1、L/O/G/O集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统绪绪 论论集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统考试及积分方法考试及积分方法教学大纲要求教学大纲要求学习本课程的意义学习本课程的意义参考教材参考教材学习方法及要求学习方法及要求集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统教学目的教学目的： 通过本课程的学习，使学生获得船用电机通过本课程的学习，使学生获得船用电机及船舶电气设备必要的基本理论和基本知识，及船舶电气设备必要的基本理论和基本知识，掌握船舶电气设备基本操作技能，为今后从掌握船舶电
2、气设备基本操作技能，为今后从事船舶电气设备管理工作打下理论基础和实事船舶电气设备管理工作打下理论基础和实践基础。践基础。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统教学要求：教学要求：1. 掌握船舶电气设备的工作原理、运行特性和应用场合；掌握船舶电气设备的工作原理、运行特性和应用场合；2.熟悉掌握继电接触器控制线路的基本环节；掌握船舶机熟悉掌握继电接触器控制线路的基本环节；掌握船舶机舱辅机、甲板机械、舵机电力拖动自动控制系统的工作原舱辅机、甲板机械、舵机电力拖动自动控制系统的工作原理。理。3.了解船舶电力系统的组成、特点、基本参数；掌握蓄电了解船舶电力系统的组成
3、、特点、基本参数；掌握蓄电池的充放电及维护、保养方法；掌握同步发电机并联运行、池的充放电及维护、保养方法；掌握同步发电机并联运行、自动调压装置基本原理；了解船舶电力系统继电保护的基自动调压装置基本原理；了解船舶电力系统继电保护的基本原理；熟悉各种继电保护装置的结构、原理。本原理；熟悉各种继电保护装置的结构、原理。4.熟悉船舶电气设备管理的基本要求；掌握船舶电气设备熟悉船舶电气设备管理的基本要求；掌握船舶电气设备安全用电基本知识。安全用电基本知识。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统u 有人说有人说“船舶是一座小城市船舶是一座小城市”，本课程介绍的，本课程
4、介绍的就是这座就是这座“小城市小城市”电力系统维护、管理及维修等电力系统维护、管理及维修等所必须具备的部分知识。所必须具备的部分知识。u 有了电动机，就要对它进行控制，最基本的控有了电动机，就要对它进行控制，最基本的控制方法是继电制方法是继电-接触器控制，第接触器控制，第710章学习的就是章学习的就是电力拖动的基本控制方法。电力拖动的基本控制方法。u 城市有生产设备，设备需要由电动机拖动，因城市有生产设备，设备需要由电动机拖动，因此第此第16章学习章学习“磁路磁路”和和“电机学电机学”的知识。的知识。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 教材：教材：船舶
5、电气设备及系统船舶电气设备及系统，郑华耀主编，郑华耀主编，大连海事大学出版社出版，大连海事大学出版社出版，2005年年7月。月。 主要参考书：主要参考书： 船舶电机学船舶电机学，陆让之主编，人民交通出版，陆让之主编，人民交通出版社，社，1986年；年； 船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统，史际昌主编，大连，史际昌主编，大连海事大学出版社，海事大学出版社，1998年。年。 集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统认真：认真：认真听、认真预习、认真复习、认真做作业。认真听、认真预习、认真复习、认真做作业。 开始的原理部分未掌握，后续内容很难学。开始的原理部分未
6、掌握，后续内容很难学。勤：勤：勤思考、勤提问。勤思考、勤提问。 基本要求：基本要求：不要讲话，不要影响他人。不要讲话，不要影响他人。 初级要求：初级要求：不要单独做小动作，或打瞌睡。不要单独做小动作，或打瞌睡。 中级要求：中级要求：课后及时复习课后及时复习 ，消化内容（看懂学过的内，消化内容（看懂学过的内容，能够回答各章后面的容，能够回答各章后面的“复习与思考复习与思考” 题）。题）。 高级要求：高级要求：课前预习，预习课前预习，预习10页的内容（不要求看懂，页的内容（不要求看懂，但要求知道什么内容）。但要求知道什么内容）。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备
7、及系统考试题型：考试题型：单项选择题、是非判断题、计算单项选择题、是非判断题、计算 题、简答题、综合题题、简答题、综合题 （包括小线路（包括小线路 图的分析，英文出题，可用中文或图的分析，英文出题，可用中文或 英文回答）英文回答）计分方法：计分方法：平时成绩占平时成绩占20%20%（实验、作业、课堂（实验、作业、课堂 提问及考勤）；期末成绩占提问及考勤）；期末成绩占80%80%。L/O/G/O集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统第一章第一章 电与磁电与磁船电设备船电设备集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统补充说明及
8、小结补充说明及小结11 磁场基本概念和物理量磁场基本概念和物理量12 磁路及其基本定律磁路及其基本定律13 电流在磁场中的力效应电流在磁场中的力效应14 电磁感应电磁感应学习本章目的：学习本章目的：复习磁的概念，学习磁场、磁路的区复习磁的概念，学习磁场、磁路的区别，掌握电磁铁的工作原理。别，掌握电磁铁的工作原理。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统本节主要内容：本节主要内容： 磁场的基本概念；磁场的基本概念； 磁场的基本物理量；磁场的基本物理量； 铁磁材料的磁性能。铁磁材料的磁性能。磁场与磁力线：磁场、磁力线（方向）磁场与磁力线：磁场、磁力线（方向）电流
9、的磁效应电流的磁效应本节主要知识点：本节主要知识点：集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统1.1.1 1.1.1 磁场磁场(magnetic field )的基本概念的基本概念 磁场是一种物理现象，在物理学中曾经指出：磁场是一种物理现象，在物理学中曾经指出：“电生磁，磁变生电电生磁，磁变生电”。 电流的磁效应电流的磁效应(magnetic effect )集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 磁力线磁力线(magnetic lineation )是为了描述磁场中磁感是为了描述磁场中磁感应强度大小而提出的一种假设应强度
10、大小而提出的一种假设“线线”。是闭合的曲。是闭合的曲线。线。图图1-1 1-1 条形磁铁的磁场条形磁铁的磁场集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统电流的磁效应是指：通电导体中流过电流后，电流的磁效应是指：通电导体中流过电流后，在其周围产生磁场的现象。在其周围产生磁场的现象。通电导体产生磁场的情况有两种：通电导体产生磁场的情况有两种：.通电直导体周围产生磁场；通电直导体周围产生磁场；.通电螺旋状线圈产生磁场。通电螺旋状线圈产生磁场。 集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统通电直导体通电直导体 集美大学轮机工程学院集美大学
11、轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统通电螺旋状通电螺旋状线圈线圈集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统1.1.2 1.1.2 磁场的基本物理量磁场的基本物理量u 磁感应强度磁感应强度(Magnetic Induction Strength )；u 磁通磁通(flux )；u 磁场强度磁场强度(magnetic intensity)；u 磁导率磁导率(magneto conductivity )。本书讨论的磁场主要物理量有：本书讨论的磁场主要物理量有：注意：与第二节注意：与第二节“磁路磁路”概念结合学习。概念结合学习。集美大学轮机工程学院集美大学
12、轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统(Magnetic Induction Strength )磁感应强度磁感应强度B B 的定义：的定义：表示磁场内某点磁场强弱和表示磁场内某点磁场强弱和 方向的物理量。方向的物理量。磁感应强度磁感应强度B B 的大小的大小: :磁感应强度磁感应强度B B 的方向：的方向：与电流的方向之间符合右手与电流的方向之间符合右手 螺旋定则。螺旋定则。 FB 磁感应强度磁感应强度B B 的单位的单位: : 特斯拉特斯拉(T)(T)，1 1T = 1Wb/mT = 1Wb/m2 2 均匀磁场均匀磁场: : 各点磁感应强度大小相等，方向相同的各点磁感应强度大小相
13、等，方向相同的 磁场，也称磁场，也称匀强磁场匀强磁场。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统磁通磁通 ：穿过垂直于穿过垂直于B方向的面积方向的面积S中的磁力线总数。中的磁力线总数。 说明说明: : 如果不是均匀磁场，则取如果不是均匀磁场，则取B的平均值。的平均值。在均匀磁场中：在均匀磁场中：磁感应强度磁感应强度B在数值上可以看成为与磁场方向垂直的在数值上可以看成为与磁场方向垂直的单位面积所通过的磁通单位面积所通过的磁通, ,故又称故又称磁通密度磁通密度。磁通磁通 的单位的单位: :韦韦 伯伯(Wb) ) 1Wb =1VsSBBS或集美大学轮机工程学院集美大
14、学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统(magnetic intensity)磁场强度磁场强度H ：是计算磁场时所引用的一个物理量，是计算磁场时所引用的一个物理量，也是矢量，通过它来确定磁场与电流之间的关系。也是矢量，通过它来确定磁场与电流之间的关系。磁场强度磁场强度H的单位的单位 ：安培安培/米（米（A/m) )IHdl安培环路定律（全电流定律）安培环路定律（全电流定律）I1HI2式中：式中： 是磁场强度矢量沿任意闭合线（常取磁是磁场强度矢量沿任意闭合线（常取磁通作为闭合回线）的线积分；通作为闭合回线）的线积分； I I 是穿过闭合回线所是穿过闭合回线所围面积的电流的代数和。围面
15、积的电流的代数和。lHd集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统IHdlI1HI2 任意选定一个闭合回线的围绕方向，凡是电流任意选定一个闭合回线的围绕方向，凡是电流方向与闭合回线围绕方向之间符合右螺旋定则的电方向与闭合回线围绕方向之间符合右螺旋定则的电流作为正、反之为负。流作为正、反之为负。 安培环路定律安培环路定律电流正负的规定：电流正负的规定：所以安培环路定律将所以安培环路定律将电流与磁场强度联系起来。电流与磁场强度联系起来。 lINH 或或集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统由实验可测得：真空的磁导率为：由实验可
16、测得：真空的磁导率为：H/m10470 磁导率磁导率 的单位：的单位：mHmsmAsVmAmWb位的单/2因为它是一个常数，将其它物质的磁导率和它比较是因为它是一个常数，将其它物质的磁导率和它比较是很方便的。很方便的。磁导率磁导率 ：表示磁场媒质磁性的物理量，衡量物质的表示磁场媒质磁性的物理量，衡量物质的 导磁能力导磁能力。它与磁场强度的乘积就等于磁。它与磁场强度的乘积就等于磁 感应强度，即感应强度，即HB集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统相对磁导率相对磁导率 r r：任一种物质的磁导率任一种物质的磁导率 和真空的磁导和真空的磁导率率 0的比值的比值。
17、0r 0BB HH0 即当磁场媒质是某种物质时某点的磁感应强度即当磁场媒质是某种物质时某点的磁感应强度B与在与在同样电流下真空时该点的磁感应强度同样电流下真空时该点的磁感应强度B0之比的倍数。之比的倍数。 自然界的所有物质按磁导率的大小，大体上可自然界的所有物质按磁导率的大小，大体上可分为磁性材料和非磁性材料。分为磁性材料和非磁性材料。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统例如：在磁路中磁势的单位是（例如：在磁路中磁势的单位是（ ） 。 A.A.伏特伏特 B.B.安培安培 C.C.欧姆欧姆 D.D.韦伯韦伯答案：答案：B B。磁势磁势 = = 电流电流 匝
18、数匝数即磁势单位为：安培即磁势单位为：安培匝（安匝，安）。匝（安匝，安）。而匝不是量纲可以省略。而匝不是量纲可以省略。磁势的单位为：安培磁势的单位为：安培 注意物理量的单位举例注意物理量的单位举例集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统1.1.3 1.1.3 铁磁材料的磁性能铁磁材料的磁性能铁磁材料的主要磁性能有：铁磁材料的主要磁性能有： 高磁导率；高磁导率； 磁饱和磁饱和(magnetic saturation )； 磁滞磁滞(hysteresis)与剩磁与剩磁(residual magnetism )。组成：铁、钴、镍以及它们的合金。组成：铁、钴、镍以及
19、它们的合金。相关问题：产生铁损。相关问题：产生铁损。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统1. 高导磁性高导磁性(magneto conductivity ) 磁性材料的磁导率通常都很高，即磁性材料的磁导率通常都很高，即 r 1 (如坡如坡莫合金，其莫合金，其 r 可达可达 2 105 ) 。 磁性材料磁性材料能被强烈的磁化，能被强烈的磁化，具有很高的导磁性具有很高的导磁性能。能。 磁性材料主要指铁、镍、钴及其合金等。磁性材料主要指铁、镍、钴及其合金等。 磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备中，如电机、变压器及各
20、种铁磁元件的线圈中都放中，如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心。在这种有铁心。在这种具有铁心的线圈中通入不太大的励具有铁心的线圈中通入不太大的励磁电流，便可以产生较大的磁通和磁感应强度。磁电流，便可以产生较大的磁通和磁感应强度。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统高磁导率的目的：高磁导率的目的： 磁导率高才能导磁；相同的磁场强度磁导率高才能导磁；相同的磁场强度产生的磁密大。产生的磁密大。 利用电磁感应原理工作的电气设备需利用电磁感应原理工作的电气设备需要铁心构成磁的通路，要求相同的磁通时，要铁心构成磁的通路，要求相同的磁通时，磁导率高，铁心的截
21、面积小。体积小、重磁导率高，铁心的截面积小。体积小、重量轻。量轻。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 (a) (b) 图1-4 磁性材料的磁化磁畴的理解：磁畴的理解： 一个原子，其外有电子绕核高速旋转，一个原子，其外有电子绕核高速旋转，电子的流动就是电荷流，将产生磁场。若大电子的流动就是电荷流，将产生磁场。若大部分电子绕核方向一致，则呈现磁场。部分电子绕核方向一致，则呈现磁场。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限的增强。会
22、随着外磁场的增强而无限的增强。2.2.磁饱和性磁饱和性(magnetic saturation ) 当外磁场增大到一定程度时，磁性物质当外磁场增大到一定程度时，磁性物质的全部磁畴的磁场方向都转向与外部磁场方的全部磁畴的磁场方向都转向与外部磁场方向一致，磁化磁场的磁感应强度将趋向某一向一致，磁化磁场的磁感应强度将趋向某一定值。如下图。定值。如下图。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统BJ 磁场内磁性物质的磁化磁场磁场内磁性物质的磁化磁场 的磁感应强度曲线；的磁感应强度曲线；B0 磁场内不存在磁性物质时的磁场内不存在磁性物质时的 磁感应强度直线；磁感应强度直
23、线；B BJ曲线和曲线和B0直线的纵坐标相直线的纵坐标相 加即磁场的加即磁场的 B-H 磁化曲线。磁化曲线。OHBB0BJBab磁化曲线磁化曲线 B-H 磁化曲线的特征：磁化曲线的特征： Oa段：段：B 与与H几乎成正比地增加；几乎成正比地增加； ab段：段：B 的增加缓慢下来；的增加缓慢下来； b点以后：点以后：B增加很少，达到饱和。增加很少，达到饱和。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 有磁性物质存在时，有磁性物质存在时，B 与与 H不成正比，磁性物质的磁导率不成正比，磁性物质的磁导率 不不是常数，随是常数，随H而变。而变。 有磁性物质存在时，有磁
24、性物质存在时， 与与 I 不成正比。不成正比。 磁性物质的磁化曲线在磁路磁性物质的磁化曲线在磁路计算上极为重要，其为非线性曲计算上极为重要，其为非线性曲线，实际中通过实验得出线，实际中通过实验得出。 OHB, B B和和 与与H的关系的关系集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统原因：原因： 磁通太多，材料阻碍增大。磁通太多，材料阻碍增大。 铁磁材料之所以比非铁磁物质磁导率高是因为铁磁材料之所以比非铁磁物质磁导率高是因为铁磁材料对磁通阻力较小。当通过材料的磁通太多铁磁材料对磁通阻力较小。当通过材料的磁通太多时，铁磁材料对磁通阻力增大，磁导率减小。时，铁磁材料
25、对磁通阻力增大，磁导率减小。理解：理解： 这就象车过桥的情况一样：当同时过桥的车很这就象车过桥的情况一样：当同时过桥的车很少时，过桥的车速度很快，车多单位时间内过桥的少时，过桥的车速度很快，车多单位时间内过桥的车辆就多；但是当同时有很多辆车过桥时，车的行车辆就多；但是当同时有很多辆车过桥时，车的行驶速度就应该放慢，否则车就可能相互碰撞，这是驶速度就应该放慢，否则车就可能相互碰撞，这是因为桥已经因为桥已经“饱和饱和”了。了。 磁饱和磁饱和集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统3.3.磁滞性磁滞性(hysteresis) 磁性材料在交变磁场中磁性材料在交变磁场
26、中反复磁化，其反复磁化，其B-H关系曲线是关系曲线是一条回形闭合曲线，称为一条回形闭合曲线，称为磁磁滞回线。滞回线。磁滞性：磁滞性：磁性材料中磁性材料中磁感应强度磁感应强度B的变化总是滞后的变化总是滞后 于外磁场变化的性质。于外磁场变化的性质。磁滞回线磁滞回线集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统剩磁感应强度剩磁感应强度Br (剩磁剩磁) ：当线圈中电流减小到零当线圈中电流减小到零(H=0)时，铁心中的磁感应强度。时，铁心中的磁感应强度。例如例如: 永久磁铁的磁性就是由永久磁铁的磁性就是由剩磁产生的；自励直流发电机剩磁产生的；自励直流发电机的磁极，为了使电
27、压能建立，的磁极，为了使电压能建立，也必须具有剩磁。也必须具有剩磁。 磁滞回线磁滞回线集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统磁滞回线磁滞回线但剩磁也存在着有害的一面，例如，当工件在平面但剩磁也存在着有害的一面，例如，当工件在平面磨床上加工完毕后，由于电磁吸盘有剩磁，还将工磨床上加工完毕后，由于电磁吸盘有剩磁，还将工件吸住。为此要通入反向去磁电流，去掉剩磁，才件吸住。为此要通入反向去磁电流，去掉剩磁，才能取下工件。能取下工件。矫顽磁力矫顽磁力Hc：集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 几种常见磁性物质的磁化曲线几种常见
28、磁性物质的磁化曲线a 铸铁铸铁 b 铸钢铸钢 c 硅钢片硅钢片O0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 103H/(A/m)H/(A/m)1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 103B/T1.81.61.41.21.00.80.60.40.2ababcc集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 原因：原因： 有剩磁存在。有剩磁存在。 现象：现象： 磁化过程磁化过程 01 2 3 4 5 6 1 磁磁滞回线：滞回线： 回线（闭合曲线）：回线（闭合曲线）： 1 2 3 4 5 6 1 磁滞磁滞 磁场强度最大值不同磁场强
29、度最大值不同就有不同的回线。就有不同的回线。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统将不同磁场强度所对应的磁滞回线的顶点相连将不同磁场强度所对应的磁滞回线的顶点相连就成为磁化曲线，就成为磁化曲线，B-H曲线。曲线。 磁化曲线磁化曲线集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统按磁性物质的磁性能，磁性材料分为三种类型：按磁性物质的磁性能，磁性材料分为三种类型：(1)软磁材料软磁材料 具有较小的矫顽磁力，磁滞回线较窄。具有较小的矫顽磁力，磁滞回线较窄。一般用来制造一般用来制造电机、电器及变压器等的铁心。常用的有铸铁、硅钢、坡电机、
30、电器及变压器等的铁心。常用的有铸铁、硅钢、坡莫合金即铁氧体等。莫合金即铁氧体等。(2)永磁材料永磁材料 具有较大的矫顽磁力，磁滞回线较宽。具有较大的矫顽磁力，磁滞回线较宽。一般用来制造一般用来制造永久磁铁。常用的有碳钢及铁镍铝钴合金等。永久磁铁。常用的有碳钢及铁镍铝钴合金等。(3)矩磁材料矩磁材料 具有较小的矫顽磁力和较大的剩磁，磁滞回线接近矩具有较小的矫顽磁力和较大的剩磁，磁滞回线接近矩形，稳定性良好。形，稳定性良好。在计算机和控制系统中用作记忆元件、在计算机和控制系统中用作记忆元件、开关元件和逻辑元件。常用的有镁锰铁氧体等。开关元件和逻辑元件。常用的有镁锰铁氧体等。集美大学轮机工程学院集美
31、大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 软磁材料软磁材料 硬磁材料硬磁材料 矩磁材料矩磁材料特点特点 磁滞回线面积（形状）不同。磁滞回线面积（形状）不同。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 本节主要内容：本节主要内容： 磁路；磁路； 磁路的基本定律。磁路的基本定律。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统1.2.1 1.2.1 磁磁 路路铁心铁心磁路磁路. 磁路是均匀的，或至少是分段均匀；磁场各点磁路是均匀的，或至少是分段均匀；磁场各点则是变化的。则是变化的。. 磁场的计算经常需要微积分；磁路则常常采用
32、磁场的计算经常需要微积分；磁路则常常采用四则运算（代数运算）。四则运算（代数运算）。. 磁路物理量：磁路物理量： 磁势、磁通、磁阻。磁势、磁通、磁阻。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 在很多电工设备（像变压器、电机、电磁铁电工测在很多电工设备（像变压器、电机、电磁铁电工测量仪器等）中，不仅有电路的问题，同时还有磁路的问量仪器等）中，不仅有电路的问题，同时还有磁路的问题。只有同时掌握了电路和磁路的基本理论，才能对以题。只有同时掌握了电路和磁路的基本理论，才能对以上电工设备进行全面分析。上电工设备进行全面分析。 本章结合磁路和铁心线圈电路的分析，讨论变压
33、器本章结合磁路和铁心线圈电路的分析，讨论变压器和电磁铁的工作原理，作为应用实例。和电磁铁的工作原理，作为应用实例。 磁路和电路往往是相关的，因此在这里要研究磁路磁路和电路往往是相关的，因此在这里要研究磁路和电路的关系以及磁和电的关系。和电路的关系以及磁和电的关系。 在电机、变压器及各种铁磁元件中常用磁性材料做在电机、变压器及各种铁磁元件中常用磁性材料做成一定形状的铁心。铁心的磁导率比周围空气或其它物成一定形状的铁心。铁心的磁导率比周围空气或其它物质的磁导率高的多，质的磁导率高的多，磁通的绝大部分经过铁心形成闭合磁通的绝大部分经过铁心形成闭合通路，磁通的闭合路径称为磁路。通路，磁通的闭合路径称为
34、磁路。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统直流电机的磁路直流电机的磁路交流接触器的磁路交流接触器的磁路四极直流电机和交流接触器的磁路四极直流电机和交流接触器的磁路集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 磁路是磁的闭磁路是磁的闭合通路。磁路中可合通路。磁路中可能存在气隙。能存在气隙。a). a). 直流电机磁路直流电机磁路b). b). 接触器磁路接触器磁路c). c). 变压器磁路变压器磁路d). d). 继电器磁路继电器磁路常见磁路常见磁路集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统
35、1.2.2 1.2.2 磁路基本定律磁路基本定律n基本定律：基本定律： 计算的知识点计算的知识点n欧姆定律：欧姆定律：F F = = R Rm m n基尔霍夫磁流定律：基尔霍夫磁流定律： =0=0n基尔霍夫磁压定律：基尔霍夫磁压定律： IN IN = = R Rm m 注意注意：磁路物理量的单位磁路物理量的单位 磁势（安匝）、磁磁势（安匝）、磁通（韦伯）、磁阻（安培通（韦伯）、磁阻（安培/韦伯）。韦伯）。计算计算：磁通可由磁密或磁场强度等计算；磁阻可由磁通可由磁密或磁场强度等计算；磁阻可由磁导率计算。磁导率计算。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统磁路的
36、分析方法磁路的分析方法 磁路的欧姆定律是分析磁路的基本定律磁路的欧姆定律是分析磁路的基本定律 环形线圈如图，其中媒质环形线圈如图，其中媒质是均是均 匀的，磁导率为匀的，磁导率为 ， 试计试计算线圈内部算线圈内部 的磁通的磁通 。 1. 引例引例Sx HxIN匝匝集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统式中：式中：F=NI 为磁通势，由其产生磁通；为磁通势，由其产生磁通； Rm 称为磁阻，表示磁路对磁通的阻碍作用；称为磁阻，表示磁路对磁通的阻碍作用； l 为磁路的平均长度；为磁路的平均长度； S 为磁路的截面积。为磁路的截面积。即有：即有：SlNI mRF l
37、SlHlNI B IlHd设磁路的平均长度为设磁路的平均长度为 l，则有，则有解：根据安培环路定律，有解：根据安培环路定律，有Sx HxIN匝匝集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统mRF 2. 磁路的欧姆定磁路的欧姆定律律若某磁路的磁通为若某磁路的磁通为 ，磁通势为磁通势为F ，磁阻为，磁阻为Rm ，则则此即此即磁路的欧姆定律。磁路的欧姆定律。Sx HxIN匝匝集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统3. 磁路与电路的比较磁路与电路的比较 磁路磁路磁通势磁通势F磁通磁通 磁阻磁阻电路电路电动势电动势 E电流密度电流密度
38、 J 电阻电阻磁感应强度磁感应强度B电流电流 ISlmRSlNIRFmSlRSlEREI NI+_EIR集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统4. 磁路分析的特磁路分析的特点点(1)(1)在处理电路时不涉及电场问题，在处理磁路时离在处理电路时不涉及电场问题，在处理磁路时离不开磁场的概念；例如在讨论电机时，常常要分析电不开磁场的概念；例如在讨论电机时，常常要分析电机磁路的气隙中磁感应强度的分布情况。机磁路的气隙中磁感应强度的分布情况。(2)(2)在处理电路时一般可以不考虑漏电流，在处理磁在处理电路时一般可以不考虑漏电流，在处理磁路时一般都要考虑漏磁通；路时一
39、般都要考虑漏磁通；(3)(3)磁路欧姆定律和电路欧姆定律只是在形式上相似。磁路欧姆定律和电路欧姆定律只是在形式上相似。由于由于 不是常数，其随励磁电流而变，磁路欧姆定不是常数，其随励磁电流而变，磁路欧姆定律不能直接用来计算，只能用于定性分析；律不能直接用来计算，只能用于定性分析；(4)(4)在电路中，当在电路中，当 E E=0=0时，时，I I=0=0；但在磁路中，由于有；但在磁路中，由于有剩磁，当剩磁，当 F F=0 =0 时，时， 不为零不为零；集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统5. 磁路的分析计磁路的分析计算算主要任务主要任务: 预先选定磁性材料
40、中的磁通预先选定磁性材料中的磁通 (或磁感应或磁感应强度强度)，按照所定的磁通、磁路各段的尺寸和材料，按照所定的磁通、磁路各段的尺寸和材料,求产生预定的磁通所需要的磁通势求产生预定的磁通所需要的磁通势F=NI ， 确定线确定线圈匝数和励磁电流。圈匝数和励磁电流。nn2211lHlHlHNI 基本公式：基本公式：设磁路由不同材料或不同长度和截面积设磁路由不同材料或不同长度和截面积的的 n 段组成，则基本公式为：段组成，则基本公式为： niiilHNI1即即 ,lH,lH2211称为磁路个段的磁压降称为磁路个段的磁压降集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统基本
41、步骤基本步骤: （由磁通（由磁通 求磁通势求磁通势F=NI ）(1) (1) 求各段磁感应强度求各段磁感应强度 Bi 各段磁路截面积不同，通过同一磁通各段磁路截面积不同，通过同一磁通 ，故有：，故有：nnSBBSB , . , S , 2211(2) (2) 求各段磁场强度求各段磁场强度 Hi 根据各段磁路材料的磁化曲线根据各段磁路材料的磁化曲线 Bi=f ( Hi) ,求求B1， B2 ，相对应的相对应的 H1， H2 ，。(3) (3) 计算各段磁路的磁压降计算各段磁路的磁压降 （Hi li ） (4) (4) 根据下式求出磁通势根据下式求出磁通势（ NI ） niiilHNI1集美大学轮
42、机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统例例1：一个具有闭合的均匀的铁心线圈，其匝数为一个具有闭合的均匀的铁心线圈，其匝数为 300，铁心中的磁感应强度为，铁心中的磁感应强度为 0.9T，磁路的平均，磁路的平均 长度为长度为45cm，试求：，试求： (1)铁心材料为铸铁时线圈铁心材料为铸铁时线圈 中的电流中的电流; (2)铁心材料为硅钢片时线圈中的电流。铁心材料为硅钢片时线圈中的电流。解：解： （1）查铸铁材料的磁化曲线，）查铸铁材料的磁化曲线， A 5133004509000.NHlI （2）查硅钢片材料的磁化曲线，）查硅钢片材料的磁化曲线， A 390300450
43、260.NHlI 当当 B=0.9 T 时，磁场强度时，磁场强度 H=9000 A/m，则，则当当 B=0.9 T 时，磁场强度时，磁场强度 H=260 A/m，则，则结论：如果要得到相等的磁感应强度，采用磁导率高结论：如果要得到相等的磁感应强度，采用磁导率高的铁心材料，可以降低线圈电流，减少用铜量。的铁心材料，可以降低线圈电流，减少用铜量。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统【分析】如线圈中通有同样大小的电流【分析】如线圈中通有同样大小的电流0.39A，则铁心，则铁心中的磁场强度是相等的，都是中的磁场强度是相等的，都是260 A/m。查磁化曲线可得，查
44、磁化曲线可得， 在例在例1(1)，(2)两种情况下，如线圈中通有同样大小两种情况下，如线圈中通有同样大小的电流的电流0.39A，要得到相同的磁通，要得到相同的磁通 ，铸铁材料铁心的截，铸铁材料铁心的截面积和硅钢片材料铁心的截面积，哪一个比较小？面积和硅钢片材料铁心的截面积，哪一个比较小？ B硅钢硅钢是是B铸铁铸铁的的17倍：因倍：因 =BS，如要得到相同的磁通，如要得到相同的磁通 ，则铸铁铁心的截面积必须是硅钢片铁心的截面积的，则铸铁铁心的截面积必须是硅钢片铁心的截面积的17倍。倍。B铸铁铸铁 = 0.05T、 B硅钢硅钢 =0.9T,结论：如果线圈中通有同样大小的励磁电流，要得结论：如果线圈
45、中通有同样大小的励磁电流，要得到相等的磁通，采用磁导率高的铁心材料，可使铁到相等的磁通，采用磁导率高的铁心材料，可使铁心的用铁量大为降低。心的用铁量大为降低。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统B=0.9 T 时，磁场强度时，磁场强度 H1=500 A/m例例2：有一环形铁心线圈，其内径为有一环形铁心线圈，其内径为10cm，外径为，外径为 5cm，铁心材料为铸钢。磁路中含有一空气隙，铁心材料为铸钢。磁路中含有一空气隙， 其长度等于其长度等于 0.2cm。 设线圈中通有设线圈中通有 1A 的电流，的电流， 如要得到如要得到 0.9T 的磁感应强度，试求线圈
46、匝数。的磁感应强度，试求线圈匝数。 解：解：空气隙的磁场强度空气隙的磁场强度 A/m102 . 71049 . 057000 BH cm 390.2- 2391 .ll 铸钢铁心的磁场强度，查铸钢的铸钢铁心的磁场强度，查铸钢的磁化曲线磁化曲线，铁心的平均长度铁心的平均长度磁路的平均总长度为磁路的平均总长度为 cm 23921510.l 集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统对各段有对各段有A 16351951440110 lHHNI A 144010201027250 .H A 1951039500211 lH总磁通势为总磁通势为163511635 INI
47、N线圈匝数为线圈匝数为 磁路中含有空气隙时，由于其磁阻较大，磁通势几磁路中含有空气隙时，由于其磁阻较大，磁通势几乎都降在空气隙上面。乎都降在空气隙上面。结论：当磁路中含有空气隙时，由于其磁阻较大，结论：当磁路中含有空气隙时，由于其磁阻较大，要得到相等的磁感应强度，必须增大励磁电流（设要得到相等的磁感应强度，必须增大励磁电流（设线圈匝数一定）。线圈匝数一定）。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 通过上述例题，可以得出如下结论：通过上述例题，可以得出如下结论： (1) 如果要得到相等的磁感应强度，如果要得到相等的磁感应强度，采用高磁导采用高磁导率的铁心材料
48、，可使线圈的用铜量大大降低。率的铁心材料，可使线圈的用铜量大大降低。 (2) 如果线圈中同有同样大小的励磁电流，要得如果线圈中同有同样大小的励磁电流，要得到相等的磁通，到相等的磁通，采用磁导率高的铁心材料，可使铁采用磁导率高的铁心材料，可使铁心的用铁量大大降低。心的用铁量大大降低。 (3) 当磁路中含有空气隙时，由于其磁阻较大，当磁路中含有空气隙时，由于其磁阻较大，要得到相等的磁感应强度，必须增大励磁电流（线要得到相等的磁感应强度，必须增大励磁电流（线圈匝数一定时）。圈匝数一定时）。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 本节主要内容本节主要内容 电磁作用
49、力的大小；电磁作用力的大小； 电磁力的方向电磁力的方向左手定则。左手定则。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统1.3.1 1.3.1 电磁作用力的大小电磁作用力的大小导线长度导线长度 l 、磁感应强度、磁感应强度 B 、电流、电流 I 三者与受力三者与受力 F 的关系：的关系：F = B l I（垂直）（垂直）F = B l I sin 书书P.9，三种情况：，三种情况：垂直、同向、有夹角垂直、同向、有夹角集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统1.3.2 1.3.2 电磁力的方向电磁力的方向 左手定则左手定则集美大学
50、轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 本节主要内容本节主要内容 直导体中的感应电动势；直导体中的感应电动势； 线圈中的感应电动势；线圈中的感应电动势； 自感；自感； 铁心线圈电路。铁心线圈电路。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统1.4.1 直导体中的感应电动势直导体中的感应电动势 (inductive electromotive force)导线长度导线长度 l 、磁感应强度、磁感应强度 B 、垂直切割的速度、垂直切割的速度 v 三者与感应电动势三者与感应电动势 e 的关系：的关系： e = B l v （垂直）（垂直）
