01磁路和磁性材料
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• 涡流损耗
– 交变磁场在铁心中产生感应电势 – 感应电势产生涡流 – 涡流产生损耗
磁滞损耗
• 若不计线圈电阻，铁心线圈从交流电源吸收的瞬 时电功率p为
peii d dt
• 损耗能量为
W mtt1 2pd t1 2id B B1 2H NN l Ad VB B1 2 B HdB
• 磁滞损耗就是消耗于铁心中的平均功率
01磁路和磁性材料
磁路和磁性材料
王远波
西南交通大学电气工程学院
本章内容
• 磁路概述 • 磁路基本定理 • 磁链、电感和能量 • 磁性材料的特性
§1－1 磁路概述
• 电机：应用电磁感应原理实现机-电能量转换的 装置
– 运动导体产生的感应电势 eBlv
– 变化磁场产生感应电势 e N d
dt
– 载流导体产生电磁力 f Bli
H 分段相 H ili等 Ni： F
i
磁路欧姆定理
• 对于等截面、磁密分布均匀、材料一致的简单 磁路
• 假设磁通为Φ，磁动势为F=Ni，磁路截面积为A， 磁路平均长度为l
sBdaBA
HB 1 A
B A
FNiHl1A l
• 令： Um Hl
称为磁路的磁位降
•
令：
Rm
1
l A
称为磁路的磁阻
• 磁路欧姆定理为
• 磁路欧姆定律 • 磁路基尔霍夫第一定律 • 磁路基尔霍夫第二定律
基本磁路物理量
• 磁场强度H(A/m) • 磁感应密度(磁密)B(T) • 磁动势(磁势)F(A)：励磁绕组产生的安匝数
F Ni,N为绕组匝数 • 磁通量(磁通)Φ(Wb)：穿过曲面S的磁通是磁感
应密度B的法线分量的面积分
sBda
LNNNiN2
i i i Rm Rm
磁场的能量
• 磁场的能量密度(单位体积磁场储能)
w1 2HB1 2H21 2 1B2
• 电感储能 A1Li2 1BHdv
2
V2
• 带气隙电感的能量主要储存在气隙中
§1-4 磁性材料的特性
• 按相对磁导率，将材料分为
– 顺磁物质：μr略大于1 –抗磁物质：μr略小于1 –铁磁物质：μr远大于1
• 磁场是机电能量转换、传递的媒介 • 必须存在磁场！
假设条件
• 忽略位移电流和电磁辐射
– 电机涉及的电磁变量的频率低，尺寸小
• 工频交流50Hz，电磁波波长6000km • 普通电机尺寸几毫米到几十米
• 用一维磁路近似等效三维磁场
– 三维磁场分布非常复杂，几乎无解析解 – 电机采用铁磁材料来定形和导向磁场
• 铁心外部的磁力线 很少
带气隙简单磁路
简单同步电机磁路
• 有线圈的铁心中，磁通分成主磁通和漏磁通 两部分
• 主磁通：在铁心中通过的绝大部分磁通
• 漏磁通：围绕载流线圈、在部分铁心和铁心 周围的空间的少量磁通
• 励磁线圈：用来产生磁场的载流线圈 • 励磁电流：载流线圈中的电流
§1－2 磁路基本定理
• 铁磁物质包括铁、镍、钴等和他们的合金
• 铁磁物质在外磁场中呈现磁性大幅度增强 的现象
磁化曲线
• 磁化曲线：磁通密度B与磁场强度H之间 的关系
• 起始磁化曲线：一未磁化的铁磁材料， 磁场强度H由零逐渐增大时的磁化曲线
• 剩磁Br：铁磁材料去掉外磁场后，铁磁 材料内部仍然保留的磁通密度Br
• 矫顽力Hc：铁磁材料磁化后要使磁通密 度由Br减小到零，需外加的反向磁场强 度
磁滞现象
• 磁滞现象：铁磁材料磁化时磁通密度的 变化滞后于磁场强度的变化
• 磁滞回线：由于磁滞效应，铁磁材料的 磁化过程不可逆，在等Hmax反复磁化过 程中，铁磁材料的B-H形成的闭合曲线
有取向电工钢的B-H回线
基本磁化曲线
• 以不同Hm磁化 时铁磁材料的 磁滞回线的顶 点形成的曲线
直流磁化曲线ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
FNiHl1A l
Um Rm
磁路基尔霍夫第一定律
• 穿过任意闭曲面的总磁通恒等于零
B•dS0 0
S
磁路基尔霍夫第二定律
• 沿任意闭合磁路的中磁动势恒等于各段磁路磁 位降的代数和
cHdlsJda
F H iliR m im i U mi
i
i
i
F N iH iliR m m i i U mi
–B均匀时 BcAc
磁导率
• 磁场强度H与磁感应密度B的关系
– 由材料特性决定 BH
–μ称为材料的磁导率
– 真空磁导率 041 0 7(H/m )
• 相对磁导率：材料的磁导率与真空磁导率
的比值 r /0
• 电机中使用的铁磁材料的典型相对磁导率 范围：2000－80000
安培环路定理
安培环路cH 定 d理 lsJ： da 仅考虑导体 cH电 dl流 Ni： F
铁磁材料分类
• 软磁材料
– 磁滞回线窄，剩磁Br和矫顽力Hc小 – 铸铁、钢、硅钢片等 – 软磁材料的磁导率较高
• 硬磁（永磁）材料
– 磁滞回线宽、Br和Hc都大的铁磁材料 – 永磁材料的性能用剩磁Br、矫顽力Hc和最大
磁能积（BH）max三项指标表征
铁心损耗
• 磁滞损耗
– 铁磁材料在交流磁场中反复磁化，磁畴相互 摩擦产生的损耗
i
i
i
磁路
电路
物理量
磁路
电路
基本定律
磁动势F 电动势E UmRm URi
磁通量Φ 磁阻Rm 磁导Λ
电流I
i 0
i
Ii 0
i
电阻R 电导G
FUm
eu
§1－3 磁链、电感和能量
• 磁通Φ(Wb)：穿过曲面S的磁通是磁感应密度B 的法线分量的面积分
• 定义：线圈交链的磁链 N
• 定义：电感 L i
• 铁磁材料的高导磁新使磁场分布相对集中
– 解的精度，能满足工程应用要求
磁路
• 磁路：磁通所通过的路径 • 磁路是以高导磁性材料构成的使磁通被
限制在结构所确定的路径之中的一种结 构 • 和电流在电路中被导体所限制是极为相 似
简单磁路
• 铁心导磁率远大于 空气
• 磁力线几乎被限定 在铁心规定的路径 中
ph W T mVfHdB
• 磁滞损耗与磁场交变频率f、铁心体积V和磁 滞回线的面积成正比
涡流损耗和铁耗
• 涡流损耗
peCe2f2Bm 2V
• 铁耗
pF ephpeC Ffe1.3B m 2G
谢 谢！
谢谢观看
共同学习相互提高
– 交变磁场在铁心中产生感应电势 – 感应电势产生涡流 – 涡流产生损耗
磁滞损耗
• 若不计线圈电阻，铁心线圈从交流电源吸收的瞬 时电功率p为
peii d dt
• 损耗能量为
W mtt1 2pd t1 2id B B1 2H NN l Ad VB B1 2 B HdB
• 磁滞损耗就是消耗于铁心中的平均功率
01磁路和磁性材料
磁路和磁性材料
王远波
西南交通大学电气工程学院
本章内容
• 磁路概述 • 磁路基本定理 • 磁链、电感和能量 • 磁性材料的特性
§1－1 磁路概述
• 电机：应用电磁感应原理实现机-电能量转换的 装置
– 运动导体产生的感应电势 eBlv
– 变化磁场产生感应电势 e N d
dt
– 载流导体产生电磁力 f Bli
H 分段相 H ili等 Ni： F
i
磁路欧姆定理
• 对于等截面、磁密分布均匀、材料一致的简单 磁路
• 假设磁通为Φ，磁动势为F=Ni，磁路截面积为A， 磁路平均长度为l
sBdaBA
HB 1 A
B A
FNiHl1A l
• 令： Um Hl
称为磁路的磁位降
•
令：
Rm
1
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称为磁路的磁阻
• 磁路欧姆定理为
• 磁路欧姆定律 • 磁路基尔霍夫第一定律 • 磁路基尔霍夫第二定律
基本磁路物理量
• 磁场强度H(A/m) • 磁感应密度(磁密)B(T) • 磁动势(磁势)F(A)：励磁绕组产生的安匝数
F Ni,N为绕组匝数 • 磁通量(磁通)Φ(Wb)：穿过曲面S的磁通是磁感
应密度B的法线分量的面积分
sBda
LNNNiN2
i i i Rm Rm
磁场的能量
• 磁场的能量密度(单位体积磁场储能)
w1 2HB1 2H21 2 1B2
• 电感储能 A1Li2 1BHdv
2
V2
• 带气隙电感的能量主要储存在气隙中
§1-4 磁性材料的特性
• 按相对磁导率，将材料分为
– 顺磁物质：μr略大于1 –抗磁物质：μr略小于1 –铁磁物质：μr远大于1
• 磁场是机电能量转换、传递的媒介 • 必须存在磁场！
假设条件
• 忽略位移电流和电磁辐射
– 电机涉及的电磁变量的频率低，尺寸小
• 工频交流50Hz，电磁波波长6000km • 普通电机尺寸几毫米到几十米
• 用一维磁路近似等效三维磁场
– 三维磁场分布非常复杂，几乎无解析解 – 电机采用铁磁材料来定形和导向磁场
• 铁心外部的磁力线 很少
带气隙简单磁路
简单同步电机磁路
• 有线圈的铁心中，磁通分成主磁通和漏磁通 两部分
• 主磁通：在铁心中通过的绝大部分磁通
• 漏磁通：围绕载流线圈、在部分铁心和铁心 周围的空间的少量磁通
• 励磁线圈：用来产生磁场的载流线圈 • 励磁电流：载流线圈中的电流
§1－2 磁路基本定理
• 铁磁物质包括铁、镍、钴等和他们的合金
• 铁磁物质在外磁场中呈现磁性大幅度增强 的现象
磁化曲线
• 磁化曲线：磁通密度B与磁场强度H之间 的关系
• 起始磁化曲线：一未磁化的铁磁材料， 磁场强度H由零逐渐增大时的磁化曲线
• 剩磁Br：铁磁材料去掉外磁场后，铁磁 材料内部仍然保留的磁通密度Br
• 矫顽力Hc：铁磁材料磁化后要使磁通密 度由Br减小到零，需外加的反向磁场强 度
磁滞现象
• 磁滞现象：铁磁材料磁化时磁通密度的 变化滞后于磁场强度的变化
• 磁滞回线：由于磁滞效应，铁磁材料的 磁化过程不可逆，在等Hmax反复磁化过 程中，铁磁材料的B-H形成的闭合曲线
有取向电工钢的B-H回线
基本磁化曲线
• 以不同Hm磁化 时铁磁材料的 磁滞回线的顶 点形成的曲线
直流磁化曲线ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
FNiHl1A l
Um Rm
磁路基尔霍夫第一定律
• 穿过任意闭曲面的总磁通恒等于零
B•dS0 0
S
磁路基尔霍夫第二定律
• 沿任意闭合磁路的中磁动势恒等于各段磁路磁 位降的代数和
cHdlsJda
F H iliR m im i U mi
i
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F N iH iliR m m i i U mi
–B均匀时 BcAc
磁导率
• 磁场强度H与磁感应密度B的关系
– 由材料特性决定 BH
–μ称为材料的磁导率
– 真空磁导率 041 0 7(H/m )
• 相对磁导率：材料的磁导率与真空磁导率
的比值 r /0
• 电机中使用的铁磁材料的典型相对磁导率 范围：2000－80000
安培环路定理
安培环路cH 定 d理 lsJ： da 仅考虑导体 cH电 dl流 Ni： F
铁磁材料分类
• 软磁材料
– 磁滞回线窄，剩磁Br和矫顽力Hc小 – 铸铁、钢、硅钢片等 – 软磁材料的磁导率较高
• 硬磁（永磁）材料
– 磁滞回线宽、Br和Hc都大的铁磁材料 – 永磁材料的性能用剩磁Br、矫顽力Hc和最大
磁能积（BH）max三项指标表征
铁心损耗
• 磁滞损耗
– 铁磁材料在交流磁场中反复磁化，磁畴相互 摩擦产生的损耗
i
i
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磁路
电路
物理量
磁路
电路
基本定律
磁动势F 电动势E UmRm URi
磁通量Φ 磁阻Rm 磁导Λ
电流I
i 0
i
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电阻R 电导G
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§1－3 磁链、电感和能量
• 磁通Φ(Wb)：穿过曲面S的磁通是磁感应密度B 的法线分量的面积分
• 定义：线圈交链的磁链 N
• 定义：电感 L i
• 铁磁材料的高导磁新使磁场分布相对集中
– 解的精度，能满足工程应用要求
磁路
• 磁路：磁通所通过的路径 • 磁路是以高导磁性材料构成的使磁通被
限制在结构所确定的路径之中的一种结 构 • 和电流在电路中被导体所限制是极为相 似
简单磁路
• 铁心导磁率远大于 空气
• 磁力线几乎被限定 在铁心规定的路径 中
ph W T mVfHdB
• 磁滞损耗与磁场交变频率f、铁心体积V和磁 滞回线的面积成正比
涡流损耗和铁耗
• 涡流损耗
peCe2f2Bm 2V
• 铁耗
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谢 谢！
谢谢观看
共同学习相互提高