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电器学 第二章 电器学第三章 电磁机构理论 作者：欧阳森 EPC of SCUT 概述 电磁机构 构成：磁系统＋励磁线圈 磁系统：磁导体＋气隙 作用 输入：电测量元件 驱动机构：能量转换 灭弧装置的磁吹源 独立设备或元件 自动储能机构、电磁离合器等 牵引电磁铁、制动电磁铁、起重电磁铁等 能量过程 做功：电——磁——力——功和机械能 控制：电——磁——力——指令 磁性材料及其基本特性，设计方法 1、电磁结构的种类和特性 分类 励磁电流 交流、直流（单相、三相）； 励磁方式 并励、串励、永久磁铁、交直流同时磁化； 结构形式 内衔铁 图3－1 —— 动铁心在线圈中 外衔铁 图3－2 —— 动铁心在线圈外 运动方式 直动式、转动式 1、电磁结构的种类和特性 基本特性 能量转变：电能－力和机械功 (静态)吸力特性 F＝f(δ) 或者 M＝f(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 机械特性/反力特性 反作用力：衔铁运动时所克服的机械负载的阻力Fr Fr＝f(δ) 1、电磁结构的种类和特性 一、各类（静态）吸引特性 图3－1 注意：止座结构对吸力特性的影响 图3－2 静态吸力特性的成立条件 电路参数始终保持不变 或者运动过程无限慢 吸力特性与能量特性 P70 衔铁的运动实质就是其做功的过程 动态特性分析 电流、磁通、磁链、吸力、速度等与气隙或时间之间的关系 电磁系统的工作循环 参考：图3－3 电流：Ic、Iw、Ib 动作过程——对应td＝tc＋tx 触动阶段——对应tc 尚未克服反作用力 吸合运动阶段——对应tx 吸力大于反作用力 或者吸力总功大于反作用力总功 释放过程 开释阶段：吸力大于反作用力 返回运动阶段：吸力小于反作用力 1、电磁结构的种类和特性 机械特性/反力特性 本质：负载特性 与吸力特性的统一 衔铁的吸合：电磁吸力为主 释放和复合：反作用力为主 参考图3－4 2、磁性材料及其基本特性 常用(铁)磁性材料 铁、镍、钴、钇 合金 特点：磁导率为真空的几百甚至几千倍 顺磁性材料 空气、铝等：磁导率比真空略大 逆磁性材料 氢、铜等：磁导率略小于真空 (铁)磁性材料特点：磁导率高或极高 非线性磁特性： 磁感应强度B和磁场强度H 电磁学回顾 磁感应强度B（T） 因材料而异：磁导率单位H/m ＝与其垂直的单位电流元所受的力 毕奥－沙伐尔定律 磁场强度H（A/m） 毕奥－沙伐尔定律 磁场计算以H计算较为方便 磁压降(磁路的欧姆定律)： 安培(全电流)定律： 磁通计算： 磁场强度H的含义： 单位长度磁路上消耗的磁势 单位长度磁路上的磁压降 2、磁性材料及其基本特性 P71 磁畴 铁磁物质内部磁场范围的相对独立的天然磁化区 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：图3－5 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 原始/起始磁化曲线 磁性材料去磁后，H逐步增大，B也逐步增大的曲线 图3－6中的oc段 膝点a和oa段 磁化通过磁畴界壁转移进行 不消耗能量，过程可逆 磁导率μ为常数，且与磁场强度H无关(B＝ μH) 膝部ab段 大部分磁畴趋向外磁场方向 消耗能量，过程不可逆 巴克豪森效应 磁化呈阶梯现象 磁畴突然转向产生感应电动势，出现响声 μ特别大：较小的外磁场变化可导致较大的磁感应 某处出现磁导率的最大值μmax 2）磁化曲线和磁滞回线 饱和段bc 未转向磁畴很少 需要消耗更多能量和更强的外磁场 磁导率μ减小 饱和状态c点及以后 所有磁畴方向与外磁场一致——饱和 磁导率接近真空 过程可逆 2）磁化曲线和磁滞回线 原始磁化曲线 去磁的磁性材料磁化过程 图3－6中的oc段（过程不可逆） 此时，逆向的H变化会使B沿ce曲线变动 磁滞回线 图3－6中的基本闭合的外围曲线、图3－7 多次重复后，达到稳定状态的磁化过程 磁滞：B的变化总迟于H 主要特征参数 饱和磁感应Bs（c点） 剩磁（e、k点）：H＝0时的磁感应强度B 矫顽力（f、m点）：B＝0时的磁场强度H 2）磁化曲线和磁滞回线 注意： 交流磁化曲线和直流磁化曲线不同 交流磁滞回线和直流磁滞回线不同 P73 实际使用的磁化曲线——基本/平均磁化曲线 图3－7 若干不饱和对称磁滞回线顶点连接而成 原始/起始磁化曲线仅是实验室状态下的曲线 注意： 任一种磁性材料的磁化曲线均因工艺、结构、工作环境而不同，没有固定的函数关系 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1.2~1.3次方（磁滞回线变宽） 涡流：感应电流围绕磁通呈现的