1、电机学第1章电磁学基础1.1磁场和安培环路定律1.2交流磁路的特点1.3线圈的自感和自感电抗1.4电磁感应定律1.5载流导体在磁场中所受到的电磁力1.6能量守恒原理1.7可逆原理1.1磁场和安培环路定律磁场和磁路当导体中通有电流时，载流导体的周围就会形成磁场。由于铁磁材料的磁导率要比空气大得多，所以在电机和变压器中常常用铁磁材料来加强磁场，并同时对磁场导向，使大部分磁通被约束在规定的区域和特定的路径内，这种路径就称为磁路。图1-1表示变压器的主磁通所通过的铁心主磁路，以及少量通过周围空气的漏磁通所形成的漏磁磁路。1.1磁场和安培环路定律图1-1变压器的磁路1.1磁场和安培环路定律安培环路定律沿
2、着任何一条闭合回线L，磁场强度H的线积分值Hdl就等于被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。用式子表示时有 LHdl=i(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，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LHdl=-i1+i2-i3。1.1磁场和安培环路定律图1-2安培环路定律1.1磁场和安培环路定律磁路的欧姆定律图1-3a是一个无分支的简单铁心磁路，铁心上套有一个N匝的线圈，线圈中通有电流i，铁心的截面积为A，磁路的平均长度为l。由于载流线圈的作用，铁心内将产生一定的磁通。若不计漏
3、磁通，即认为所有的磁通都被约束在铁心内，并设每段铁心截面内的磁通密度都是均匀分布，磁场强度H和磁通密度B的方向都是沿着回线的切线方向，大小处处相等，就有LHdl=Hl，1.1磁场和安培环路定律1.1磁场和安培环路定律图1-3简单的铁心磁路a)简单铁心磁路b)等效磁路图1.1磁场和安培环路定律式(1-6)表示，作用在磁路上的磁动势F等于磁路内的磁通量乘以磁路的磁阻Rm,此关系与直流电路中的欧姆定律十分相似，故通常称为磁路的欧姆定律。这里，我们把磁动势F比拟为电路中的电动势E，磁通量比拟为电流I，磁阻Rm比拟为电阻R。图1-3b为与图1-3a相应的等效磁路图。1.1磁场和安培环路定律图1-4简单串
4、联磁路a)简单串联磁路b)等效磁路图1.1磁场和安培环路定律图1-5气隙的边缘效应1.1磁场和安培环路定律1.1磁场和安培环路定律例1-2若在例1-1的磁路中，有一个长度为=510-4m的气隙，问铁心中产生1T的磁通密度时，所需的磁动势F为多少？已知铁心的截面积AFe=310-2310-2m2，磁导率Fe=50000。1.1磁场和安培环路定律1.1磁场和安培环路定律图1-6铁磁材料的磁化曲线B=f和=f(H)1.2交流磁路的特点1.交流磁路的特点2.铁心损耗1.交流磁路的特点(1)根据电磁感应定律，交变的磁通将在线圈内产生感应电动势，此问题将在1.4节中说明。(2)交变的磁通会在铁心中引起铁心
5、损耗，这将在下面作进一步的说明。(3)激磁电流im与铁心中的磁通量?之间将形成一定的相位差，此时im中除磁化分量i外，还将出现一个与铁心损耗相对应的铁耗分量iFe，这将在3.2节中作进一步的说明。(4)由于磁路的非线性，根据绕组的不同连接方式，可以导致激磁电流im、磁通?和感应电动势e的波形出现畸变。2.铁心损耗铁磁材料置于交变磁场中时，材料被反复交变磁化，铁磁物质内的磁畴相互间不断地摩擦，将产生磁滞损耗。实验表明，磁滞损耗ph可用下式计算 (1-10)式中，Ch为材料的磁滞损耗系数；f为磁场的交变频率；Bm为磁通密度的幅值；n为指数，对一般电工钢片，n=1.62.3；V为铁心的体积。2.铁心
6、损耗图1-7硅钢片中的涡流2.铁心损耗由于铁心既是导磁体又是导电体，所以当通过铁心的磁通随时间交变时，根据电磁感应定律，围绕着磁场，铁心中将产生感应电动势和旋涡状流动的涡流,如图1-7中虚线所示。涡流在铁心中引起的损耗称为涡流损耗。分析表明，涡流损耗pe为 (1-11)式中，Ce为材料的涡流损耗系数；为硅钢片厚度。为减小涡流损耗，电机和变压器的铁心都用含硅量较高、厚度为0.350.5mm的薄硅钢片叠成，这样一方面具有良好的磁性能，另一方面又增大了钢片的电阻率和加长了涡流的路径，从而减小了涡流损耗。2.铁心损耗1.3线圈的自感和自感电抗1.3线圈的自感和自感电抗1.4电磁感应定律1.法拉第电磁感
7、应定律2.产生感应电动势的三种情况1.法拉第电磁感应定律式(1-19)就是法拉第电磁感应定律；式中e的正方向与?的正方向符合右手螺旋关系，负号是使e的实际方向与由楞茨定则所确定的方向相一致所引入。楞茨定则指出，感应电流所产生的磁通，其方向总是阻止原磁通变化的方向。以图1-8所示情况为例，设?的正方向为自下向上，按照右手螺旋法则，线圈感应电动势e的正方向应为从线圈的首端A指向尾端X，即图中e的箭头方向所示。1.法拉第电磁感应定律图1-8磁通?和线圈感应电动势e的正方向1.法拉第电磁感应定律若线圈有N匝，它们都与磁通?相交链，则式(1-19)应改写为2.产生感应电动势的三种情况(1)回路静止，磁通
8、?随时间而变化(2)磁场恒定不变，闭合回路在磁场中运动(3)磁场随时间变化，闭合回路又在磁场内运动这是一种普遍情况，即既有变压器电动势又有运动电动势的情况。(1)回路静止，磁通?随时间而变化图1-9变压器的工作原理(1)回路静止，磁通?随时间而变化(1)回路静止，磁通?随时间而变化(2)磁场恒定不变，闭合回路在磁场中运动图1-10回路运动时，时间dt内线段dl所扫过的面积d(2)磁场恒定不变，闭合回路在磁场中运动(2)磁场恒定不变，闭合回路在磁场中运动图1-11由右手法则确定运动电动势的方向(2)磁场恒定不变，闭合回路在磁场中运动(3)磁场随时间变化，闭合回路又在磁场内运动(3)磁场随时间变化
9、，闭合回路又在磁场内运动1.5载流导体在磁场中所受到的电磁力1.5载流导体在磁场中所受到的电磁力图1-12毕-萨定律1.5载流导体在磁场中所受到的电磁力图1-13左手定则1.5载流导体在磁场中所受到的电磁力1.6能量守恒原理在质量不变的物理系统中，能量既不能被产生、也不能被消灭，而仅能改变其存在形态，这就是能量守恒原理。能量守恒原理是物理学中的一条基本原理，它也是研究电机问题的基本出发点之一。绝大多数电机都是以磁场作为耦合场。对于这类电机，若转子转速为恒定，根据能量守恒原理，不难写出能量转换过程中电机内的能量关系为1.6能量守恒原理1.7可逆原理若在电机的轴上输入机械功率，使旋转的电枢导体“切割”主极磁场，电枢绕组内就会产生感应电动势，并对外输出电功率，此时电机将作为发电机运行。反之，如果电枢从外部电源输入电流和电功率，电枢载流导体与主极磁场相作用，将产生电磁力和电磁转矩，使转子旋转而输出机械功率，电机将作为电动机运行。所以就原理而言，任何电机既可作为发电机，也可作为电动机，发电机和电动机只是同一电机的两种不同运行状态，此原理就称为电机的可逆原理。
