自动控制元件

2011年9月20日5时52分
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四、磁导率 μ
定义：用来表示物质导磁能力大小的物理量称为导磁 系数或磁导率。
单位：亨每米 （H/m）
真空磁导率：μ 0= 4π 10 （H/m）
-7
空气磁导率: 近似等于真空磁导率。 相对磁导率： μr=μ/μ0 （无单位） 其中： μ— 物质的实际磁导率。
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2011年9月20日5时52分
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+
V
B
正电荷在磁场中运动受力
F
磁感应强度的大小：
B=Fmax/QV =F/QVSin
为该点磁场的方向。
磁感应强度的方向：
单位：力的单位为牛顿（N）
电量的单位为库仑（C） 速度的单位为米每秒（m/s） 磁感应强度的单位为特斯拉（T）(1T=10^4G)
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如： 硅钢片 r 6000 8000 ; 坡莫合金
r 10000
所以，同样大小电流，带铁芯线圈比空心线圈的 磁通大得多。
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0-1-2
磁场及磁路的基本定律
一、磁通连续性定理（高斯定律） 假设： 磁场中有一个封闭的曲面A 规定： 垂直与曲面而向外的方向为正方向 定理： 通过封闭曲面A的总磁通量为零。 公式： 图示：
磁动势 磁通 磁导率 磁阻 磁导
F m (F m = IW )
（安匝）或
[Ａ ]
Φ μ
R m (R m = L / (μ λ (λ =1/Rm) S)
[Wb] [H/m]
[1 / H ] [H] Rm
γ
R (R = L / (γ G (1 / R ) U = IR S ))
[S/m]
[Ω ] [1 / S ]
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绪 论
一. 什么是自动控制元件 二. 什么是电磁控制元件 三. 自动控制元件在控制系统中的应用 四. 自动控制元件的分类
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一. 自动控制元件
●自动控制系统 是指一些元部件的组合,按照要求 自动地完成所指定的任务。如：水位控制系统(水 箱),温度控制系统(空调)，位置跟踪系统(火炮),调 速系统（轧钢）。
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- Φ1 = 0
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i
二、安培环路定律（全电流定律） 在介质磁导率为μ的空间，沿任意一条闭合路径 L 磁场强度 H 的线积分，等于这个闭合路径所围的多 个传导电流的代数和。
∮ H• dL = ∑Ii L
i
I1
I2
I3
dL θ H
方向：电流方向和闭合路径方向符合右手定则为正， 否则为负。
i k
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定义：
磁路磁压降 Um=HL ，其方向与磁场方向相同。 磁路磁势 Fm=IN ，其方向与电流方向一致。
磁路基尔霍夫第二定律： 磁路上磁压降的代数和等于磁势的代数和。
∑ U = ∑ F mi mk i
k
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三、磁路的欧姆定律
n B θ dA
Φ
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磁力线密度的定义：
dΦ =BcosdA
=∫AB · dA
通过面积A的磁通量为： Φ=A Bcos dA
在均匀的磁场中磁通量： Φ=B· A 其中：B — 磁感应强度（磁密）矢量 A — 面积矢量
单位： 磁感应强度 B — 特斯拉 （T） 2
§0-1 §0-2 物质的磁性、铁磁物质的磁化曲线 直流磁路的计算 交流磁路的特点和计算
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§0-1 磁路的基本物理量和基本定律
磁场是物质存在的一种形态。 电磁控制元件是利用磁场作为媒介来实现信息（或能 量）传递（或转换）的装置。
磁场产生: 由永久磁铁产生 (小容量电磁元件) 由电流产生 （一般） 直流磁场 交流磁场
磁场分类： 按电流性质
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磁路: 磁通所经过的闭合回路称为磁路。一般由铁心 和气隙组成。 通过主要路径的磁通称为主磁通，用 0 表示。 另外还有少量的磁通不在此路径通过，称为 漏磁通，用 s 表示。
比较、放大
●自动控制元件是完成自动控制系统中检测、转化、 放大、执行任务的元器件的统称.
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二. 电磁控制元件
●电磁控制元件 自动控制元件的工作原理可以基于
物质的各种物理、化学性能之上，如：汽车发动机， 其中根据电磁原理而工作的自动控制元件称为电磁 控制元件。
●为什么学习电磁控制元件 电能是现代社会中使用
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电流产生的磁力线和永久磁铁产生的磁力线 I I
（a）直电流磁力线
（b）圆电流磁力线
N I
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S
I
（d）永久磁铁的磁力线
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（c）螺线管电流的磁力线
（2）磁通量 Φ 定义：通过磁场中一个给定面 A 的磁力线的条数, 简称磁通。
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考试及要求
成绩：考试 70% + 实验 20% + 平时成绩 10% （闭卷） （作业+考勤）
作业：每章布置作业 答疑：课后教室，办公室中教1206
要求：按时上课、作业、实验；事病请假。
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讲授内容
绪论 第 O章 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 磁路及其计算 电磁铁和电磁继电器 变压器 直流电机 交流异步电动机 三相交流同步电动机 自整角机(7.4)
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四、安培电磁力定律
长度为L
I θ B
F = BIL sinθ
F
方向：受力方向由左手 定则确定。 单位：
导线在均匀磁场中受力
B I L F
— — — —
特斯拉（符号：T） 安培（符号：A） 米（符号：m） 牛顿（符号：N）
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五、电磁感应定律 1、感应电流、感应电势 当闭合导电回路所包围的面积内的磁通量发生 变化时，在这个闭合回路中就会产生感应电流。这 种由于磁通量的变化而在闭合导电回路内产生感应 电流的现象称为电磁感应。 （a）楞次定律 闭合导电回路中所产生的感应电流，其方向总是企图 由它所产生的磁场，能够抵消或补偿磁场的变化。
电工钢片
几何中心线
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0-1-1 磁场的基本物理量 一. 磁感应强度 B
定义：是表示在空间某点磁场强弱和方向的物理量， 是一个空间矢量。 通俗的说 ，磁感应强度为通过某单位面积的 磁力线的条数。所以磁感应强度也称为磁密。
公式：
F=QV B
其中：Q — 运动电荷所带电量； V — 运动电荷的速度。
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二、磁力线、磁通量 （1）磁力线
A
B
C
D
定义：磁力线（或称B 线）是人们用来描述磁场的 一种手段，每条磁力线上的任一点的切线方 向都和该点磁场的方向一致。
磁力线的两个基本特征： 第一，在任何磁场中每一条磁力线都是环绕电流的 无头无尾的闭合曲线，即没有起点也没有终点； 第二，在任何磁场中，每一条闭合的磁力线的回转方 向和该闭合磁力线所包围的电流方向符合右手 螺旋法则。
1. 电磁控制元件（修订版）葛伟亮,北京理工大学，2001 （第一章） 2. 电路与磁路 龚富林等,中国轻工业出版社（基础） 3. 自动控制元件 刘陵顺,北京航空航天大学
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本课程的特点和安排
1) 本课程基础是磁场、电磁感应、电磁力、电路分 析等相关知识,做好复习。 2）自动控制元件种类繁多，课堂上只对典型的、基 本类的元件的结构、工作原理、性能进行介绍和 分析。其他可举一反三。 3）本课程不仅理论性强，而且具有很强的工程实践 性。实验动手能力对所学内容的理解、以及实际 工作都意义重大。本课讲课54学时，实验10学时。
Φ
A
μ
导磁材料
L
部分磁路的欧姆定律： 其中：
Rm

U
m
HL
B

L

A
L Rm
L
A
1 Rm
称该段磁路的磁阻, (1/H),(A/Wb)；
称磁导，(H)。
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对比：
电路 电动势 电流 电导率 电阻 电导
电路和磁路
磁路
Ｅ Ｉ
[Ｖ ] [Ａ ]
水轮 机 气轮 机…
自动化专业
工业 农业 交通 国防 日 常…
发电机
变压器
(110-500kv)
变压器
用电设备
(10-20kv)
(6kv,1kv, 380v, 220v)
发电
传输
负载 控制系统中使用： 电磁电器 发电机 变压器 电动机…
高压、大功率
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本课程介绍控制系统中最广泛使用的一些自动 控制元件,尤其是电磁控制元件的基本结构、工 作原理、性能、应用等。 根据这些基本知识，在实际工作中举一反三。
∮AB•dA =∮ABcosθ dA = 0
n θ B
A
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磁路基尔霍夫第一定律： 汇集在一点的多条磁路（分支磁路）中的磁通代数和 等于零。
A3
A
A2
Φ3 I1 u1
H1.B1
Φ1
b
Φ2
N1
A1
H2.B2
c
H3.B3
δ
N2 I2 d u2 H4.B4
a
根据高斯定律：Φ 2 + Φ 3 即：i=0
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A3
Φ3 I1 Φ1
b
Φ2 N1 A1
A2 H B 2. 2 c H3.B3 δ
N2 d H4.B4
u1
a
L: abcd
H1.B1
I2
u2
如图：∮LH•dL=H1Lab+H2Lbc+H3（Lcd-δ ） +Hδ Lδ +H4Lad= I1N1-I2N2
∑HiLi=∑IkNk
最广泛的能源。电磁控制元件是直接利用电能来进 行信号的采集、转换、传递、控制等处理，与其他 性能的自动控制元件相比非常便利，产品种类最多， 在自动控制系统中应用最广泛。
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三. 自动控制元件在自动控制系统中的应用
例1：速度控制系统，要求在负载变化时保持转速恒定。
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工科公共基础课：
数学 大学物理（电磁学） 工程力学…… 电子学 电工学…… 自动控制元件 自动控制原理…… 运动控制系统 电力电子学……
电专业公共基础课： 专业基础课: 专业课:
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教材
《自动控制元件》 葛伟亮 北京理工大学出版社 参考书：
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四. 自动控制元件的分类
按作用分类： 执行元件:能量转换驱动的自控元件 检测元件:信号检测转换的自控元件 按功能分类：
电磁电器 电磁传感器 电机
直流电磁元件 交流电磁元件
: 继电器, 变压器 : 测速发电机, 自整角机
: 交、直流电动机
电力电子学 电磁接触器 伺服电动机
VR +
× -

放大 器K A 测速 发电机
0
负载
Ks0
系统性能的优劣与各组成元件直接相关。我们不仅要 了解自动控制元件的功能，以满足系统设计任务的要 求，还要熟悉元件的性能，恰当选择，合理使用。
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例2：电力系统
电力专业
按电流分类：
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《自动控制元件》
绪论 第 O章 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 磁路及其计算 电磁铁和电磁继电器 变压器 直流电机 交流异步电动机 三相交流同步电动机 自整角机(7.4)
2011年9月20日5时52分
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第O章 磁路及其计算
欧姆定律
磁路欧姆定律
u m= Φ
基尔霍夫第一定律 基尔霍夫第二定律
∑ ∑
I= 0 E=∑
磁路基尔霍夫第一定律
∑Φ
=0
u
磁路基尔霍夫第二定律
∑ Fm=∑ um
2011年9月20日5时52分
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对比： 电路
I
+ U R
和
磁路
Φ
+ -
F
Rm
U IR
F Rm
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自动控制元件
主讲：赖汝
办公室：中教1206 邮箱：lairu@
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课程定位
《自动控制元件》讲授在自动控制系统中 所使用的、各种典型的电磁控制元件（检 测元件、执行元件），它们的结构、工作 原理、性能等知识。 这门课程是自动化专业最基础、最核心 的专业基础课之一，起到承上启下的作用。
面 磁
积 A — 米 2 （m ） 通 Φ — 韦伯 (Wb）
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三、磁场强度 H
定义：在任何介质磁场中, 某一点的磁感应强度B 和同一点上介质磁导率μ的比值，即：
H B

单位： H — 安每米（A/m）或安每厘米（A/cm）
注：磁场强度H是体现产生磁场的电流与磁场之间 的关系。 磁场强度H相同的磁场，加在不同磁导率的材 料上，材料中产生的磁感应强度B不同。