船舶电气设备及系统大连海事大学电与磁.ppt

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1、第1章 电与磁,1.1 磁场的基本概念与基本物理量1.2 磁路及其基本定律1.3 电流在磁场中的力效应1.4 电磁感应,磁场的基本物理量和磁路的基本定律是学习船舶的基础，在了解磁感应强度、磁场强度、磁通等概念的基础上，进一步了解铁磁材料的高导磁性、磁饱和性和磁滞性及其应用。,本章重点,磁场,1.1 磁场的基本概念与基本物理量,1.1.1 磁场的基本概念,电流的磁效应,磁力线,磁通,1.1.2 磁场的基本物理量,-国际制单位制(SI):伏.秒，称韦伯(Wb),1 Wb=108Mx,-电磁单位制:麦克斯韦(Mx),磁通是一个矢量，其方向与该处的磁场方向一致。,磁通的定义是磁感应强度（假设磁场为均匀

2、磁场）与垂直于磁场方向的面积的乘积，磁通是穿过某一截面S的磁力线总数。,与磁场方向相垂直的单位面积上通过的磁通（磁力线）,磁感应强度,I 单位：安培(A),F 单位：牛顿(N),l 单位：米(m),B-国际制单位制(SI):Wb/m2，称为特斯拉(T)B-电磁单位制:高斯(Gs)1T=104Gs,磁感应强度表示磁场内某点磁场强弱及方向的物理量为一矢量，若磁场内各点B大小相等、方向相同，则为均匀磁场。对非均匀磁场，B为S内的平均值，也称磁通密度。,测量,磁场强度,磁场强度是计算磁场所用的物理量，为矢量，用来确定磁场与电流之间的关系，其大小为磁感应强度和导磁率之比。,物理学安培环路定律,典型无分支

3、闭合磁路,IN为电流与线圈匝数的乘积，称为磁动势，用字F表示,磁动势的单位是安培(A)。,磁压降,磁导率,表征各种材料导磁能力的物理量,在工程上,物质按其磁性划分为两类,即铁磁材料(或叫磁性材料)和非铁磁材料。铁磁材料主要是指铁、钴、镍及其合金。,1.1.3 铁磁材料的磁性能,铁磁材料的磁导率0。将铁磁材料放入电流磁场中，它将被磁化而产生很强的附加磁场。因此可用较小的励磁电流产生足够大的磁感应强度和磁通。,1)高导磁性,磁畴,磁化,c点以后为饱和段（饱和电抗器）,2)磁饱和特性,B-H 曲线,或称磁化曲线,可通过实验获得。,BH磁化曲线与H曲线,磁化曲线大致可分成三段:,ab段为非饱和段（线性

4、电抗器）,bc段为半饱和段（普通电机、变压器的铁心）,如果励磁线圈中通入交变励磁电流,对铁心进行反复磁化,磁感应强度的大小和方向的变化总是滞后于磁场强度的变化,这种特性称为磁滞特性.,3)磁滞性,磁滞回线,为消除剩磁所加的反向磁场强度值Hc称为矫顽力。,当断开励磁电流(H=0)后,磁感应强度仍不为零的现象,称为剩磁特性。,铁磁材料的类型,分为典型的三种类型:,1.软磁材料:,矫顽力小,磁滞回线狭窄.如铸铁、铸钢、纯铁、硅钢、坡莫合金和铁氧体等材料。电机、变压器等电器的铁心采用软磁材料。,磁化曲线a-铸铁；b-铸钢；c-硅钢片,剩磁很大,磁滞回线形状近似矩形.在自动控制系统用做记忆元件、开关元件

5、和逻辑元件的磁心材料.常用的有镁锰铁氧体及1J51型铁镍合金等.,2.硬磁材料:,矫顽力、剩磁均较大,磁滞回线宽.一般用来制造永久磁铁.如钨钢、钴钢及铁镍铝钴合金等.,3.矩磁材料:,磁路：磁通所经过的特定的路径。,1.2 磁路及其基本定律,1)磁路的欧姆定律,设变压器由单一铁心构成的均匀磁路,Hl=I=IN,H=B/=/（S）,磁动势F=IN,磁阻,磁路欧姆定律,2)磁路的基尔霍夫磁流定律,对于有分支的磁路,进入封闭面磁通的代数和等于零(磁通的连续性),即,=0,磁路有气隙或由不同材料不同截面的路段所组成的单一闭合磁路,称为串联磁路。,3)磁路的基尔霍夫磁压定律,磁路,电路,磁通,I,N,R

6、,+,_,E,I,磁压降,磁动势,U,基本定律,磁阻,磁感应强度,安培环路定律,磁 路,I,N,欧姆定律,电阻,电流强度,克氏电压定律,克氏电流定律,电 路,R,+,_,E,I,1.3 电流在磁场中的力效应,载流导体在磁场中会受到电磁力的作用，称为电流在磁场中的力效应。这个力叫做电磁力，用字母F表示。,(a)(b)(c)电流和磁场间的作用力的关系,电磁作用力的大小,电磁力的方向左手定则,磁场对载流导体的作用力(左手定则),1.4 电磁感应,电磁感应现象有两种表现形式:,当穿过线圈的磁通发生变化时，在线圈内产生感应电动势。,当运动的导体切割磁力线时，在导体内产生感应电动势。,直导体中的感应电动势

7、,(a)(b)运动的导体在磁场中的感应电势与右手定则,线圈中的感应电动势,线圈的感应电势,感应电动势方向的确定,感应电动势的大小等于线圈的匝数与磁通变化率的乘积。,感应电动势的方向由楞次定律得出：感应电动势的方向总是使得其感应电流产生的磁通来阻止原有磁通的变化。,自感,当通过线圈的电流发生变化时，则由该电流所产生的、穿过线圈的磁通也发生变化，从而使线圈本身产生自感电动势，这种现象称为自感现象，这种感应电动势称为自感电动势。,=N，称为磁链,自感电动势,定义为自感系数,电感元件两端的电压,规定电压与电流的正方向一致，即电动势正方向一致。,一单层密绕螺线管的自感系数:线圈长L,截面积S,绕组的总匝

8、数为N.,可以看出:螺线管自感系数L正比于它的体积和单位长度内匝数的平方N2。(忽略端点效应),管内磁感应强度:,电流、电压和电动势的正方向,日光灯电路,在生产实践中，常遇到自感现象；其有利（日光灯）有弊（电机断电易烧坏接触器触点）。实践中应扬长避短。,铁心线圈电路,假设,（线圈电阻R和感抗X较小忽略）,功率损耗与涡流,磁滞损耗(Ph)：当铁磁体被反复磁化时,由于磁滞原因而引起的功率损耗。（克服剩磁所消耗的能量）,为减小磁滞损耗,应选用磁滞回线面积小的软磁材料做电机、电器的铁心.,除线圈电阻上的功率损耗(铜损)外，还有铁损。,为减少涡流,铁心通常用相互绝缘的钢片叠制而成。,涡流损耗(Pe)：当

9、铁心中磁通发生变化时,在铁心内引起感应电动势和电流(即涡流)。由于涡流在铁心中造成的功率损耗。(电磁炉利用这一特点),磁滞损耗和涡流损耗统称为铁损(PFe),PFe=Ph+Pe,电磁铁可分为线圈、铁心及衔铁三部分,电磁铁,电磁吸力,电磁吸力的大小与经过气隙进入衔铁的磁力线的多少及其分布有关,它与气隙的磁通或磁密B0的平方成正比,与气隙截面S0成正比。,电磁铁可分为线圈、铁心及衔铁三部分,交流电磁铁的瞬时电磁吸力为,直流电磁铁的电磁吸力为,采用短路环,直流励磁线圈电路的特点,（R 为线圈的电阻）,直流电磁铁,直流电磁铁,U 一定,I 一定,磁动势 F=IN 一定,磁通和磁阻成反比,（线圈中没有反电动势）,交流励磁线圈电路的特点,交流电磁铁,交流激励,线圈中产生感应电势,交流电磁铁,电路方程：,一般情况下 很小,假设,则,有效值,相量,交流磁路中磁阻Rm对电流的影响,电磁铁吸合过程的分析：,在吸合过程中若外加电压不变,则基本不变。,注意：如果气隙中有异物卡住，电磁铁长时间吸不上，线圈中的电流一直很大，将会导致过热，把线圈烧坏。,(U不变，I不变）,(I 随 Rm 变化）,（U不变时，基本不变）,直流磁路,交流磁路,（,随Rm变化）,