（高职）第2章 电磁学基础ppt课件.pptx

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1、第2章 电磁学基础低压变频器应用与维护 主讲 王兆义 高等教育出版社（第4 版） 第第 2 2 章章 电磁学基础电磁学基础【知识学习知识学习】 2.1磁场与磁路的基本物理量磁场与磁路的基本物理量 现在是电的天下了，人们出门骑电动车，远道开电动汽车，出现在是电的天下了，人们出门骑电动车，远道开电动汽车，出差坐高铁，这些交通工具都是通过电磁力驱动。随着环保的深入，差坐高铁，这些交通工具都是通过电磁力驱动。随着环保的深入，电动机械最终会取代燃料机械。电动机械最终会取代燃料机械。 磁感应强度和磁通磁感应强度和磁通 1. 磁感应强度磁感应强度B 实验表明，处于磁场中某点的一小段与磁场方向垂直的通电导实验

2、表明，处于磁场中某点的一小段与磁场方向垂直的通电导体，如果通过它的电流为体，如果通过它的电流为I，其有效长度为，其有效长度为L，则它所受到的电磁，则它所受到的电磁力力F与与IL的比值是一个恒量。的比值是一个恒量。 不论不论I和和L如何变化，比值如何变化，比值F/IL始终保始终保持不变。人们将这个比值定义为该点的磁感应强度持不变。人们将这个比值定义为该点的磁感应强度。 第第 2 2 章章 电磁学基础电磁学基础磁场强度是定量描述磁场中各点磁场强弱和方向的物理量，即磁场强度是定量描述磁场中各点磁场强弱和方向的物理量，即式中，式中，B为磁感应强度，单位为为磁感应强度，单位为 （特）；（特）；F 为通电

3、导体所受磁为通电导体所受磁场力，单位为场力，单位为 （牛）；（牛）；I为导体中的电流，单位为为导体中的电流，单位为 （安）；（安）；l 为导体的长度，单位为为导体的长度，单位为 m（米）。磁感应强度是矢量，它的方米）。磁感应强度是矢量，它的方向与该点磁场的方向相同。向与该点磁场的方向相同。 三个物理量的关系三个物理量的关系用左手定则进行判断，用左手定则进行判断，见图。见图。 第第 2 2 章章 电磁学基础电磁学基础 2.电磁力电磁力 通电导体在磁场中要受到电磁力的作用。将磁感应强度的通电导体在磁场中要受到电磁力的作用。将磁感应强度的定义式用电磁力来表示，就变为计算磁场电磁力的计算公式：定义式用

4、电磁力来表示，就变为计算磁场电磁力的计算公式： FB I l 若磁场中各点的磁感应强度的大小、方向都相同，则称匀若磁场中各点的磁感应强度的大小、方向都相同，则称匀强磁场。强磁场。 则电磁力则电磁力用下式计算用下式计算 FB I L 第第 2 2 章章 电磁学基础电磁学基础3. 磁通磁通 在匀强磁场中，磁感应强度与垂直于它的某一面积在匀强磁场中，磁感应强度与垂直于它的某一面积S 的乘积，的乘积，称为该面积的磁通，用称为该面积的磁通，用表示，即表示，即 B S 式中，式中， 的单位为的单位为 Wb（韦）。（韦）。 当当S=1m、 B1T时，时，1Wb。当面积当面积S与磁场方向有与磁场方向有夹角夹角

5、时时则磁通为则磁通为 BSsin磁通方向与面积磁通方向与面积S的夹角的夹角 第第 2 2 章章 电磁学基础电磁学基础4.磁通分布磁通分布 （1 1）直导线上的磁通分布）直导线上的磁通分布 直导线上的磁通分布是以直导线为中心的同心圆，见图直导线上的磁通分布是以直导线为中心的同心圆，见图2-32-3所示。图中是以磁感应线来描述磁通的分布，根据磁场都有正负所示。图中是以磁感应线来描述磁通的分布，根据磁场都有正负磁极，磁感应线从正极指向负极，即磁极，磁感应线从正极指向负极，即磁感应线是闭合线磁感应线是闭合线。磁通通磁通通过的路径称为过的路径称为磁路磁路。图图2-3 直导线上的磁通分布直导线上的磁通分布

6、 第第 2 2 章章 电磁学基础电磁学基础（2）螺线管中磁通的分布）螺线管中磁通的分布 见图所示，螺线管中的磁通方向用右手定则来判断，磁通集中见图所示，螺线管中的磁通方向用右手定则来判断，磁通集中在螺线管内。工程上为了使电流产生的磁通集中，都采用螺线管在螺线管内。工程上为了使电流产生的磁通集中，都采用螺线管结构。结构。图图2-4 螺线管中的磁通螺线管中的磁通 第第 2 2 章章 电磁学基础电磁学基础 磁导率磁导率与相对磁导率与相对磁导率r 表征各种物质导磁性能的物理量称为磁导率，用表征各种物质导磁性能的物理量称为磁导率，用表示，单位为表示，单位为H/m（亨（亨/米）米）。 不同的物质磁导率不同

7、不同的物质磁导率不同，越大，该物质的导越大，该物质的导磁性能越好，产生的磁场越强；磁性能越好，产生的磁场越强； 越小，该物质的导磁性能越差，越小，该物质的导磁性能越差，产生的磁场越弱。产生的磁场越弱。 真空中的磁导率真空中的磁导率 0 =10-7H/m， 为一常数。为一常数。 其他物质的导其他物质的导磁能力的大小，可以以真空的磁导率为衡量依据。磁能力的大小，可以以真空的磁导率为衡量依据。 某物质的磁某物质的磁导率导率与真空磁导率与真空磁导率 的比值，称为该物质的相对磁导率，用的比值，称为该物质的相对磁导率，用 r 表示，即表示，即 r / 自然界中的物质分为：自然界中的物质分为： 非铁磁性物质

8、：如空气、塑料、木材、铜等。非铁磁性物质：如空气、塑料、木材、铜等。导磁性能较差，导磁性能较差，其其r 。 第第 2 2 章章 电磁学基础电磁学基础2.铁磁性物质铁磁性物质：如铁、钴、镍及其合金等，其：如铁、钴、镍及其合金等，其r 。 铁磁材料是现今工程上普遍采用的电磁材料，硅钢片的产量在铁磁材料是现今工程上普遍采用的电磁材料，硅钢片的产量在钢铁产量中占有相当的比例。钢铁产量中占有相当的比例。 第第 2 2 章章 电磁学基础电磁学基础2.1.3 磁场强度磁场强度 H 由前面的分析可知，当一个通电线圈的匝数和电流不变时，线由前面的分析可知，当一个通电线圈的匝数和电流不变时，线圈中磁场的强弱与线圈

9、中的导磁物质的磁导率有关。圈中磁场的强弱与线圈中的导磁物质的磁导率有关。 但由于不同但由于不同物质的磁导率不同，使磁场的计算比较复杂，因此引进一个与物物质的磁导率不同，使磁场的计算比较复杂，因此引进一个与物质的磁导率无关的辅助量来表示磁场的强弱，称为磁场强度。质的磁导率无关的辅助量来表示磁场的强弱，称为磁场强度。 定义：磁场中某点的磁感应强度定义：磁场中某点的磁感应强度B 与介质的磁导率与介质的磁导率 之比，称为之比，称为该点的该点的磁场强度磁场强度，用，用 H表示，表达式为表示，表达式为 式中，式中，H的单位为的单位为 （安（安 米）。米）。 磁场强度是矢量，其方向磁场强度是矢量，其方向与该

10、点磁感应强度的方向相同。与该点磁感应强度的方向相同。BH 第第 2 2 章章 电磁学基础电磁学基础2.1.4 全电流定律全电流定律 全电流定律是计算磁路的基本定律。在电工技术中，通常只应全电流定律是计算磁路的基本定律。在电工技术中，通常只应用简单形式的全电流定律。全电流定律的表述为：用简单形式的全电流定律。全电流定律的表述为： 在磁场中，任选一磁感应线作为闭合回线，若闭合回线上各点在磁场中，任选一磁感应线作为闭合回线，若闭合回线上各点的磁场强度的磁场强度H相等且其方向与闭合回线的方向一致，则磁场强度与相等且其方向与闭合回线的方向一致，则磁场强度与闭合磁感应线的长度闭合磁感应线的长度l的乘积就等

11、于闭合磁感应线内所包含的电流的乘积就等于闭合磁感应线内所包含的电流的总和的总和I。数学表达式为。数学表达式为 H l= I 例例2-1 应用全电流定律计算环形线圈内部的磁场。应用全电流定律计算环形线圈内部的磁场。 如图如图2-5所示，在环形骨架上均匀的绕有所示，在环形骨架上均匀的绕有N匝线圈，若线圈中通匝线圈，若线圈中通一电流一电流I，则磁场分布在线圈内部。由于线圈几何形状的对称性，则磁场分布在线圈内部。由于线圈几何形状的对称性，所以环内的磁感应线都是同心圆，并且在同一磁感应线上各点的所以环内的磁感应线都是同心圆，并且在同一磁感应线上各点的磁场强度都相同，并与磁感应线的方向相同。磁场强度都相同

12、，并与磁感应线的方向相同。 第第 2 2 章章 电磁学基础电磁学基础可知，可知， 电流的总和为电流的总和为 I N。于是得。于是得 H2R=IN 整理得整理得 磁感应强度为磁感应强度为:这是个重要的结论，我们用它来计算线圈的磁感应强度。这是个重要的结论，我们用它来计算线圈的磁感应强度。 （a） （b） 图图2-5 环形螺线管图环形螺线管图 现以半径为现以半径为R的磁感的磁感应线作为闭合回线，根应线作为闭合回线，根据全电流定律，磁感应据全电流定律，磁感应强度与闭合磁感应线的强度与闭合磁感应线的长度的乘积等于半径为长度的乘积等于半径为R的磁力线所包围的电的磁力线所包围的电流的总和。由图流的总和。由

13、图2-5（b）RINH2RINB20 第第 2 2 章章 电磁学基础电磁学基础2.1.5 磁通势、磁通势与磁场强度的关系磁通势、磁通势与磁场强度的关系 在工程中，应用电磁做功是通过磁路完成的。因为磁通都集中在工程中，应用电磁做功是通过磁路完成的。因为磁通都集中在线圈内，磁路的磁导率又最大，可以得到最大的磁通。为了分在线圈内，磁路的磁导率又最大，可以得到最大的磁通。为了分析方便，也类似电路中的电动势、电流、电阻，定义磁路中的磁析方便，也类似电路中的电动势、电流、电阻，定义磁路中的磁通势、磁通、磁阻。且三者符合磁路的欧姆定律。通势、磁通、磁阻。且三者符合磁路的欧姆定律。1. 磁通势磁通势Em 由导

14、磁材料组成的闭合路径称为磁路（如图所示）。由导磁材料组成的闭合路径称为磁路（如图所示）。 磁路中的磁路中的磁通是由此路段励磁绕组产生的，绕组的磁通是由此路段励磁绕组产生的，绕组的安匝数越大，产生的磁通越大，反之则小。安匝数越大，产生的磁通越大，反之则小。 绕组的绕组的 安匝数是产生磁通的源泉（类似于安匝数是产生磁通的源泉（类似于电路中的电动势），定义为磁通势，用电路中的电动势），定义为磁通势，用Em表示表示 式中，式中， Em的单位为的单位为A。 第第 2 2 章章 电磁学基础电磁学基础2. 磁通势与磁场强度的关系磁通势与磁场强度的关系 在磁路中，磁场强度正比于磁通势在磁路中，磁场强度正比于磁

15、通势E，反比于磁路的有效长，反比于磁路的有效长度度l，表达式为，表达式为 式中，式中，H 的单位为的单位为 A/m（安（安 米），米），NI 的单位为的单位为 A（安），则（安），则L的单位为的单位为 （米）。（米）。 由式可知，在一个闭合磁路中，当磁通势一定时，磁路越短，磁由式可知，在一个闭合磁路中，当磁通势一定时，磁路越短，磁场强度越大，反之越小。场强度越大，反之越小。 因此，为了得到较强的磁场强度，磁路因此，为了得到较强的磁场强度，磁路要尽量短。要尽量短。 第第 2 2 章章 电磁学基础电磁学基础 磁阻磁阻Rm 电流在电路中流动时会受到电阻电流在电路中流动时会受到电阻 的的 阻阻 碍碍

16、作作 用，磁用，磁 通通 穿穿 过过 磁磁 路路 时时 同同 样样 会会 受受 到到 磁磁 阻阻 的阻碍作用。的阻碍作用。 磁阻的大小磁阻的大小 与与 磁磁 路路 的的 长长 度度 成成 正正 比，与比，与 磁磁 路路 材材 料料 的的 磁磁 导导 率率 及及 截截 面面 积积 成成 反反 比。表达式为比。表达式为式中，式中，L的单位为的单位为 （米），（米），S 的单位为的单位为 2， 的单位为的单位为/则磁阻的单位为则磁阻的单位为-1。 第第 2 2 章章 电磁学基础电磁学基础2.1.7 磁路欧姆定律磁路欧姆定律 磁路和电路的分析方法是一致的，所以在分析磁路时，将电路磁路和电路的分析方法是

17、一致的，所以在分析磁路时，将电路中的全电路欧姆定律应用到磁路的分析中的全电路欧姆定律应用到磁路的分析，其表达式为，其表达式为 式中，式中，的单位为的单位为Wb（韦），（韦），Em的单位为的单位为A，Rm的单位为的单位为H-1（亨（亨-1）。）。 在闭合磁路中，组成磁路的材料不同，磁阻不同。在利用欧姆在闭合磁路中，组成磁路的材料不同，磁阻不同。在利用欧姆定律计算磁通时，空气磁路和铁磁材料构成的磁路要分别计算磁定律计算磁通时，空气磁路和铁磁材料构成的磁路要分别计算磁阻。磁阻的大小也符合串并联定律。阻。磁阻的大小也符合串并联定律。mmRE 第第 2 2 章章 电磁学基础电磁学基础【工程应用工程应用】

18、2.1.8 电磁力做功应用电磁力做功应用1.磁路磁路 由全电流定律推得，磁通集中在线圈内；又知铁磁材料具有高由全电流定律推得，磁通集中在线圈内；又知铁磁材料具有高导磁率，铁心线圈结构是是电磁应用的最佳结构。由高导磁材料导磁率，铁心线圈结构是是电磁应用的最佳结构。由高导磁材料做磁路，使磁通在高导磁材料中闭合流动。因为高导磁材料最便做磁路，使磁通在高导磁材料中闭合流动。因为高导磁材料最便宜的就是铁，所以大型电器都是铁心线圈结构。图宜的就是铁，所以大型电器都是铁心线圈结构。图2-8 2-8 是常用的是常用的几种铁心。几种铁心。 第第 2 2 章章 电磁学基础电磁学基础2.电磁铁电磁铁 电磁铁是利用通

19、电的铁心线圈吸引衔铁而工作的电器。电电磁铁是利用通电的铁心线圈吸引衔铁而工作的电器。电磁铁的用途极为广泛，如工业生产中使用的起重电磁铁；电器磁铁的用途极为广泛，如工业生产中使用的起重电磁铁；电器设备中的接触器、继电器、制动器、液压电磁阀等中的电磁铁；设备中的接触器、继电器、制动器、液压电磁阀等中的电磁铁；磨床中的电磁吸盘等。磨床中的电磁吸盘等。 电磁铁由于用途不同其形电磁铁由于用途不同其形状各异，但都是由状各异，但都是由励磁线圈、励磁线圈、静铁心和衔铁（动铁心）静铁心和衔铁（动铁心）三三个主要部分组成个主要部分组成 第第 2 2 章章 电磁学基础电磁学基础【知识学习知识学习】 2.2铁磁性材料

20、的性质及磁路铁磁性材料的性质及磁路 电能应用离不开磁路。高导磁率、高剩磁、高频低耗的磁电能应用离不开磁路。高导磁率、高剩磁、高频低耗的磁性材料成了科技发展水平的标志。性材料成了科技发展水平的标志。电动机、变压器等电器设备电动机、变压器等电器设备都要采用铁心作磁路。都要采用铁心作磁路。 下面就来研究铁磁性材料的磁化特性。下面就来研究铁磁性材料的磁化特性。2.2.1 铁磁性材料的磁化特性铁磁性材料的磁化特性 铁磁性材料具有很强的被磁化特性。铁磁性材料具有很强的被磁化特性。 铁磁性材料内部存在着铁磁性材料内部存在着许多小的自然磁化区，称许多小的自然磁化区，称 为磁畴。为磁畴。 这些磁畴犹如小的磁铁，

21、在这些磁畴犹如小的磁铁，在无外磁场作用时呈杂乱无章的排列，对外不显磁性，如无外磁场作用时呈杂乱无章的排列，对外不显磁性，如 下图所下图所示。示。 当有外磁场时，在磁场力作用下磁畴将按照外磁场方向顺当有外磁场时，在磁场力作用下磁畴将按照外磁场方向顺序排列，使磁场大大增强。序排列，使磁场大大增强。 第第 2 2 章章 电磁学基础电磁学基础 第第 2 2 章章 电磁学基础电磁学基础1.高导磁性高导磁性 铁磁性材料的磁化曲线如铁磁性材料的磁化曲线如右图所示。右图所示。 横轴为外加磁场横轴为外加磁场强度强度 H，纵轴为铁磁性材料，纵轴为铁磁性材料的磁感应强度的磁感应强度B。 在磁化曲在磁化曲线的起始线的

22、起始oa段，段，B 随随 H 的增的增加较慢，当加较慢，当 H由由 H1 向向 H2 增加时，铁磁性材料内部磁增加时，铁磁性材料内部磁畴的磁场按外磁场的方向顺畴的磁场按外磁场的方向顺序排列，使序排列，使铁磁性材料内的铁磁性材料内的磁场大为加强磁场大为加强，B迅速增大，迅速增大，且且B与与H基本上呈线性关系（见图）。基本上呈线性关系（见图）。 第第 2 2 章章 电磁学基础电磁学基础2.磁饱和性磁饱和性 当当H达到一定强度时，由于小磁畴的方向大部分已转向外磁场方达到一定强度时，由于小磁畴的方向大部分已转向外磁场方向，当向，当 H再增加时再增加时B的增加速度减慢。的增加速度减慢。 在曲线的在曲线的

23、bc段已产生了明段已产生了明显的弯曲，此段曲线通常称为磁化曲线的膝部。显的弯曲，此段曲线通常称为磁化曲线的膝部。 当过了曲线的当过了曲线的C点，由于小磁畴已基本全部转向，点，由于小磁畴已基本全部转向，H再增加时再增加时B 已基本不再增加，已基本不再增加，这时这时B 值达到值达到饱和值饱和值B。由磁化曲线可见，铁磁性材料的由磁化曲线可见，铁磁性材料的B 与与H 不成正比，所以铁磁性材不成正比，所以铁磁性材料的料的值不是常数值不是常数,随随 H而变化。而变化。 由于磁通由于磁通 与与B 成正比，产生磁成正比，产生磁通的励磁电流通的励磁电流I与与 H 成正比，因此成正比，因此铁磁性材料的铁磁性材料的

24、 与与I也不成正比。也不成正比。 第第 2 2 章章 电磁学基础电磁学基础3.磁滞特性磁滞特性 磁化曲线如图（磁化曲线如图（a）所示，当初始值）所示，当初始值H从从O点增加时，磁点增加时，磁化曲线上升到化曲线上升到a点。当点。当H下降时，磁化曲线沿着下降时，磁化曲线沿着abc线下降，线下降，H达到达到-Hm时，磁化曲线达到负的顶点时，磁化曲线达到负的顶点d。当。当H增加，磁化曲线又增加，磁化曲线又沿着沿着defa上升。在反复磁化过程中，磁化曲线形成闭合上升。在反复磁化过程中，磁化曲线形成闭合abcdefa闭合曲线。闭合曲线。在曲线中，在曲线中，当当H=0时，出现了剩磁时，出现了剩磁Br和和-B

25、r，要想消除，要想消除Br，就得加上，就得加上-Hc；消除消除-Br，就得加上，就得加上+Hc，Hc称称为矫顽力。为矫顽力。图（图（a） 第第 2 2 章章 电磁学基础电磁学基础 在磁路中，矫顽力越小越好，即磁化曲线狭长，称为在磁路中，矫顽力越小越好，即磁化曲线狭长，称为软磁材软磁材料料，如图，如图2-15（b）所示。常用软磁材料有硅钢片、坡莫合金、）所示。常用软磁材料有硅钢片、坡莫合金、铁氧体等；在永久磁铁中，剩磁越大，矫顽力越大越好，即磁化铁氧体等；在永久磁铁中，剩磁越大，矫顽力越大越好，即磁化曲线接近矩形，称为曲线接近矩形，称为硬磁材料硬磁材料，如图，如图2-15（c）所示。常用硬磁材）

26、所示。常用硬磁材料有钨钢、铝镍合金、稀土材料等。料有钨钢、铝镍合金、稀土材料等。（b）软磁材料）软磁材料 （c）硬磁材料）硬磁材料 第第 2 2 章章 电磁学基础电磁学基础4.高频软磁和硬磁材料高频软磁和硬磁材料 随着科技的发展，人们需要工作频率更高的磁路和剩磁更强的永久磁铁。随着科技的发展，人们需要工作频率更高的磁路和剩磁更强的永久磁铁。如大功率的高频电能变换变压器的磁路；用永久磁铁取代直流电动机的励如大功率的高频电能变换变压器的磁路；用永久磁铁取代直流电动机的励磁等。磁等。 高频软磁材料高频软磁材料都是采用的铁氧体，即铁的氧化物。它是通过烧结工艺制都是采用的铁氧体，即铁的氧化物。它是通过烧

27、结工艺制成的磁路成品，机械性能如陶瓷，质脆。电磁性能在高频应用时磁滞损耗成的磁路成品，机械性能如陶瓷，质脆。电磁性能在高频应用时磁滞损耗小，工作稳定，相对磁导率小，工作稳定，相对磁导率r在在14003300之间。工作频率在之间。工作频率在20100kHz之之间，是制造功率磁路的主要材料。间，是制造功率磁路的主要材料。 在铁氧体制造时加入钡、锶等材料，得到在铁氧体制造时加入钡、锶等材料，得到硬磁特性硬磁特性，用于永久磁铁。随，用于永久磁铁。随着永久磁铁剩磁的增加，已经应用到直流电动机的励磁，替代了线圈绕组。着永久磁铁剩磁的增加，已经应用到直流电动机的励磁，替代了线圈绕组。 当需要更高剩磁的永磁材

28、料，就要在铁磁材料中加入稀土元素，如我国当需要更高剩磁的永磁材料，就要在铁磁材料中加入稀土元素，如我国研制和生产的钕铁硼稀土合金永磁材料，矫顽力是碳钢的研制和生产的钕铁硼稀土合金永磁材料，矫顽力是碳钢的300倍，具有超倍，具有超强的剩磁。稀土永磁材料主要应用在尖端设备上，如航空仪器、雷达、微强的剩磁。稀土永磁材料主要应用在尖端设备上，如航空仪器、雷达、微特电机、核磁共振、移动电话、音响设备等。特电机、核磁共振、移动电话、音响设备等。 第第 2 2 章章 电磁学基础电磁学基础【工程应用工程应用】 2.3 磁性材料应用磁性材料应用2.3.1 永磁直流电动机永磁直流电动机1 . 工作原理工作原理 电

29、动机有电动机有3组换向片，每个极靴组换向片，每个极靴上的绕组分别连接在接近的两个换上的绕组分别连接在接近的两个换向片上。在图示位置，电刷向片上。在图示位置，电刷“”正正好将换向片好将换向片2和换向片和换向片1短路，此时线圈短路，此时线圈1被短路没电。线圈被短路没电。线圈2和线圈和线圈3通电，对应的两个极靴形成通电，对应的两个极靴形成S、N磁极。磁极。S-S相斥，相斥，N-S相吸，驱动相吸，驱动转子逆时针旋转，见图所示。当转到线圈转子逆时针旋转，见图所示。当转到线圈2被电刷被电刷“+”短路，其极短路，其极靴失磁，线圈靴失磁，线圈1得电其极靴充磁为得电其极靴充磁为N极，此时极，此时S-N相吸，相吸

30、，N-N相斥，相斥，转子继续逆时针转动。转子继续逆时针转动。 第第 2 2 章章 电磁学基础电磁学基础2.3.2 磁悬浮技术应用磁悬浮技术应用 1. 磁悬浮列车磁悬浮列车 磁悬浮技术理论依据就是磁极的同性相斥、异性相吸原理。通磁悬浮技术理论依据就是磁极的同性相斥、异性相吸原理。通过斥力或吸力，克服地球的引力，使其处于悬浮的一项技术。过斥力或吸力，克服地球的引力，使其处于悬浮的一项技术。（a）磁极垂直图）磁极垂直图 （b）磁极平面图）磁极平面图 第第 2 2 章章 电磁学基础电磁学基础2.磁力悬浮轴承磁力悬浮轴承 轴承在工作中产生摩擦力，消耗机械能，使轴承发热，严重时轴承在工作中产生摩擦力，消耗

31、机械能，使轴承发热，严重时烧毁。磁悬浮轴承因为转轴处于悬浮转态，消除了摩擦力的影响，烧毁。磁悬浮轴承因为转轴处于悬浮转态，消除了摩擦力的影响，是一项非常有前途和逐步推广的新型技术。是一项非常有前途和逐步推广的新型技术。 磁悬浮轴承分永磁体悬浮轴承和线圈励磁的悬浮轴承。永磁体磁悬浮轴承分永磁体悬浮轴承和线圈励磁的悬浮轴承。永磁体悬浮轴承结构简单，适用于小功率悬浮轴承结构简单，适用于小功率的设备上。线圈励磁的悬浮轴的设备上。线圈励磁的悬浮轴承一般应用于大功率的传动机械，承一般应用于大功率的传动机械，右图是永磁体悬浮轴承示意图，右图是永磁体悬浮轴承示意图，通过两个圆锥形磁体的同性相斥，通过两个圆锥形

32、磁体的同性相斥，产生径向和轴向斥力，保证转产生径向和轴向斥力，保证转轴在轴向和径向悬浮工作。轴在轴向和径向悬浮工作。 第第 2 2 章章 电磁学基础电磁学基础2.3.3 2.3.3 磁力隔离水泵磁力隔离水泵 在一些机械传动设备中，即需要传动，又不能直接接触，就采在一些机械传动设备中，即需要传动，又不能直接接触，就采用磁力传动。电磁力可以在空气或非铁磁媒质中传递，人们根据用磁力传动。电磁力可以在空气或非铁磁媒质中传递，人们根据磁力的这个特点，应用在需要隔离传动的机械上。图磁力的这个特点，应用在需要隔离传动的机械上。图中中是一种磁是一种磁力隔离泵。该泵的液体不能渗透到传动轴上，就采用了磁力隔离力隔

33、离泵。该泵的液体不能渗透到传动轴上，就采用了磁力隔离技术。技术。 第第 2 2 章章 电磁学基础电磁学基础【能力培养能力培养】 2.3.4 2.3.4 回答问题回答问题 1. 1.图图a a中中是一只电动扬声器，当在音圈上加上音频电流是一只电动扬声器，当在音圈上加上音频电流叙述其发生原理。叙述其发生原理。 2. 2.图图b b 是一只电动式仪表，当给可动线圈上加上电流表针是一只电动式仪表，当给可动线圈上加上电流表针 就会发生偏转。就会发生偏转。试述转动原理，游丝在表中起什么作用。试述转动原理，游丝在表中起什么作用。图（图（a） 图（图（b） 第第 2 2 章章 电磁学基础电磁学基础 3.有人研

34、制一种节能设备，需要一个电磁阀门。因为将电有人研制一种节能设备，需要一个电磁阀门。因为将电磁阀门在向设备上安装时，其电磁铁的磁阀门在向设备上安装时，其电磁铁的铁铁壳碍事就给拆掉了壳碍事就给拆掉了。拆掉。拆掉铁铁壳后，发现电磁铁不能吸合（见图所示）。请壳后，发现电磁铁不能吸合（见图所示）。请指出问题出在哪里，什么原理不能吸合。指出问题出在哪里，什么原理不能吸合。这是笔者一个初中文化的这是笔者一个初中文化的朋友曾经请教的一个问题。朋友曾经请教的一个问题。 第第 2 2 章章 电磁学基础电磁学基础【知识学习知识学习】 .4 电磁感应基础电磁感应基础感应电动势的产生感应电动势的产生 当导体对磁场做相对

35、运动切割磁感线时，导体中便有感应电当导体对磁场做相对运动切割磁感线时，导体中便有感应电动势产生；当闭合回路的磁通量发生变化时，回路中便有感应电动势产生；当闭合回路的磁通量发生变化时，回路中便有感应电动势产生。动势产生。 这两种本质上一样，但在不同条件下产生感应电动势这两种本质上一样，但在不同条件下产生感应电动势的现象，统称电磁感应。从形式上看，产生感应电动势有两种方的现象，统称电磁感应。从形式上看，产生感应电动势有两种方法法切割磁感线和磁通量变化。切割磁感线和磁通量变化。 1.1.切割磁感线产生感应电动势切割磁感线产生感应电动势 如图（）所示，当处在匀强磁场如图（）所示，当处在匀强磁场B中的直

36、导线中的直导线L以速度以速度V垂直垂直于磁场方向运动切割磁感线时，导线中便产生感应电动势，感应于磁场方向运动切割磁感线时，导线中便产生感应电动势，感应电动势为电动势为 第第 2 2 章章 电磁学基础电磁学基础式中，式中， e 的单位为；的单位为；B的单位为；的单位为； l 的单位为；的单位为；v 的单位为的单位为m/s。e方向可由右手定则来判断，如图（）所示。方向可由右手定则来判断，如图（）所示。 第第 2 2 章章 电磁学基础电磁学基础2.2.磁通量变化产生感应电动势磁通量变化产生感应电动势 如如右右图所示，将线圈放在磁场中，当磁图所示，将线圈放在磁场中，当磁感应强度感应强度B B变化时，穿

37、过线圈的磁通量变化时，穿过线圈的磁通量 亦发生变化，此时线圈中就产生感应电动亦发生变化，此时线圈中就产生感应电动势。势。 线圈中感应电动势的大小与穿过线线圈中感应电动势的大小与穿过线圈的磁通的变化率成正比，即圈的磁通的变化率成正比，即 感应电动势的方向可用感应电动势的方向可用楞次定律楞次定律来确定（如来确定（如右图）。右图）。 楞次定律指出：如果回路中的感应楞次定律指出：如果回路中的感应电动势是由于穿过回路的磁通量变化产生的，电动势是由于穿过回路的磁通量变化产生的，则感应电动势在闭合回路中将产生一电流，由则感应电动势在闭合回路中将产生一电流，由这一电流产生的磁通总阻碍原磁通的变化。这一电流产生

38、的磁通总阻碍原磁通的变化。 第第 2 2 章章 电磁学基础电磁学基础 根据楞次定律，若选择磁通根据楞次定律，若选择磁通 与感应电动势与感应电动势e e的参考方向仍符的参考方向仍符合右手螺旋关系（如右图所示）则表达式为合右手螺旋关系（如右图所示）则表达式为 如果同一变化的磁通量穿过如果同一变化的磁通量穿过N匝线圈，则匝线圈，则线圈中产生的感应电动势为线圈中产生的感应电动势为 第第 2 2 章章 电磁学基础电磁学基础自感和互感自感和互感1.1.自感自感 当线圈中电流变化时，便在线圈周围产生变化的磁通，这个变当线圈中电流变化时，便在线圈周围产生变化的磁通，这个变化的磁通穿过线圈本身时，线圈中便产生感

39、应电动势。化的磁通穿过线圈本身时，线圈中便产生感应电动势。 这种由于这种由于线圈本身电流变化而产生感应电动势的现象，称为自感应，简称自线圈本身电流变化而产生感应电动势的现象，称为自感应，简称自感感，所产生的电动势称为自感电动势，用，所产生的电动势称为自感电动势，用eL表示。表示。 自感电动势同自感电动势同样可以用电磁感应公式来计算：当线圈的匝数为样可以用电磁感应公式来计算：当线圈的匝数为N，自感电动势为自感电动势为 式式中，中， N， 称为磁链，即与线圈各匝磁通总和。通常磁通称为磁链，即与线圈各匝磁通总和。通常磁通或磁链是由通过线圈的电流或磁链是由通过线圈的电流 i 产生的，当线圈中没有铁磁材

40、料时，产生的，当线圈中没有铁磁材料时， 或或 与与 i 成正比关系，即成正比关系，即 第第 2 2 章章 电磁学基础电磁学基础 式中，式中，L 为自感系数为自感系数，简称电感，是电感元件的参数，单位为，简称电感，是电感元件的参数，单位为 （亨）。（亨）。电感是电工电路三大器件之一。电感是电工电路三大器件之一。 由上式可知，线圈的匝数由上式可知，线圈的匝数 N越多，其电感越大；线圈中单位电越多，其电感越大；线圈中单位电流产生的磁通流产生的磁通 越大，电感越大，电感L越大。越大。 电感的单位还有电感的单位还有mH和和H，换算关系为换算关系为H 103 mHmH 103H将将 L i 代入代入下式下

41、式得：得：这就是计算电感电动势或电压的基本公式，大家要理解和记忆。这就是计算电感电动势或电压的基本公式，大家要理解和记忆。 第第 2 2 章章 电磁学基础电磁学基础互感互感 如右图所示，当线圈中电流变化时，产生的变化磁通穿过如右图所示，当线圈中电流变化时，产生的变化磁通穿过邻近的线圈，使线圈中产生感应电动势。邻近的线圈，使线圈中产生感应电动势。 这种由于一个线圈这种由于一个线圈中电流变化，而在另一线圈中产生感应电动势的现象，称为互感中电流变化，而在另一线圈中产生感应电动势的现象，称为互感，所产生的电动势称为互感电动势。，所产生的电动势称为互感电动势。 两个互感线圈称为磁耦合线两个互感线圈称为磁

42、耦合线圈。圈。 第第 2 2 章章 电磁学基础电磁学基础（1） 互感系数互感系数 M 由由右图右图可见，线圈中的部分磁通可见，线圈中的部分磁通12穿过了线圈，穿过线圈的磁链穿过了线圈，穿过线圈的磁链 12等于等于 12与线圈的匝数的乘积。与线圈的匝数的乘积。 因为因为 12是由是由i 电流产生的，所以电流产生的，所以 12是是i 的函数，有的函数，有 12 M 12 i式中，比例系数式中，比例系数 M 12称为线圈对线称为线圈对线圈的互感系数（简称互感）。同理，当线圈中通以电流圈的互感系数（简称互感）。同理，当线圈中通以电流i2 时，时，由它产生的部分磁通由它产生的部分磁通21穿过线圈，穿过线

43、圈， 21也是也是i 的函数，有的函数，有 式中，比例系数式中，比例系数M21称为线圈对线圈的互感系数，可以证明称为线圈对线圈的互感系数，可以证明M21= M 12 , 互感系数的单位也为互感系数的单位也为H，还有，还有mH和和H。 第第 2 2 章章 电磁学基础电磁学基础（1 1）耦合系数耦合系数 工程上常用耦合系数工程上常用耦合系数表示两个线圈耦合的紧密程度，耦表示两个线圈耦合的紧密程度，耦合系数的定义为合系数的定义为 由于互感磁通是自感磁通的一部分，所以由于互感磁通是自感磁通的一部分，所以 1。 当当接近于零接近于零时，为弱耦合；当时，为弱耦合；当接近于时，为接近于时，为强耦合强耦合；当

44、；当时，时， 称两称两线圈为线圈为全耦合全耦合，此时的自感，此时的自感磁通全部为互感磁通。磁通全部为互感磁通。 两个线圈之间的耦合程度两个线圈之间的耦合程度或耦合系数的大小与两个线或耦合系数的大小与两个线圈的结构、相互位置及磁介圈的结构、相互位置及磁介质有关。质有关。 第第 2 2 章章 电磁学基础电磁学基础 电感磁场的能量电感磁场的能量 线圈存在电感（直导线也存在电感），当线圈通入电流时，线圈存在电感（直导线也存在电感），当线圈通入电流时，就产生磁场，储存电能。就产生磁场，储存电能。 电感储存电能的大小和电感的自感系电感储存电能的大小和电感的自感系数数L、电流、电流i的平方成正比，表达式为的

45、平方成正比，表达式为 式式 中，中，L 的单位为的单位为 H，i 的单位为的单位为 ，W 的单位为的单位为J。电感储能的大小和储能过程无关，但能量不能发生突变，因为突电感储能的大小和储能过程无关，但能量不能发生突变，因为突变功率为无穷大变功率为无穷大 。 利用电感的储能特性可进行电路的升降压、滤利用电感的储能特性可进行电路的升降压、滤波等。波等。 第第 2 2 章章 电磁学基础电磁学基础【工程应用工程应用】 2.5 电磁感应工业应用电磁感应工业应用2.5.1 三相交流发电机三相交流发电机 根据导体切割磁感应线产生感应电动势原理，人们制造出了三根据导体切割磁感应线产生感应电动势原理，人们制造出了

46、三相交流发电机。右图是发电机原理图，在定子铁心上，分别以相相交流发电机。右图是发电机原理图，在定子铁心上，分别以相差差120空间角度绕制有空间角度绕制有3个绕组；在转子铁心上绕有励磁绕组，个绕组；在转子铁心上绕有励磁绕组，当给励磁绕组通上直流电流，便形成当给励磁绕组通上直流电流，便形成N、S磁极（或用永久磁极）。磁极（或用永久磁极）。N、S磁极表磁极表面形状做的比较特殊，使磁通按正弦分面形状做的比较特殊，使磁通按正弦分布，当拖动转子以图中方向匀速转动，布，当拖动转子以图中方向匀速转动，定子导线切割磁感应线产生感应电动势。定子导线切割磁感应线产生感应电动势。因为三个绕组互差因为三个绕组互差120

47、机械角，则得机械角，则得到三相交流电动势。到三相交流电动势。 第第 2 2 章章 电磁学基础电磁学基础2.5.2 三相交流电动机三相交流电动机 三相交流电动机原理如右图所示。当电动机三相定子绕组通上三相交流电动机原理如右图所示。当电动机三相定子绕组通上三相交流电，在定子表面产生旋转磁场，处在旋转磁场中的转子三相交流电，在定子表面产生旋转磁场，处在旋转磁场中的转子导线因为做切割磁感应线运动，产生感应电流。处在磁场中的载导线因为做切割磁感应线运动，产生感应电流。处在磁场中的载流导体会受到力的作用，在电磁力的作用下，转子与旋转磁场同流导体会受到力的作用，在电磁力的作用下，转子与旋转磁场同方向转动。因

48、为转子的转动动因是感方向转动。因为转子的转动动因是感应电流，所以转子的转速要低于旋转应电流，所以转子的转速要低于旋转磁场的转速，故称异步电动机。磁场的转速，故称异步电动机。 第第 2 2 章章 电磁学基础电磁学基础 2.5.3 变压器变压器 根据互感原理，采用铁心做磁路，使互感线圈全耦合（根据互感原理，采用铁心做磁路，使互感线圈全耦合（k=1），），线圈线圈1产生的磁通全都穿过线圈产生的磁通全都穿过线圈2，即可以将线圈，即可以将线圈1 的电能的电能100%的传的传到线圈到线圈2。根据能量守恒，就有。根据能量守恒，就有P1=P2，U1I1=U2I2。改变线圈的匝数。改变线圈的匝数比，既可以变压、

49、变流、变换阻抗。图中是单相和三相变压器比，既可以变压、变流、变换阻抗。图中是单相和三相变压器。（a）单相变压器外形图）单相变压器外形图 （b）三相变压器原理图）三相变压器原理图 第第 2 2 章章 电磁学基础电磁学基础 2.5.4 电抗器电抗器 根据自感原理，当线圈中的电流变化时，就产生反电动势，反电根据自感原理，当线圈中的电流变化时，就产生反电动势，反电动势总是阻碍原电流的变化。使变化的电流变缓。又知电感是储能动势总是阻碍原电流的变化。使变化的电流变缓。又知电感是储能器件，电流上升时，电感储能；电流下降时，电感放能，通过储能器件，电流上升时，电感储能；电流下降时，电感放能，通过储能放能，使变

50、化剧烈的电流变缓。放能，使变化剧烈的电流变缓。（a）交流电抗器）交流电抗器 （b）直流电抗器）直流电抗器 （c）电抗器滤波）电抗器滤波 第第 2 2 章章 电磁学基础电磁学基础【能力培养能力培养】2.5.6 电路分析电路分析1.电动话筒电动话筒 话筒又称为传声器，是将声音转化话筒又称为传声器，是将声音转化为音频电流的电器。下图是电动话筒为音频电流的电器。下图是电动话筒结构图，请分析怎样将声音转换为音结构图，请分析怎样将声音转换为音频电流。频电流。2. 电感传感器电感传感器 右图是一只磁阻传感器，因为磁路中右图是一只磁阻传感器，因为磁路中的磁通对于间隙的磁通对于间隙很敏感，用来检测纸很敏感，用来