电机中的能量转换与磁路.ppt

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1、0.4 电机中的能量转换与磁路,0.5 与磁路相关的基本物理定律,0.6 铁磁材料及其特性,第二讲 电机中的能量转换与磁路,0.7 磁路分析,0.4 电机中的能量转换与磁路,0.4.1 电机中能量转换的两个实例,心式变压器,壳式变压器,变压器,心式变压器平面示意图,壳式变压器平面示意图,同步发电机工作原理,发电机,同步电机机械能到电能转换过程,机械端口,转子,定子绕组,定子铁心,电端口,A,B,C,S N,定子铁心,定子绕组,转子铁心,转子绕组,0.4.2 能量转换装置中的磁场与磁路,一个重要物理量是磁场的磁通（flux）。而磁通所通过的路径就是磁路(magnetic circuit)。从图可

2、以看出，变压器和旋转电机中的磁路主要由铁磁材料构成，相应的磁路称为铁心磁路。,单相变压器,输入电能,电能,输出电能,电能,变压器实现能量传递条件：两个线圈被磁场耦合起来。,磁场,机械能,电能,在发电机中，机械能之所以会转换为电能，一个重要条件也是因为其中存在一个耦合磁场。,旋转电机,电机变压器磁场最重要的一个物理量是磁通。磁通所通过的路径就是磁路。磁路主要由铁磁材料构成，称为铁心磁路。,变压器与发电机磁路的形成（动画）,发电机磁极单独存在时磁路,发电机磁极与定子铁心构成的磁路,有线圈有铁心时磁路,有线圈没有铁心时磁路,2）磁通密度也叫磁感应强度。单位 特斯拉（T）。,1）磁通可以直观地理解为磁

3、路中所包含地磁力线条数。单位 韦伯（Wb）,0.5 与电机磁路相关的基本物理定律,与磁路相关的几个重要物理量,3）磁导率磁导率 表示物质导磁能力的大小。真空磁导率为，H/m。空气、塑料等非金属以及铜、铝等大部分金属的磁导率都近似等于。称为非铁磁物质。还有一部分材料的磁导率远高于真空的磁导率，这类材料称为铁磁物质，比如，铁、镍、钴及其合金等。,而磁通密度则分别为 因为 是 的数千倍，所以铁环中的磁密与磁通是塑料环中的数千倍。,下图中，以长直导线中心为圆心，在半径为r的圆周上有一个塑料环和一个铁环，显然其中磁场强度均为，,4）磁场强度，单位为A/m。它与磁感应强度的关系在一般的情况下可表示为。需要

4、注意的是，磁场强度本身并不代表磁场强弱。只有它与磁导率之积才能反映磁场的强弱。,能量转换需要磁场-磁场由电流产生磁场强弱与产生该磁场的电流是什么关系?由全电流定律来描述H-i 之间关系,全电流定律（安培环路定律）,安培环路定律：沿空间任意一条闭合回路，磁场强度 的线积分等于该闭合回路所包围的电流的代数和。,注：若 与 符合右手螺旋关系，取正号，否则取负。其中大拇指所指为 的方向，四指为 方向。,1）全电流定律一般形式,螺管线圈线圈,:作用在磁路上的安匝数称为磁路磁动势，用 表示，单位 A。,2)电机分析中常用的简化形式的全电流定律,下图为均匀密绕螺管线圈，有,对于下图的情况，在一般情况下，也可

5、以近似地认为属于均匀磁路，所以也可得下式。,单线圈铁心磁路,带气隙的铁心磁路,若磁回路中存在气隙（分段均匀磁路）。当气隙长度 远远小于两侧的铁心截面的边长时，认为铁心和气隙中为均匀磁场，则,式中，和 分别为铁心和气隙上的磁压降，可见，作用在磁路上的总磁势等于该磁路各段磁压降之和。,讨论1 磁路包含气隙时的全电流定律,对于下图所示铁心上绕有匝数分别为 与 两个绕组，分别通入电流 与 的情况，作用于磁路上的总磁动势则为两个线圈安匝数的代数和，于是,多线圈铁心磁路,讨论2 磁路包含两个线圈时的全电流定律,描述磁动势与磁通之间关系的磁路欧姆定律，即，作用于磁路上的磁动势等于磁阻乘以磁通。,由于,B=H

6、,1）均匀磁路的欧姆定律,0.5.3 磁路的欧姆定律与电感,得,:磁路的磁阻，A/Wb,:磁路的磁导，Wb/A,思考：从磁路欧姆定律出发，磁路中磁通 的大小受哪些因数的影响？,其中:铁心部分对应的磁阻:气隙部分对应的磁阻,2）分段均匀磁路的欧姆定律,:铁心中消耗的磁动势,:气隙中消耗的磁动势,思考：假设铁心长度 与气隙长度 比为1000/1；铁心磁导率 与气隙磁导率 比为6000/1,那么线圈电流产生的磁动势在铁心中与气隙中消耗的磁动势是什么比值关系？,两边同乘以线圈的匝数，则等式左边得到的是线圈的磁链：,3)线圈的电感,由于：所以得到电感与线圈匝数和磁路磁导的关系,可见，电感与线圈匝数的平方

7、成正比，与磁场介质的磁导成正比。,对于：,随着铁心磁路饱和的增加，铁心磁导率 减小，相应的磁导、电抗也要减小。,电抗 随着频率、匝数、磁阻 的变化而变化。,4)交流线圈的电抗,0.5.4 电磁感应定律,1)电磁感应定律,线圈感应电动势 与磁通 的正方向之间符合右手螺旋关系。电磁感应定律可表示为：,电感为常数，对于只有一个线圈的情况，得到我们所熟悉的公式,感应电势的正方向,2)关于公式,如上图所示，利用右手定则，可得到,注意点：a.该式要求导体 及其运动方向均与磁密 方向垂直，而且在导体长度上各点处的磁密相等。b.该公式经常用于旋转电机绕组感应电动势的求解，但在运用时，也要注意（a）中的适用条件

8、。,0.5.5 电机分析中常用其它物理定律,1)磁通连续性定理,磁通连续性原理示意图,2)电磁力定律,载流导体在磁场中要受到电磁力，若导体中电流为，导体长度为，导体所在处的磁通密度为，则电磁力为：,当电流 的方向与磁密 的方向垂直时电磁力大小可写为：,注：电磁力方向由左手定则决定,0.6 铁磁材料及其特性,铁磁材料包括铁、镍、钴以及它们的合金（其它材料称之为非铁磁材料）。将这些材料放入磁场后，材料内的磁场会显著增强。铁磁材料在外磁场中呈现很强的磁性，此想象称为铁磁材料的磁化。,未磁化 磁化后,0.6.1.铁磁材料具有增磁作用（有很高导磁能力）,上图为同步电机转子线圈电流）产生的磁场很弱（磁力线

9、稀少）且分布在无限广阔的空间。一旦转子插入定子，定转子磁路中的磁场大大增强，且磁通基本被约束在定子外圆以内的范围。,思考：为什么？,因为铁磁材料的磁导率 要远远高于非铁磁材料的磁导率（非铁磁材料的磁导率一般都可近似认为等于真空的磁导率，）。通常。那么，一定的线圈电流在铁心磁路中激发的磁通比空气磁路中磁通大得多。,结论：铁心具有增磁功能。,0.6.2 铁磁材料具有磁饱和特性,铁磁材料的磁化曲线不是一条直线，会随铁磁材料内磁密 的变化而变化，当磁密达到点后，铁磁材料内磁密 呈现饱和想象，也就是说，此时磁场强 度继续增加，铁磁材料的磁导率 会迅速变小，磁密 增加会越来越慢。,举例：饱和对铁磁材料磁化

10、的影响,DW450-50的实际磁化曲线,H（A/m）,B(T),代号说明：D-电工钢片，W-冷轧无取向，即各个方向磁导率相等，450-50在50Hz下铁心损耗4.5W/kg,厚度为0.5mm。,0.6.3 铁磁材料具有磁滞特性,铁磁材料进行周期性磁化所反映的：,磁密变化落后于磁场强度变化，通常在电机内也可理解为磁通落后于激磁电流的现象，称为磁滞现象。,不同最大磁场强度下磁滞回线及基本磁化曲线,图中黄色的曲线为该铁磁材料的基本磁化曲线,软磁材料的磁滞回线,硬磁材料的磁滞回线,磁滞损耗与磁滞回线包围的面积、磁通交变频率、铁磁材料体积 成正比。,铁心内的交变磁通将感应电势，进而在铁心内引起环流。这些环流通作涡流状流动，称为涡流。涡流引起的损耗，称为涡流损耗。,思考：如何尽量减小涡流损耗？,2）涡流损耗,当铁心中磁通交变时，同时会产生磁滞损耗与涡流损耗。这两部分损耗总称为铁心损耗。铁心损耗通常用下式计算：,3）交流铁心的损耗,1-铁磁材料的磁化曲线2-空气的磁化曲线3、4-带气隙的铁心磁路的磁化曲线(3 4),讨论：气隙存在对铁心磁路的影响,总 结,