第01章-电磁感应原理与磁路分析.ppt

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-,*,-,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,电机及拖动基础,1.1,电磁感应原理,1.2,导磁材料及其特性,1.3,磁路与磁路分析,1,引言,自,1831,年法拉第发现电磁感应定律的,100,多年来，各种类型的电机不断发明并广泛应用于我们生产和生活的方方面面，电磁感应原理奠定了电机的理论基础。本章将讨论电磁感应原理和磁路分析方法。,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,2,1.1,电磁感应原理,众所周知，电和磁是自然界的两种现象，近代通过物理学家的深入研究，发现了电和磁的一些基本规律以及它们之间的联系。本节将概要地介绍电磁感应的基本概念和定律，作为学习本课程的物理基础。,1.1.1,磁场,除了天然磁体会产生磁场外，人们发现在导体中通过电流时会在其周围产生磁场，还进一步发现了由电产生磁场的一些基本规律。,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,3,1.,磁场强度和方向,由载流导体产生的磁场大小可用磁场强度,H,来表示，磁力线的方向与电流的方向满足右手螺旋关系。如图,1-1,所示，假定在一根导体中通以电流,i,，则在导体周围空间的某一平面上产生的磁场强度,H,为,（,1-1,）,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,4,如果载流导体是匝数为,N,的线圈（如图,1-2,），则上式可表示为,（,1-2,）,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,5,2.,磁通密度,通常把穿过某一截面,S,的磁力线根数被称为磁感应强度，用磁通,来表示。在均匀磁场中，把单位面积内的磁通量称为磁通密度,B,，且有,（,1-3,）,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,6,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,1.1.2,电磁感应定律,1.,电磁感应定律,1831,年，法拉第通过实验发现了电磁学中最重要的规律,电磁感应定律，揭示了磁通与电动势之间存在如下关系：,1,）如果在闭合磁路中磁通随时间而变化，那么将在线圈中感应出电动势；,2,）感应电动势的大小与磁通的变化率成正比，即,（,1-4,）,法拉第电磁感应定律奠定了电机学的理论基础。,7,2.,导体在磁场中的感应电动势,电磁感应定律告诉我们，磁场的变化会产生感应电动势。如果磁场固定不变，而让导体在磁场中运动，这时相对于导体来说，磁场仍是变化的，因此根据法拉第定律，同样会在导体中产生感应电动势。这种导体在磁场中运动产生的感应电动势的大小由下式给出,（,1-5,）,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,8,3.,载流导体在磁场中的电磁力,如果在固定磁场中放置一个通有电流的导体，则会在载流导体上产生一个电磁力，又称,洛仑慈力,或,安培力,。如图,1-4,所示，载流导体受力的大小与导体在磁场中的位置有关。当导体与磁力线方向垂直时，所受的力最大，这时电磁力,F,与磁通密度,B,、导体长度,l,以及通电电流强度,i,成正比，即,（,1-6,）,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,9,当导体与磁力线平形时，,F,=0,，在其他位置，导体所受的力介于两者之间。电磁力的方向可由左手定则确定，图,1-5,给出了,F,、,B,与,i,三者之间的方向关系。,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,载流导体在磁场中产生电磁力的原理是电动机最重要的理论基础。,10,1.2,导磁材料及其特性,由电磁感应原理可知，通过磁场的作用可以产生电或力，因此各种电机的工作原理离不开磁场和磁性材料，磁性材料是构成各种电机的关键材料。人们发现自然界有的材料具有导磁的特性，称为,导磁材料,。而没有导磁特性的称为,非导磁材料,。,1.2.1,B,-,H,曲线,磁性材料的磁场强度,H,与磁通密度,B,存在一定的关系，其关系用图形表示称为,B,-,H,曲线，也称为,磁化曲线,，是表示磁性材料最基本的特性。,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,11,1.,真空磁导率,在真空中，磁场强度,H,与磁通密度,B,成正比关系，即,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,（,1-7,）,真空磁导率,0,4,10,-7,H/m,12,非导磁材料，比如铜、铝、橡胶和空气等，具有与真空相近的磁导率，因此在这些材料中，磁场强度,H,与磁通密度,B,的关系可用图,1-6,中的,B,-,H,曲线来表示。,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,13,2,导磁材料的磁导率,在导磁材料中，磁场强度,H,与磁通密度,B,的关系可表示为,（,1-8,）,其中，,r,为导磁材料的相对磁导率。由于,r,的值不是常数，因而,B,与,H,之间的关系不是线性关系。这样，式（,1-8,）并没有实用价值，而是用,B,-,H,曲线来表达它们之间的关系。,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,14,1.2.2,铁磁材料,为了提高材料的导磁能力，人们在寻求自然材料的同时，通过人工合成的办法获得各种高导磁材料。铁磁材料（包括铁、钴、镍以及它们的合金）具有比真空大数百倍到数千倍的磁导率，因此常作为电机的磁性材料。铁磁材料的主要特性如下：,1.,B,-,H,曲线的饱和非线性,由于铁磁材料的磁化特性是非线性的，通常用,B,-,H,曲线来表示。图,1-7a,给出了几种典型铁磁材料的,B,-,H,曲线，由此可见其特性分为两段：,1,）线性段。,如图,1-7b,中曲线,2,的,O,-,a,段，随着外磁场,H,的增加，磁通密度,B,成正比的增加。此时,B,-,H,曲线近似为直线，铁磁材料的磁导率基本不变，磁性材料工作在线性区；,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,15,2,）饱和非线性段。,如图,1-7b,中曲线,2,的,b,-,c,段，随着外磁场,H,的增加，磁通密度,B,增大缓慢甚至基本不再增大，这种现象称为,磁饱和,。,通常，电机设计时应使其磁路的铁磁材料工作在线性区。,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,16,2,磁滞特性及其损耗,以上讨论了铁磁材料的单向磁化过程，但是被磁化的铁磁材料在去除外磁场后仍然会保留一定的磁性，不能恢复到磁化前的初始状态。铁磁材料呈现的这种磁通密度,B,变化滞后于外磁场,H,的变化的现象被称为磁滞特性。如果铁磁材料处于周期性交变磁场中，其磁化特性如图,1-8,所示，,B,-,H,曲线呈现封闭性，称为,磁滞回线,。,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,17,对于同一种铁磁材料，选择不同的磁场,H,m,进行反复磁化，可测出一系列大小不同的磁滞回线，如图,1-9,所示。再将所有磁滞回线在第一象限的顶点连接起来，所形成的曲线称为基本磁化曲线或平均磁化曲线。基本磁化曲线可解决磁滞回线,B,-,H,的多值函数问题，在工程中得到广泛应用。,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,18,铁磁材料在交变磁场作用下反复磁化的过程中要消耗一定的能量，这种功率损耗称为磁滞损耗。假设有一铁磁材料制成的铁心，截面积为,S,，平均周长为,l,，在,N,匝线圈两端施加周期为,T,的交变电压,u,，线圈中通过的电流为,i,，在铁心中产生交变磁场,H,。这样，由电源供给线圈的瞬时功率为,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,（,1-9,）,（,1-10,）,V,=,S,l,铁心体积,19,由于现在,P,就是为了建立交变磁场所需的功率，那么其在一个周期时间,T,内的平均值也就是铁心的磁滞损耗，即有,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,（,1-11,）,式（,1-11,）说明，铁磁材料的磁滞损耗与磁滞回线的面积、电源频率,f,，以及铁心体积,V,成正比。由此，为了降低磁滞损耗应选用磁滞回线面积小的铁磁材料，并尽量减少铁心的体积。比如：硅钢片的磁滞回线面积小，且因磁导率高可减小铁心体积，常被选用作为电机和变压器的铁心材料。,20,3,涡流特性及其损耗,对于硅钢片一类具有导电性的铁磁材料还有一个重要特性，即在交变磁场的作用下，铁心中会出现涡流，并由此产生涡流损耗。,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,如图,1-10,所示，由于铁心是导电的，在交变磁通的作用下，根据电磁感应定律，铁心中将产生感应电动势，这个电动势作用在导体上，就引起电流。这些电流在铁心内部围绕磁通形成旋涡状流动，故称为,涡流,。涡流在铁心中要产生一定的能量损耗，称为,涡流损耗,。,21,现假设铁心中一片硅钢片的长度为,l,，厚度为,w,，高度为,h,，且有,h,w,，则硅钢片的体积为,V,=,lwh,。在频率为,f,的交变磁通,B,m,的作用下，由电磁感应定律，硅钢片中某一涡流回路的感应电动势为,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,（,1-12,）,电动势,比例系数,涡流回路与硅钢片厚度,w,对称轴之间的距离,22,如果忽略两短边的影响，该涡流回路的等效电阻为,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,（,1-13,）,硅钢片,电阻系数,涡流之间的距离,由电路中电功率的计算公式，该涡流回路中的功率损耗为,（,1-14,）,23,由此可得这一硅钢片中的涡流损耗为,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,（,1-15,）,上述分析表明，涡流损耗与磁场频率,f,、磁通密度,B,m,和硅钢片的厚度成正比；与铁心的电阻率成反比。因此，为了降低涡流损耗，电机和变压器的铁心通常采用含硅量较高的薄硅钢片（厚度为,0.350.5mm,）叠成。,24,1.2.3,永磁材料,由软磁材料制造的铁心需要由外部通电线圈的作用才能产生磁场，而硬磁材料由于其剩磁,B,r,大，可用来制成永久磁体，故又称为永磁材料。近年来，采用永磁材料制造的永磁电机得到广泛的应用。,永磁材料的磁性能常用,剩磁,B,r,，,矫顽力,H,c,，和,最大磁能面积,BH,max,等指标来衡量。一般来说，这三项指标越大，该永磁材料的磁性能就越好。此外还须考虑其工作温度、稳定性以及价格等因素。目前，永磁材料的种类繁多，常用的有以下,4,种：,（,1,）永磁铁氧体,用粉末冶金或粉末压制而成。其优点是矫顽力,H,c,大，抗去磁能力强，比重小，价格低，工作稳定；缺点是剩磁,B,r,不大，且易受温度影响。因此，不适用于温度变化大且温度稳定性要求高的场合。,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,25,（,2,）稀土钴,具有综合磁性能好、抗去磁能力强和温度稳定性高的特点，其允许工作温度可达,200250,C,；但缺点是价格高、不易加工，因而制造成本高。,（,3,）钕铁硼,于上世纪,80,年代后期合成的一种永磁材料。其磁性能优于稀土钴，且价格较低；不足之处是工作温度较低，约为,100,C,，使其应用范围受到一定限制。,（,4,）铝镍钴,有两种制造方法：一种是用浇铸法制成的铸造型铝镍钴，其优点是磁性能较高，稳定性好，价格较低；缺点是材料硬而脆，不宜加工。另一种是由粉末冶金（烧结）或粉末压制（粘结）制成的粉末型铝镍钴，其优点是可以直接成型，按所需的形状和尺寸制作，特别适应批量生产；缺点是磁性不及前者，且价格较高。,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,26,1.3,磁路与磁路分析,为简单起见，工程上常用磁路方法来描述和分析磁场及电磁关系。磁路的主要部分是由高导磁材料构成，使得磁通被限制在磁路内部，这就像电流被限制在电路中一样，可以用类似于电路分析方法来建立磁路分析方法。由于变压器和电机的铁心多是由高导磁材料构成的，因此磁路方法可用作分析变压器和电机的重要工具。,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,27,1.3.1,磁路与气隙磁场,1.,简单磁路,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,28,现定义一个新的变量磁动势,F,m,，则上式可写成,（,1-16,）,再由式（,1-3,）和式（,1-8,）可得,令为磁阻，可将上式表示为,由上式可见，,磁动势,F,m,、磁通,和磁阻,R,m,的关系与电路中的,电动势,E,、电流,i,和电阻,R,的关系相似（见图,1-11b,）。这样，可以用类似电路的等效磁路来分析和研究基本电磁关系。,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,（,1-17,）,（,1-18,）,29,2.,气隙磁场,假如在磁路中有一段气隙，如图,1-12,所示，只要气隙的长度,l,g,与相邻铁心表面的尺寸相比足够小，那么由通电线圈产生的磁通,仍主要分布在铁心和气隙中，这时磁路的磁动势,F,m,为,（,1-19,）,或写成,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,30,由于,B,=,/,S,c,，,B,g,=,/,S,g,，如果忽略气隙磁场的边缘效应，即,S,c,=,S,g,，上式变为,（,1-20,）,上式说明，磁路的磁动势,F,m,等于磁通,与铁心磁阻,R,mc,和气隙磁阻,R,mg,串联值的乘积，这与串联电路的分析相似。由于铁心的导磁率远远大于气隙的导磁率，即,0,，,R,mc,R,m,，因此，由磁动势,F,m,产生的磁通,或磁通强度,B,主要就取决于气隙的性质，即,（,1-21,）,由此可知，在电机学中气隙磁场将扮演重要的角色。我们今后分析研究的重点也主要放在气隙磁场上。,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,31,3.,主磁通与漏磁通,如果考虑线圈漏磁通，如图,1-13,所示，由通电线圈产生的总磁通分为全部通过铁心中的主磁通和通过周围的空气形成的漏磁通两部分，即有,（,1-22,）,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,漏磁阻,32,4,磁链和电感,在图,1-12,所示的磁路中，现引入一个新的参数,磁链,，来表示线圈中产生的总磁通，即有,（,1-25,）,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,这样，由式（,1-4,）表示的电磁感应定律可写成,（,1-26,）,再由式（,1-21,）和式（,1-25,），可得,（,1-27,）,33,上式说明，当磁路的线圈匝数,N,、气隙距离,l,g,和截面积,S,确定之后，磁路中产生的磁链,与线圈电流,i,成正比。由此，可以定义线圈的电感,L,为磁链,与电流,i,之比，即,（,1-28,）,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,在忽略铁心磁阻的条件下，式（,1-27,）成立，再由式（,1-28,）可得,（,1-29,）,这时，式（,1-26,）可写成,（,1-30,）,34,由此可见，图,1-12,所示的磁路也可表示成如图,1-14a,所示的电路形式，其中：电压,u,以电压下降为正方向，电动势,e,以电压上升为正方向。,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,35,按照电路理论，该电路的回路方程为,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,（,1-31,）,如果考虑线圈的漏磁通（见图,1-13,），由式（,1-22,）、式（,1-25,）和式（,1-28,）可得,即励磁线圈的电感由,磁化电感（,magnetizing inductance,）,或称,励磁电感,和绕组漏感两部分组成，如图,1-14b,所示。,（,1-32,）,36,1.3.2,线性磁路分析,1.,多绕组磁路,如图,1-15,所示，磁路有两组线圈,N,1,和,N,2,，分别通以电流,i,1,和,i,2,，两组线圈通过的磁通分别为,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,37,用磁链可表示为,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,（,1-35,）,（,1-36,）,在式（,1-35,）和（,1-36,）中，等式的前两项是由各自绕组电流感应的磁链，由此定义线圈绕组的自感为,（,1-37,）,（,1-38,）,38,而式（,1-37,）和式（,1-38,）的最后一项则是由另一绕组电流感应的磁链，将其定义为互感,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,（,1-39,）,（,1-40,）,比较两式，显然有,L,12,=,L,21,，即同一磁路中两个相互交链的绕组互感相等。并且互感与绕组的磁化电感有如下关系：,（,1-41,）,39,磁链方程组（,1-35,）和（,1-36,）可写成矩阵形式,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,（,1-45,）,40,上述结果可以推广到在多绕组线圈的磁路中：,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,（,1-45,）,41,2.,磁动势的合成,在如图,1-15,所示的两绕组磁路中，其励磁电流产生的磁链方向相同，因此所产生的总磁动势为两组绕组分别产生的磁动势之和，即,（,1-49,）,上述结果可以推广到多绕组线圈的磁路中，其总的磁动势,F,m,是每组线圈,N,1,，,N,2,，,N,n,产生的磁动势,F,m1,，,F,m2,，,F,mn,的合成。但必须注意，磁动势除了大小以外，还应考虑其方向，因此一般来说，磁动势的合成是一种矢量计算，即,（,1-50,）,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,42,3,等效电路分析方法,对于多绕组的磁路系统，由于存在多绕组的磁耦合问题，其电路结构就比较复杂。为了简化分析，需要引入等效电路的概念，采用等效折算的方法将其他线圈的变量和参数折合到一个参考线圈侧，以解决多绕组的磁耦合问题。,现仍以图,1-15,的两绕组线圈的磁路为例，将式（,1-45,）展开，写成,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,（,1-52,）,（,1-51,）,43,这里有两种选择，一种是选择（,N,2,/,N,1,）,i,2,作为电流分量，另一种是选择（,N,1,/,N,2,）,i,1,作为电流分量。如果选择前者，并假设有一个新的电流，其在绕组,1,所产生的磁动势与电流,i,2,在绕组,2,所产生的磁动势相等，即,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,根据能量守恒原则，该电流分量产生的电功率不变，即,再令,44,将上述新的变量关系式代入式（,1-51,）和式（,1-52,），并且由于两绕组的磁路相同，其磁化电感相等，即有,L,m1,=,L,m2,=,L,m,，由此可得,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,（,1-58,）,（,1-57,）,等效电感,45,这样，电压回路方程为,（,1-59,）,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,（,1-60,）,等效电阻,46,由电压方程（,1-59,）和式（,1-60,）可建立一个,T,形电路表示其关系，如图,1-16,所示，电路中带“,”的新变量和参数是为了便于分析计算从绕组,2,折算到绕组,1,边的等效变量。,同理，也可以将绕组,1,的所有变量和参数折算到绕组,2,侧进行等效分析。,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,47,上述分析表明，通过等效电路可以表示两个绕组磁路系统的电磁关系，上述结果可以推广到任意多个绕组的磁路分析。,因此，等效电路方法是分析电磁关系的重要工具，将在后续章节中经常用来分析电机。,4,复杂磁路分析,对于结构复杂的磁路，可以用类似于电路的分析方法，把工程应用中几何形状复杂的磁路分段处理，简化成若干个几何形状规则的简单磁路的组合。,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,例,1-1,48,1.3.3,非线性磁路分析*,前一小节详细论述了线性磁路理论与分析方法，这些理论方法是磁路稳态分析的重要工具。因为在电机的稳态分析中，为了简化起见，通常假设变压器和电机的磁路是线性的，由此采用线性磁路分析方法建立电机的理论模型、进行分析和计算。但是，由于磁饱和特性和磁滞特性，实际的变压器和电机的磁路是非线性的，特别是在电机的设计中往往使电机的额定工作状态处于浅的饱和区，以提高电磁装置的经济性。这样，由,B,-,H,曲线可知，由于磁通密度取决于励磁电流，使得描述电磁系统行为的微分方程的系数不再是常数，而是随线圈电流变化的变量。由此，非线性电磁系统动态过程的瞬时分析就比较困难。,随着计算机仿真技术的普及和应用，现在可以采用计算机进行非线性电磁系统的动态分析,4,。,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,49,由于前述的描述线性磁路的方程可以直接进行计算机模拟，并且这种模拟也是电机计算机仿真的基础，因此我们仍然先从线性耦合磁路着手，将式（,1-57,）和（,1-58,）写成,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,（,1-61,）,（,1-62,）,50,从式（,1-61,）和式（,1-62,）中求解电流，得,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,（,1-64,）,（,1-65,）,将式（,1-64,）和式（,1-65,）代入电压方程式（,1-59,）和（,1-60,），并求解磁链方程，可得,（,1-66,）,（,1-67,）,51,再将式（,1-64,）和式（,1-65,）代入式（,1-63,）得到,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,（,1-68,）,现在，通过推导得出以磁链,1,和,2,为状态变量的方程式（,1-66,）和式（,1-67,），可以用计算机求解出,1,和,2,，其中相互交链的磁链,m,可以由式（,1-68,）求出，励磁电流由式（,1-64,）和式（,1-65,）得到。,52,如果已知多线圈耦合磁路的磁化特性，就可以预先得知饱和非线性对耦合磁路的影响，并设置到计算机仿真计算中。耦合磁路的磁化曲线可以通过测试取得，在图,1-15,所示的磁路中，先将某一线圈输入端开路（比如选线圈,2,），在另一线圈（比如选线圈,1,）两端接一可调阻抗，使输入线圈的电压可以从,0,调到其额定电压的,150%,，由此可获得,m,随变化的曲线（如图,1-18,）。图中，斜线表示互感,L,m,与电流的关系。,由图中可得,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,（,1-70,）,图解方法,53,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,54,这样，只要用式（,1-70,）取代式（,1-63,），就能计及饱和非线性的影响。再将式（,1-64,）和式（,1-65,）代入式（,1-70,）消去电流，可得,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,（,1-71,）,现在可用包含了饱和非线性因素的式（,1-71,）取代式（,1-68,），通过计算机仿真进行非线性电磁系统的动态分析和计算。,55,小结,本章主要介绍了电磁感应现象、铁磁材料特性和磁路分析方法等内容，特别是电磁感应定律作为电机最重要基本原理之一，为学习以后各章奠定了理论基础。,希望通过本章的学习了解和掌握：,1,）电磁感应定律的物理意义。,2,）磁路的基本概念和分析方法。,3,）气隙磁场的形成和作用。,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,56,第,1,章电磁感应原理与磁路分析,例,1-1,57,

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