緒論及第一章磁路

電機學

孫克軍主編

緒論0.1電機在國民經(jīng)濟中的作用

電能在國民經(jīng)濟中占有非常重要的作用，可以說，在現(xiàn)社會沒有電能，各行各業(yè)就處于癱瘓狀態(tài)。而電機是生產(chǎn)、傳輸、分配、和應用電能的主要設備。1）電能的生產(chǎn)：各種發(fā)電廠均離不開發(fā)電機，如：水力發(fā)電，火力發(fā)電，核能發(fā)電，風力發(fā)電等。2）電能的傳輸、分配：為了將發(fā)出的電能輸送到用電中心，就必須要用電變壓器進行升壓，同時完成電腦的分配，到達用電中心后，必須要降壓才能使用。3）在應用方面;

●在廠礦（機械、冶金、煤炭、化工、石油等）廣泛使用電動機作為各種（機床、吊車、運料、風機、水泵、紡織、造紙）動力設備，一個現(xiàn)河北科技大學電氣工程學院

代化工廠需要上萬臺電機，若沒有這些電機，單靠人力作為動力將是一事無成的。

●在農(nóng)業(yè)方面，排灌、脫粒、粉碎、農(nóng)業(yè)機械等都離不開電機。●在軍事方面：雷達、戰(zhàn)車、航天、軍艦、導彈也需要大量的電機和檢測元件、執(zhí)行元件等。

●在文教、醫(yī)療方面：多媒體、文藝演出、體育、x射線機、各種醫(yī)療設備也離不開電機。

●在人們生活中：冰箱、風扇、洗衣機、電腦、錄音機等也離不開電機。

可見沒有電機，就沒有電能；沒有電能，社會就沒有發(fā)展。河北科技大學電氣工程學院02、電機的定義及分類1）定義：是指依據(jù)電磁感應定律實現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置。2）分類：

按運動方式分類 靜止電機-----------------變壓器電機 直流電機 旋轉(zhuǎn)電機交流電機異步電機同步電機｛｛｛｛發(fā)電機電動機發(fā)電機電動機發(fā)電機電動機｛｛河北科技大學電氣工程學院03電機學的性質(zhì)及學習方法（1）性質(zhì)：專業(yè)基礎課（2）本門課學習方法：電機學中既有理論問題，又有實際問題，既有分析又有計算，既有電路問題，又有磁路問題，而且類型較多，因此既要注意他們之間的共性問題，找到他們之間的內(nèi)在聯(lián)系，又要注意個性問題。

1）分析和研究電機的一般步驟

●分析電機在空載和負載時內(nèi)部的物理變化情況?！窳谐鲭妱觿?、磁動勢、功率和轉(zhuǎn)矩平衡方程式?！袂蠼饣痉匠?，進而分析各種運行性能。河北科技大學電氣工程學院2）分析和研究電機內(nèi)部磁場和基本方程的一般方法

●不計飽和時，采用疊加原理對磁動勢、磁場、電動勢進行分析；考慮飽和時，對磁動勢、磁場、電動勢的分析則應分開計算?！裼玫刃щ娐穪肀硎倦姍C時，需采用歸算法（對變壓器需進行繞組歸算，對電機需進行繞組歸算和頻率歸算）?！駥涣麟姍C分析時，常采用等效電路和相量圖?！穹治鼋涣麟姍C不對稱運行時，常采用雙旋轉(zhuǎn)磁場理論和對稱分量法。●分析凸極電機時，常采用雙反應理論。河北科技大學電氣工程學院第一章磁路§1.1磁路的基本知識一、磁場

1、磁場和磁力線

兩個互不接觸的磁體靠近時，在它們之間會發(fā)生吸引或排斥，這種作用力存在的空間稱為磁場。磁場可用磁力線來表示，如右圖。磁力線特點如下：在磁體外部總是由N極指向S極，而在內(nèi)部則相反。磁力線上任意一點的方向就是小磁針N極的方向。磁力線疏密的程度反映了磁場的強弱。河北科技大學電氣工程學院磁鐵的N極與S極總是成對出現(xiàn)。磁力線均勻分布且相互平行的區(qū)域稱為勻強磁場，反之稱為非勻強磁場。如右圖。2、通電直導線產(chǎn)生的磁場

電流與磁場的方向可用右手螺旋定則來判斷。如右圖。3、通電螺旋管產(chǎn)生的磁場

電流與磁場的方向可用右手螺旋定則來判斷。如右圖。河北科技大學電氣工程學院二、磁路常用的物理量

1、磁通

通過與磁場方向垂直的某一面積的磁力線的總數(shù)稱為磁通量，簡稱磁通。用Φ表示，單位Wb。

2、磁路

磁力線所經(jīng)過的路徑稱為磁路。

●

主磁路-----對我們有用的磁力線所經(jīng)過的回路稱～?！衤┐怕?----對我們無用的磁力線所經(jīng)過的回路稱～。

3、磁感應強度又稱磁通密度，是用來表示磁場中各點強弱和方向的物理量，用B表示，單位：T。

在勻強磁場中：

河北科技大學電氣工程學院4、磁導率

磁場中磁感應強度B的大小不但與電流的大小與線圈的形狀有關，還與磁場中的介質(zhì)的性質(zhì)有關，磁導率就是用來描述介質(zhì)導磁性能的物理量，用μ表示，單位：H/m。真空中的磁導率為一個常數(shù)，用μ0表示，μ0=4π×10-7H/m.一般把某一介質(zhì)的磁導率用相對磁導率μr來表示，即該介質(zhì)的磁導率μ與真空中的磁導率μ0的比值。5、磁場強度磁感應強度的大小與介質(zhì)的性質(zhì)有關，這就是磁場的計算變得復雜，為此引入了磁場強度這一物理量。它只與電流的大小和通電導體的形狀有關。

河北科技大學電氣工程學院§1.2常用鐵磁材料及其特性

1.2.1鐵磁物質(zhì)的磁化曲線（1）鐵磁物質(zhì)的磁化

在外磁場的作用下，磁疇順著外磁場方向轉(zhuǎn)向，排列整齊，顯示出磁性。河北科技大學電氣工程學院(2)初始磁化曲線

將一塊未磁化的鐵磁材料進行磁化，當磁場強度H由零逐漸增加時，磁通密度B將隨之增加。用B=f(H)描述的曲線就稱為初始磁化曲線。河北科技大學電氣工程學院可分為四段：1）起始段：oa段：2）線性段：ab段：3）飽和段：bc段：4）高度飽和段：cd段：磁化曲線的拐點（b點）稱為“膝點”(3)磁滯回線剩磁——當H從零增加到Hm時，B相應地從零增加到Bm；然后再逐漸減小H，B值將沿曲線ab下降。當H=0時，B值并不等于零，而是Br。這就是剩磁。磁滯回線——當H在Hm和-Hm之間反復變化時，呈現(xiàn)磁滯現(xiàn)象的B-H閉合曲線，稱為磁滯回線。河北科技大學電氣工程學院(4)基本磁化曲線

對同一鐵磁材料，選擇不同的Hm反復磁化，得到不同的磁滯回線。將各條回線的頂點連接起來，所得曲線稱為基本磁化曲線。河北科技大學電氣工程學院1.2.2鐵磁材料的損耗主要包括磁滯損耗和渦流損耗（1）磁滯損耗

鐵磁材料被交流磁場反復磁化，磁疇相互摩擦而消耗的能量。河北科技大學電氣工程學院（2）渦流損耗鐵心內(nèi)部由于渦流在鐵心電阻上產(chǎn)生的熱能損耗。（3）鐵心損耗——磁滯損耗和渦流損耗之和。河北科技大學電氣工程學院1.2.3鐵磁材料的分類（1）軟磁材料適用于制造變壓器，電機，電器等。如：鑄鋼，硅鋼片，坡莫合金（2）硬磁材料適用于制造永久磁鐵如：鎳鈷合金，鐵氧體，鎢鋼，釹鐵硼等。河北科技大學電氣工程學院§1.3磁路的基本定律1.3.1、全電流定律（安培環(huán)路定律）

沿任何一條閉合回線L，磁場強度H的線積分等于該閉合回線所包圍的電流的代數(shù)和

如果在均勻磁場中，沿著回線L

磁場強度H處處相等，則1.3.2

磁路的歐姆定律

作用在磁路上的磁動勢F等于磁路內(nèi)的磁通量Φ乘以磁阻

Rm河北科技大學電氣信息學院證明如下：

磁通量Φ等于磁通密度乘以面積

，即磁場強度等于磁通密度除以磁導率

于是河北科技大學電氣工程學院1.3.3

磁路的基爾霍夫第一定律（電流定律）根據(jù)磁通的連續(xù)性可得：或河北科技大學電氣工程學院1.3.4磁路的基爾霍夫第二定律（電壓定律）河北科技大學電氣工程學院1.3.5電磁感應定律（1）電磁感應現(xiàn)象大家知道，導體通電時能產(chǎn)生磁場，這就是電流的磁效應。相反導體在磁場中運動而切割磁力線時，也會產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象就成為電磁感應。（2）直導體的感應電動勢1）感應電動勢的大小當直導體在勻強磁場中垂直切割磁力線時：

當直導體在勻強磁場中成某一角度切割磁力線時：如右圖：河北科技大學電氣工程學院2）感應電動勢的方向

可用右手定則判定，如右圖。（3）線圈中的感應電動勢當一個線圈放在磁場中，無論什么原因，只要二者發(fā)生相對變化，在線圈中就會產(chǎn)生感應電動勢。1）大小2）方向若電動勢的參考方向與磁通的方向符合右手螺旋定則，則上式為：

河北科技大學電氣工程學院1.3.6電磁力定律（1）電磁力定律將一通電導體放在均勻磁場中，該導體就會產(chǎn)生力。1）大小導體與磁場垂直時：導體與磁場有夾角時：2）方向用左手定則判定河北科技大學電氣工程學院§1.4磁路的計算1.4.1磁路計算的方法步驟（1）磁路計算正問題——給定磁通量Φ和尺寸，計算所需的勵磁磁動勢F。（2）磁路計算逆問題——給定勵磁磁勢F和尺寸，計算磁路內(nèi)的磁通量Φ。磁路計算正問題的步驟：1）將磁路按材料性質(zhì)和不同截面尺寸分段；2）計算各段磁路的有效截面積Ak和平均長度lk；3）計算各段磁路的平均磁通密度Bk

，Bk=Φk/Ak；4）根據(jù)Bk求出對應的Hk；5）計算各段磁位降Hklk，6）求出

F=∑Hklk。7）根據(jù)F=NI，若N已知，即可求出勵磁電流I。磁路計算逆問題——因為磁路為非線性的，用試探法。河北科技大學電氣工程學院1.4.2磁路計算實例[例1-4]鐵心由硅鋼片和空氣隙構(gòu)成，鐵芯材料為DR530，鐵芯寬度a=0.02m，厚度b=0.03m，磁路平均長度lFe=0.4m，氣隙長度δ=0.0005m，線圈匝數(shù)N=400匝，試求產(chǎn)生磁通Φ=6.6×10-4Wb時所需的勵磁磁動勢F和勵磁電流I。河北科技大學電氣工程學院解：（1）將磁路分成鐵芯和氣隙兩部分（2）計算各段磁路的截面積鐵芯部分：AFe=a×b=6×10-4m2

氣隙部分：Aδ=（a+δ）×（b+δ）=6.2525×10-4m2（3）計算各段的磁密：

鐵心內(nèi)磁通密度為