文档介绍：第一章磁路
电机是一种机电能量转换装置,变压器是一种电能传递装置,它们的工作原理都以电磁感应原理为基础,且以电场或磁场作为其耦合场。在通常情况下,由于磁场在空气中的储能密度比电场大很多,所以绝大多数电机均以磁场作为耦合扬。磁场的强弱和分布,不仅关系到电机的性能,而且还将决定电机的体积和重量;所以磁场的分析扣计箅,对于认识电机是十分重要的。由于电机的结构比校复杂,加上铁磁材料的非线性性质,很难用麦克斯韦方程直接解析求解;。从工程观点来说,准确度已经足够。
本章先说明磁路的基本定律,然后介绍常用铁磁材料及其性能,最后说明磁路的计算方法。
1-1 磁路的基本定律
一、磁路的概念
磁通所通过的路径称为磁路。图1—1表示两种常见的磁路,其中图a为变压器的磁路,图b为两极直流电机的磁路。
在电机和变压器里,常把线圈套装在铁心上。当线圈内通有电流时、在线圈周围的空间(包括铁心内、外)就会形成磁场。由于铁心的导磁性能比空气要好得多,所以绝大部分磁通将在铁心内通过,并在能量传递或转换过程中起耦合场的作用,这部分磁通称为主磁通。围绕裁流线圈、部分铁心和铁心周围的空间,还存在少量分散的磁通,这部分磁通称为漏磁通。主磁通和漏磁通所通过的路径分别构成主磁路和漏磁路,图1—l中示意地表出了这两种磁路。
用以激励磁路中磁通的载流线圈称为励磁线圈(或称励磁绕组),励磁线圈中的电流称为励磁电流(或激磁电流)。若励磁电流为直流,磁路中的磁通是恒定的,不随时间而变化,这种磁路称为直流磁路;直流电机的磁路就属于这一类。若励磁电流为交流(为把交、直流激励区分开,本书中对文流情况以后称为激磁电流),磁路中的磁通随时间交变变化,这种磁路称为交流磁路;交流铁心线圈、变压器和感应电机的磁路都属于这一类。
二、磁路的基本定律
进行磁路分析和计算时,往往要用到以下几条定律。
安培环路定律沿着任何一条闭合回线L,磁场强度H的线积分值恰好等于该闭合回线所包围的总电流值
∑i,(代数和).这就是安培环路定律(图l—2)。用公式表示,有
(1—1)
式中,若电流的正方向与闭合回线L的环行方向符合右手螺旋关系时,i取正号,否则取负号。例如在图1—2中,i2的正方向向上,取正号;i1和i3的正方向向下,取负号;故有.
若沿着回线L,磁场强度H的方向总在切线方向、其大小处处相等,且闭合回线所包围的总电流是由通有电流i的N匝线圈所提供,则式(1—1)可简写成
HL=Ni (1—2)
磁路的欧姆定律图l—3a是一个无分支铁心磁路,铁心上绕有N匝线圈,线圈中通有电流i;铁心截面积为A,磁路的干均长度为l,材料的磁导率为μ。若不计漏磁通,并认为各截面上的磁通密度为均匀,并且垂直于各截面,则磁通量Ф将等于磁通密度乘以面
积,即
(1—3)
考虑到磁场强度等于磁通密度除以磁导率,即H=B/μ,于是式(1—2)可改写成如下形式
(1—4)或(1—5)式中,F=Ni为作用在铁心磁路上的安匝数,称为磁路的磁动势,单位为A;为磁路的磁阻,单位为A/Wb;为磁路的磁导,单位为Wb/A。
式(l—5)表明,作用在磁路上的磁动势F等于磁路内的磁通量Ф乘以磁阻Rm,此关系与电路中的欧姆定律在形式上十分相似,因此式(l—5)亦称为磁路的欧姆定律。这里,我们把磁路中的磁动势F比拟于电路中的电动势E,磁通量Ф比拟于电流I,磁阻Rm和磁导Λ分别比拟于电阻R和电导G。图1—3b表示相应的模拟电路图。
磁阻Rm与磁路的平均长度l成正比,与磁路的截面积A及构成磁路材料的磁导率μ成反比。需要注意的是,铁磁材料的磁导率
μ不是一个常数,所以由铁磁材料构成的磁路,其磁阻不是常数,而是随着磁路中磁通密度的大小而变化,这种情况称为非线性。
[例1—1] 有一闭合铁心磁路,铁心的截面积A=9XlO-4m2,磁路的平均长度l=,铁心的磁导率,套装在铁心上的励磁绕组为500匝。试求在铁心中产生1T的磁通密度时,所需的励磁磁动势和励磁电流。
解用安培环路定律来求解。
磁场强度
磁动势 F=HI==
励磁电流
磁路的基尔霍夫第一定律如果铁心不是一个简单回路,而是带有并联分支的分支磁路,如图1—4所示,则当中间铁心柱上加有磁动势F时,磁通的路径将如图中虚线所示。如令进入闭合面A的磁通为负,穿出闭合面的磁通为正,从图1—4可见,对闭合面A,显然有
或(1—6)
式(1—6)表明:穿出(或进入)任一闭和面的总磁通量恒等于零(或者说,进入任一闭合面的磁通量恒等于穿出该闭合面的磁通量),,该定律亦称为磁路的基尔霍夫第一定律.