1、电器学第三章 电磁机构理论,电磁机构：磁系统励磁线圈磁系统：磁导体气隙一、电磁铁：电磁铁的定义：电磁铁是指通电后，对铁磁物质产生吸力，将电能转化为机械能的电器或电器部件。电磁铁的组成：由线圈、导磁体和反力弹簧组成。电磁铁的分类原则与类型：1、按衔铁运动方式分：直动式和转动式；2、按导磁体形状分：U形、E形和螺管式；3、按线圈电流种类分：直流和交流电磁铁；4 、线圈连接方式：并联线圈和串联线圈。,第一节 电磁结构的种类和特性,电磁铁的工作原理：线圈通电，导磁体被磁化，静铁心与衔铁之间产生吸力。吸力如大于弹簧反力，衔铁闭合，此时两者之间有一很小气隙；如线圈断电或吸力小于反力，则衔铁释放。,电器中电
2、磁铁的作用：单独或作为电器的组成或部件1）可远距离及自动控制电动机（接触器）； 2）作感应元件；3）作分励脱扣器和合闸电磁铁； 4）作为独立电器，如牵引电磁铁、制动电磁铁、起重电磁铁、电磁吸盘和电磁离合器等。磁路：由磁通、磁场强度H、磁感应强度B、磁压降Um反映。电磁系统的计算：是系统中磁场的计算，是三维场，常用有限差分法、有限元法，以及ANSYS等软件计算，可参阅上述参考资料。,二、电磁系统的吸力：(静态)吸力特性Ff() 或者 Mf(a)此时是假定衔铁运动无限缓慢得到的特性动态吸力特性考虑运动过程的时间轴三、机械特性/反力特性衔铁运动时所克服的机械负载的阻力Fr本质：负载特性与吸力特性的统
3、一衔铁的吸合：电磁吸力为主释放和复合：反作用力为主,四、时间特性：电磁系统的工作循环包括“动作过程”和“循环过程”两个重复的过程。“时间特性”的定义：指在动作过程与释放过程中，动作时间td和释放时间ts与衔铁行程的关系。（1）动作过程：由触动阶段tc和吸合运动tx阶段组成。前者的衔铁是静止不动的，其时间是指自电磁系统的线圈接上电源起到衔铁开始运动间的时间，用tc表示；而后者的衔铁吸合，动作时间用tx表示，动作时间td = tc+tx 。（2）释放过程：分为开始释放时间tk和返回运动时间tf两段，释放时间ts =tk+tf。,第二节 磁性材料及其基本特性,磁畴铁磁物质内部磁场范围的相对独立的天然
4、磁化区排列杂乱以致总体对外呈无磁性外界磁场作用下形成一致对外磁性否则无磁性可磁化至饱和状态各向异性：磁化的方向性居里点临界温度值磁性材料在此温度或以上，磁畴消失，变为顺磁材料,2）磁化曲线和磁滞回线,磁化曲线与磁滞回线,3）铁损和损耗曲线,铁损因磁滞和涡流现象导致的功率损耗正比于：磁通密度的平方正比于：磁通交变频率的1.21.3次方（磁滞回线变宽）损耗曲线图38铁损与磁感应强度和频率的函数实验曲线,4） (铁)磁性材料,软磁材料矫顽力小，小到百分之几A/m磁滞回线较窄磁导率不高，剩磁也不大磁滞现象不明显硬磁材料矫顽力大，达数十万A/m磁滞回线较宽最大磁能积（BH ）大可制作永磁铁经适当充磁后，
5、能长久保持较强的磁性,软磁材料种类电工纯铁硅钢高磁导率合金高频软磁材料非晶态软磁合金硬磁材料特点磁滞回线宽磁能积BH较大常用于永久磁铁充磁后磁性能维持较长时间常用种类铸造铝镍钴系粉末烧结铝镍钴系钡、锶、铁的氧化物烧结的铁氧体材料稀土钴系材料：稀土钴族元素钴稀土永磁材料：铵铁硼,第三节 电磁机构中的磁场及其路化,一.磁场的基本物理量磁场是一种特殊的物质磁场是电流所建立的一种空间电流之间相互作用力的中介磁场对电流的作用力微观上，是对运动电荷的作用力洛仑兹力,第三节 电磁机构中的磁场及其路化,二.磁场的基本性质,第三节 电磁机构中的磁场及其路化,三.磁场的路化磁力线是一条闭合曲线;磁通管;磁路：指磁
6、通或磁力线经过的闭合回路。,第四节 磁路的基本定律和计算任务,磁路基本定律由磁场基本定律磁通连续性定理和安培环路定律导出利用电路分析方法，将相当于i，将磁通管看作载流导体。,一.磁路的基本定律基尔霍夫第一定律：在磁路中取某闭合曲面为一点，则流入及流出该点的磁通代数和恒等于零。,基尔霍夫第二定律：在磁路中，回路的磁动势等于同回路交链的全部电流。,二.磁路的参数与等效磁路,拍合式电磁系统及其等效磁路,第四节 磁路的基本定律和计算任务,三.磁路相对电路而言的不同点（即特点）：1、磁导体的相对磁导率r是磁感应强度B（即）的函数，不是常数；2、存在漏磁通；3、主磁通和漏磁通不会产生焦耳热损耗；（电路电流
7、在电阻上产生焦耳热）4、与磁导体外部的磁通管相关的磁路参数需由磁场的基本性质和基本定律确定；5、它是分布参数性质的路。,四.磁路的计算的任务设计任务也称正求任务，是建立已知磁通所需的磁动势。验算任务也称反求任务，就是在已知电磁机构几何参数和电磁参数（主要是磁动势）的条件下，求该磁动势能够产生的磁通。一般借助于电子计算机来进行计算机辅助设计。,第五节 气隙磁导和磁导体磁阻的计算,工作气隙和非工作气隙（防剩磁气隙或非磁性垫片）。,计算气隙磁导的必要性：当气隙较大且磁路不饱和时，工作气隙的磁阻R比导磁体的磁阻大得多，故磁路的磁通势大多消耗在工作气隙上。因此，的计算结果直接影响磁路计算的结果。计算气隙
8、磁导的方法：有解析法、分隔磁场法、图解法、经验公式法。,第五节 气隙磁导和磁导体磁阻的计算,一.解析法求气隙磁导当磁力线和等磁位线分布能用数学方程式描述，气隙磁导可用解析法计算。其求解原理：是按照磁路欧姆定律求气隙磁导的方法。,1、磁极极面都是平面且平行：(1) 相互平行的矩形磁极式中 a：磁极长度（m）； b：磁极宽度（m）； ：磁极间气隙长度（m）； 0：真空磁导率， 0=410-7H/m。,对矩形极靴，当/a或/b0.2时，则可用下式计算： 上式中增加了 项，是考虑了边缘磁通而增加的修正系数。,(2) 相互平行的圆形导体：若/d0.4时，则用下式计算：式中 : d 直径； r 半径。若/
9、d0.2时，则用下式计算：上式中增加 项，同样是考虑了边缘磁通而增加的系数。,2 端面不平行的矩形磁极的气隙：式中，dx（R1，R2），=/r，即=r ，所以积分后，得：,3、磁极极面不都是平面但平行的磁极：二平行圆柱体的半径为r1、r2，中心距y，长l。 式中： l为导体的长度。,一圆柱体和一与之平行的平板：按着镜像法，将下面距离代入2x,当x4R时，,第五节 气隙磁导和磁导体磁阻的计算,可查表得到计算公式：例:,第五节 气隙磁导和磁导体磁阻的计算,二、分隔磁场法 :1、分析对象：气隙较大、边缘磁通不能忽略的情况；2、分隔磁场法的原理：是把包括边缘磁通在内的全部气隙磁通，按其可能的路径分割成
10、若干个有简单几何形状的磁通管。先分别计算每个磁通管的磁导，再将并联的磁通管磁导相加，结果即为所求的磁导。（1）每一个磁通管的磁导，可由其平均截面积和平均长度之比决定，即式中 Sav磁通管的平均截面积（m2） av磁通管的平均长度（m）； V磁通管的体积（m3）。（2）各并联磁通管磁导之和，即为气隙磁导，其计算式为：式中 n磁通管的数目。,第五节 气隙磁导和磁导体磁阻的计算,例：一个边长为a的正方形磁极对一个平行的无限大平面之间的气隙磁场如图所示，一个边长为a的正方形磁极对一个平行的无限大平面之间的气隙磁场，可以分割为一个正方形1、四个1/4圆柱体2、四个1/4空心圆柱体3、四个1/8球体4和四
11、个1/8空心球体等磁通管，先分别计算各磁通管的磁导：,三.磁导体的磁阻和磁阻抗,第五节 气隙磁导和磁导体磁阻的计算,第六节 磁路的微分方程及其解,一.磁路的微分方程,第六节 磁路的微分方程及其解,二.不计铁心磁阻时的计算,第七节 不计漏磁时的磁路计算,一.正求任务已知求IN。,计算例题如图所示直流磁路，铁心由铸钢制成，各段平均长度和铁心截面积为：L1=L3=200X10-3m， L2=L4=300 X 10-3 m； S1= 400 X 10-6 m2， S2=S4= 200 X 10-6 m2， S3= 600 X 10-6 m2， = 2X 10-3 m； 欲使磁路主磁通为2. 4 X10
12、-4 wb，求线圈磁动势,例 铁心由铸钢和空气隙构成，截面积AFe=0.0009m2，磁路平均长度lFe=0.3m，气隙长度=510-4m，求该磁路获得磁通量=0.0009Wb时所需的励磁磁动势。,解：铁心内磁通密度为,从铸钢磁化曲线查得：与BFe对应的HFe=9102A/m,空气隙中：,铁心段的磁位降：,所以，励磁磁势为 F=HFelFe+Hl=655A,第七节 不计漏磁时的磁路计算,二.反求任务,第八节 计及漏磁时的磁路计算,宜采用工程计算方法：分段法和漏磁系数法,一.归算漏磁导对于直流或串励交流磁路，磁动势为恒值;对于交流（并励）磁路，磁链是恒值。,归算漏磁导: 在等效磁路中，将漏磁通集
13、中在工作气隙处，形成归算漏磁导。,第八节 计及漏磁时的磁路计算,二.分段法计算磁路,是一种同时考虑漏磁通和铁心磁阻时的磁路近似计算方法。特点是将分布的磁动势和漏磁通集中于有限个小段上。,第八节 计及漏磁时的磁路计算,三.漏磁系数法计算磁路,电磁机构铁心各处的磁通与气隙磁通之间的关系可通过一比例系数来表示漏磁系数法。,若不计铁心磁阻，漏磁系数为,第十节 电磁机构的吸力计算,能量公式和麦克斯韦电磁力计算公式,一.能量公式（大气隙）,能量关系原有：A1A2输入： A3A4最后的磁能： A1A3做功： A2A4由于从能量角度推出各公式，谓之“能量公式” ： 366和366a,第十节 电磁机构的吸力计算
14、,能量公式和麦克斯韦电磁力计算公式,一.能量公式（大气隙）,近似处理：磁链与励磁电流成线性关系,第十节 电磁机构的吸力计算,能量公式和麦克斯韦电磁力计算公式,一.能量公式（大气隙）,二.麦克斯韦计算公式（小气隙）,第十一节 交流电磁吸力,一 交流电磁吸力的特点,吸力在一个周期内有两次将可能小于反力，此时出现了两次振动产生噪音。,二 分磁环的作用,短路环产生感应电动势和感应电流，感应电流又产生通过短路环的磁通，,第十一节 交流电磁吸力,产生的吸力叠加后，使最小吸力大于反力，从而消除振动。,第十一节 交流电磁吸力,三相磁通分别存在120的相角合力：显然，合力大小不随时间而变合力作用点以2倍工频在两
15、线圈中心线上M、N两点间周期性地往返三相电磁机构的电磁力由于合力不会同时到零，所以不必设置分磁环。,三、三相电磁机构的电磁吸力,第十二节静特性及其与机械反力特性的配合,静特性主要考虑的几种形式的电磁铁：U型、E型;直动式、转动式;螺管力作用的电磁铁。,静特性与机械反力特性的配合：,第十三节 电磁机构的动态特性,动态特性描述：仅分析直流电磁机构的动态特性,电磁系统的工作循环包括“动作过程”和“循环过程”两个重复的过程。“时间特性”的定义：指在动作过程与释放过程中，动作时间td和释放时间tf与衔铁行程的关系，如图所示。,（1）动作过程：由触动阶段tc和吸合运动tx阶段组成。前者的衔铁是静止不动的，
16、其时间是指自电磁系统的线圈接上电源起到衔铁开始运动间的时间，用tc表示；而后者的衔铁吸合，动作时间用tx表示，动作时间td = tc+tx 。（2）释放过程：分为开始释放时间tk和返回运动时间tf两段，释放时间ts =tk+tf。,第十三节 电磁机构的动态特性,.运动过程状态方程 在铁心运动过程中，除了电磁参数发生变化外，其机械参数也发生变化。因此在分析它的动态过程时，在电路方面必须遵循克希霍夫方程，在运动方面必须遵循达朗贝尔方程，在磁场方面必须遵循麦克斯韦方程，它们相互联系，共同描述了运动过程的微分方程组（此方程组包含了触动阶段和运动阶段）,本章小结,最简单的气隙的磁导的计算公式：试述磁路的
17、基本定律。磁路计算的复杂性表现在哪里？衔铁被吸合以后还有漏磁通吗？无分支磁路不计漏磁时的磁路计算：复杂磁路的计算：分段法、漏磁系数法（了解）,分磁环的概念、作用：（ 三相电磁机构的电磁力不必设置分磁环）分别描述电磁机构在电流恒定、磁链恒定、电流和磁链不恒定状况下的能量平衡关系 P98一.能量公式（大气隙）（不考虑漏磁通和铁心磁阻）二.麦克斯韦计算公式（小气隙）转动式U型电磁机构和直动式U型电磁结构在恒磁势和恒磁链条件下电磁吸力的关系？,为了消除交流电磁系统中的交流声，在磁系统的磁极上应采用什么措施？ 。A. 采用E型电磁铁;B. 加装阻尼套筒;C. 留有一定间隙的气隙;D. 加装分磁环。交流电
18、磁机构的设计中，为了消除衔铁可能产生的有害的振动，为克服此缺点，常常采用在磁极表面加装 。有一个交流并联电磁铁，极面附近装有分磁环，开始使用时，在闭合位置振动和噪声很小，但使用一段时间以后，振动和噪声显著增大，试分析可能的原因，并说明理由。分磁环松动：可能造成电磁铁闭合不好，极面间存在间隙，从而造成振动和噪声增大。分磁环磨损：分磁环磨损从而使其截面积减少，电阻增大，于是分磁环内外磁通之间的相位差角减小，使其合成吸力有时小于反力，造成振动和噪声增大。分磁环断裂：即分磁环开路，和电磁铁没有加分磁环相似，在交流电流过零时，吸力等于零，而此时反力并末为零，于是造成并联电磁铁的衔铁离开静铁心，然而吸力很
19、快就增加到大于反力，衔铁又被吸合，从而产生很大振动和噪声。,试从静态观点和动态观点出发，分析电磁系统的吸力反力特性之间如何配合？从静态观点出发，只要动作值下的吸力特性处处高于反力特性和释放值下的吸力特性处处低于反力特性，就能保证电磁系统在吸合和释放过程中正常工作，而不致中途被卡住。但从动态观点来看，则只要吸力特性与反力特性呈现正差时的能量大于呈现负差时的能量，而且动作值下的吸力特性在处大于反作用力，电磁系统即能正常工作，同时还能减小撞击。,电磁机构中，交流线圈误接入直流电源，直流线圈误接入交流电源，会发生什么情况？直流线圈通过直流电流的大小就是由直流电压和线圈直流电阻决定。直流线圈的设计匝数要比同参数的交流线圈多很多，它全靠线圈本身的直流电阻在起作用。因此，交流线圈通过直流电，除非电压很低，使得线圈直流电阻可以让电流在线圈的安全范围以内，线圈才不会发热烧毁。也就是，交流220v的电磁线圈加上直流220V,会烧掉。 直流220V线圈加交流220V不会烧，因为直流电阻已经足够大，何况还有交流阻抗。但如果铁心是实心而不是硅钢片叠层的，则铁心会由于涡流发热。而且电磁振动很大。,
