算的結(jié)果。計算氣隙磁導(dǎo)的方法：有解析法、分隔磁場法、圖解法、經(jīng)驗公式法。lAAlBAHlURMM1第五節(jié) 氣隙磁導(dǎo)和磁導(dǎo)體磁阻的計算一.解析法求氣隙磁導(dǎo)當磁力線和等磁位線分布能用數(shù)學方程式描述，氣隙磁導(dǎo)可用解析法計算。其求解原理：是按照磁路歐姆定律求氣隙磁導(dǎo)的方法。1、磁極極面都是平面且平行：(1) 相互平行的矩形磁極式中 a：磁極長度

9、（m）； b：磁極寬度（m）； ：磁極間氣隙長度（m）； 0：真空磁導(dǎo)率， 0=410-7H/m。對矩形極靴，當/a或/b0.2時，則可用下式計算： 上式中增加了 項，是考慮了邊緣磁通而增加的修正系數(shù)。0.307ablA00307. 0307. 00ba(2) 相互平行的圓形導(dǎo)體：若/d0.4時，則用下式計算：式中 : d 直徑； r 半徑。若/d0.2時，則用下式計算：上式中增加 項，同樣是考慮了邊緣磁通而增加的系數(shù)。20204rddd58. 04*20d58. 02 端面不平行的矩形磁極的氣隙：式中，dx（R1，R2），=/r，即=r ，所以積分后，得：bdrd021021RRRRbdrd

10、12ln021021RRbrbdrdRRRR3、磁極極面不都是平面但平行的磁極：二平行圓柱體的半徑為r1、r2，中心距y，長l。 式中： l為導(dǎo)體的長度。1ln220kkl21222122 rrrrdk一圓柱體和一與之平行的平板：按著鏡像法，將下面距離代入2x當x4R時，Rdl2ln201ln220kkl21222122 rrrrdk第五節(jié) 氣隙磁導(dǎo)和磁導(dǎo)體磁阻的計算可查表得到計算公式：例:22012RrR第五節(jié) 氣隙磁導(dǎo)和磁導(dǎo)體磁阻的計算二、分隔磁場法 :1、分析對象：氣隙較大、邊緣磁通不能忽略的情況；2、分隔磁場法的原理：是把包括邊緣磁通在內(nèi)的全部氣隙磁通，按其可能的路徑分割成若干個有簡單

11、幾何形狀的磁通管。先分別計算每個磁通管的磁導(dǎo)，再將并聯(lián)的磁通管磁導(dǎo)相加，結(jié)果即為所求的磁導(dǎo)。（1）每一個磁通管的磁導(dǎo)，可由其平均截面積和平均長度之比決定，即式中 Sav磁通管的平均截面積（m2） av磁通管的平均長度（m）； V磁通管的體積（m3）。（2）各并聯(lián)磁通管磁導(dǎo)之和，即為氣隙磁導(dǎo)，其計算式為：式中 n磁通管的數(shù)目。avavS020avVnii1第五節(jié) 氣隙磁導(dǎo)和磁導(dǎo)體磁阻的計算例：一個邊長為a的正方形磁極對一個平行的無限大平面之間的氣隙磁場如圖所示，一個邊長為a的正方形磁極對一個平行的無限大平面之間的氣隙磁場，可以分割為一個正方形1、四個1/4圓柱體2、四個1/4空心圓柱體3、四個1

12、/8球體4和四個1/8空心球體等磁通管，先分別計算各磁通管的磁導(dǎo)：01133572 () 4 () 三.磁導(dǎo)體的磁阻和磁阻抗第五節(jié) 氣隙磁導(dǎo)和磁導(dǎo)體磁阻的計算222.2,2MMMMMMmMmmMmmFeMmMMMlHlRABSXZRjXUHlZUPXRZX直流勵磁：在穩(wěn)定階段，磁導(dǎo)體內(nèi)無功率損耗，只計其磁阻。交流勵磁時，磁導(dǎo)體內(nèi)有鐵損，使得磁壓降與磁通之間有相位差。還有磁抗所以其磁阻抗為磁壓降和磁通的幅值。磁導(dǎo)體的磁抗可由下式計算：第六節(jié) 磁路的微分方程及其解一.磁路的微分方程yy220/ 222()/(2 )yyyyyyyyyyyyyyyyddddUdddyUUUH dyfddUfHdffI

13、Nldddy +dy （3-29） 根據(jù)安培環(huán)路定律，有 單位線圈長度上的磁動勢，。 222y2 ()2-2 ()yyyyyyyyyUfHdd BABfB Adyd ，其中 磁導(dǎo)體段的磁導(dǎo)率第六節(jié) 磁路的微分方程及其解二.不計鐵心磁阻時的計算y可以認為y1y1y2y2y22y00,=02 3 333-1822yylfdfyCUCfyyfClIN y dU 其解為 U 當時，故積分常數(shù)。因此 U（） 故磁動勢沿鐵心柱（線圈）高度作線性分布（圖） （3-29）和（3-33）解之得 在處，222222y2,=2f /(2 )2 ()()223-18flllllylyflINll 故積分常數(shù) C因此，

14、磁通值 因此，磁通是以拋物線形式沿鐵心柱高度方向分布（圖）第七節(jié) 不計漏磁時的磁路計算一.正求任務(wù)已知求IN。m1niiiH lj = 1jI N =計算例題計算例題如圖所示直流磁路，鐵心由鑄鋼制成，各段平均長度和鐵心截面積為：如圖所示直流磁路，鐵心由鑄鋼制成，各段平均長度和鐵心截面積為：L L1 1=L=L3 3=200X10=200X10-3-3m m， L L2 2=L=L4 4=300 X 10=300 X 10-3 -3 m m； S S1 1= 400 X 10= 400 X 10-6-6 m m2 2， S S2 2=S=S4 4= = 200 X 10200 X 10-6-6

15、m m2 2， S S3 3= 600 X 10= 600 X 10-6-6 m m2 2， = = 2 2X 10X 10-3 -3 m m； 欲使磁路主磁通為欲使磁路主磁通為2. 4 X102. 4 X10-4-4 wb wb，求線圈磁動勢求線圈磁動勢例例 鐵心由鑄鋼和空氣隙構(gòu)成，截面積鐵心由鑄鋼和空氣隙構(gòu)成，截面積AFe=0.0009m2，磁路平均長度磁路平均長度lFe=0.3m，氣隙長度，氣隙長度=510-4m，求該磁路獲得求該磁路獲得磁通量磁通量=0.0009Wb時所需的勵磁磁動勢。時所需的勵磁磁動勢。解解：鐵心內(nèi)磁通密度為：鐵心內(nèi)磁通密度為T1T0009. 00009. 0FeFe

16、AB從鑄鋼磁化曲線查得：與從鑄鋼磁化曲線查得：與BFe對應(yīng)的對應(yīng)的HFe=9102A/m空氣隙中：空氣隙中：A385A1051077A/m1077A/m104967. 0T967. 0T1005. 30009. 0447042lHBHAB鐵心段的磁位降：鐵心段的磁位降：A270A3 . 01092FeFelH所以，勵磁磁勢為所以，勵磁磁勢為 F=HFelFe+Hl=655A第七節(jié) 不計漏磁時的磁路計算二.反求任務(wù)。，利用試探法來求得偏大，則重新假定，若然后用正求方法來求解先設(shè)INININ1第八節(jié) 計及漏磁時的磁路計算宜采用工程計算方法：分段法和漏磁系數(shù)法一.歸算漏磁導(dǎo)對于直流或串勵交流磁路，磁

17、動勢為恒值;對于交流（并勵）磁路，磁鏈是恒值。歸算漏磁導(dǎo): 在等效磁路中，將漏磁通集中在工作氣隙處，形成歸算漏磁導(dǎo)。，考慮鐵心磁阻時，取磁導(dǎo)。表示恒磁鏈時的歸算漏?？紤]鐵心磁阻時，取磁導(dǎo)表示恒磁勢時的歸算漏9233,2;llll第八節(jié) 計及漏磁時的磁路計算二.分段法計算磁路是一種同時考慮漏磁通和鐵心磁阻時的磁路近似計算方法。特點是將分布的磁動勢和漏磁通集中于有限個小段上。555/MMMRHl其中第八節(jié) 計及漏磁時的磁路計算三.漏磁系數(shù)法計算磁路電磁機構(gòu)鐵心各處的磁通與氣隙磁通之間的關(guān)系可通過一比例系數(shù)來表示漏磁系數(shù)法。yy若不計鐵心磁阻，漏磁系數(shù)為lyly2122/AyBHHlINHl y可由

18、第十節(jié) 電磁機構(gòu)的吸力計算能量公式和麥克斯韋電磁力計算公式一.能量公式（大氣隙）能量關(guān)系原有：A1A2輸入： A3A4最后的磁能： A1A3做功： A2A4由于從能量角度推出各公式，謂之“能量公式” ： 366和366a第十節(jié) 電磁機構(gòu)的吸力計算21()2dFINd 2NN ININ 2()LNLI211()22ddFURdd INUR能量公式和麥克斯韋電磁力計算公式一.能量公式（大氣隙）近似處理：磁鏈與勵磁電流成線性關(guān)系第十節(jié) 電磁機構(gòu)的吸力計算能量公式和麥克斯韋電磁力計算公式一.能量公式（大氣隙）二.麥克斯韋計算公式（小氣隙）2221() (366)211() (366 )22dFINdd

19、dFURadd 考慮鐵心磁阻上的磁壓降，AF022第十一節(jié) 交流電磁吸力一一 交流電磁吸力的特點交流電磁吸力的特點20202220004cos24cos2(1 cos2)444mmmmmFFFFAFtAFttAAA恒定分量 交變分量吸力在一個周期內(nèi)有兩次將可能小于反力，此時出現(xiàn)了兩次振動產(chǎn)生噪音。 二二 分磁環(huán)的作用分磁環(huán)的作用短路環(huán)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電短路環(huán)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流，感應(yīng)電流又產(chǎn)生通過短路環(huán)流，感應(yīng)電流又產(chǎn)生通過短路環(huán)的磁通，的磁通，12和 出現(xiàn)相位差，它們產(chǎn)生的電磁力也有相位差，使得吸力不同時到零,減小了振動。第十一節(jié) 交流電磁吸力產(chǎn)生的吸力疊加后，使最小吸力大于反力，從

20、而消除振動。fFFmin第十一節(jié) 交流電磁吸力n三相磁通分別存在120的相角n合力：n顯然，合力大小不隨時間而變n合力作用點以2倍工頻在兩線圈中心線上M、N兩點間周期性地往返n三相電磁機構(gòu)的電磁力由于合力不會同時到零，所以不必設(shè)置分磁環(huán)。sinsin(120 )sin(120 )AmBmCmttt 32mABCFFFFF三、三相電磁機構(gòu)的電磁吸力第十二節(jié)靜特性及其與機械反力特性的配合靜特性主要考慮的幾種形式的電磁鐵：1.U型、E型;2.直動式、轉(zhuǎn)動式;3.螺管力作用的電磁鐵。靜特性與機械反力特性的配合：第十三節(jié) 電磁機構(gòu)的動態(tài)特性動態(tài)特性描述：僅分析直流電磁機構(gòu)的動態(tài)特性電磁系統(tǒng)的工作循環(huán)包括

21、“動作過程”和“循環(huán)過程”兩個重復(fù)的過程?！皶r間特性”的定義：指在動作過程與釋放過程中，動作時間td和釋放時間tf與銜鐵行程的關(guān)系，如圖所示。（1）動作過程動作過程：由觸動階段tc和吸合運動tx階段組成。前者的銜鐵是靜止不動的，其時間是指自電磁系統(tǒng)的線圈接上電源起到銜鐵開始運動間的時間，用tc表示；而后者的銜鐵吸合，動作時間用tx表示，動作時間td = tc+tx 。（2）釋放過程釋放過程：分為開始釋放時間tk和返回運動時間tf兩段，釋放時間ts =tk+tf。第十三節(jié) 電磁機構(gòu)的動態(tài)特性.運動過程狀態(tài)方程運動過程狀態(tài)方程 在鐵心運動過程中，除了電磁參數(shù)發(fā)生變化外，其機械參數(shù)也發(fā)生變化。因此在

22、分析它的動態(tài)過程時，在電路方面必須遵循克希霍夫方程，在運動方面必須遵循達朗貝爾方程，在磁場方面必須遵循麥克斯韋方程，它們相互聯(lián)系，共同描述了運動過程的微分方程組（此方程組包含了觸動階段和運動階段） dttdtRiu)()(22( )( )d xFtFtmdt吸反212LiWmLi本章小結(jié)n最簡單的氣隙的磁導(dǎo)的計算公式：n試述磁路的基本定律。n磁路計算的復(fù)雜性表現(xiàn)在哪里？n銜鐵被吸合以后還有漏磁通嗎？n無分支磁路不計漏磁時的磁路計算：n復(fù)雜磁路的計算：分段法、漏磁系數(shù)法（了解）ablA00m1niiiH lj = 1jI N =n分磁環(huán)的概念、作用：（ 三相電磁機構(gòu)的電磁力不必設(shè)置分磁環(huán)）n分別描述電磁機構(gòu)在電流恒定、磁鏈恒定、電流和磁鏈不恒定狀況下的能量平衡關(guān)系 P98n一.能量公式（大氣隙）（不考慮漏磁通和鐵心磁阻）n二.麥克斯韋計算公式（小氣隙）n轉(zhuǎn)動式U型電磁機構(gòu)和直動式U型電磁結(jié)構(gòu)在恒磁勢和恒磁鏈條件下電磁吸力的關(guān)系？21() 2dFINd 吸n為了消除交流電磁系統(tǒng)中的交流聲，在磁系統(tǒng)的磁極上應(yīng)采用什么措施？ 。A. 采用E型電磁鐵;B. 加裝阻尼套筒;C. 留有一定間隙的氣隙;D. 加裝分磁環(huán)。n交流電磁機構(gòu)的設(shè)計中，為了消除銜鐵可能產(chǎn)生的有害的振動，為克服此缺點，常常采用在磁極表