电机技术与应用
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0.7 本课程常用的基本定律

1.全电流定律

电流的周围存在着磁场,即磁场总是伴随着电流而存在,而电流则永远被磁场所包围。

电流磁场的方向由安培定则(右手螺旋定则)来判定。

(1)直线电流的磁场。用右手握直导体,拇指的方向指向电流方向,弯曲四指的指向即为磁场方向。

(2)环形电流的磁场。用右手握螺线管,弯曲四指表示电流方向,则拇指所指方向就是磁场方向。

2.电磁感应定律

无论何种原因使与闭合线圈交链的磁链ψ随着时间t变化时,线圈中将会产生感应电动势e,即法拉第电磁感应定律。

(1)变压器电动势。指线圈不动,穿过线圈的磁通Ф发生变化,这样在线圈内将产生感应电动势,其大小与线圈的匝数和磁通变化率成正比,方向由楞次定律决定。

对于N匝线圈,设通过线圈的磁通量为Φ,其感应电势为

线圈中感应电势的大小,决定于线圈中磁通的变化率,而不决定线圈中磁通本身的大小。

(2)切割(运动)电动势。指磁通不变,线圈上的导体运动,使得穿过线圈的磁通随着时间的变化而变化。此时的感应电势称为切割电动势。

对于在磁场中切割磁力线的直导体来说,计算感应电势的具体公式为

e=Blvsinα

直导体中的感应电动势的方向,可用右手定则来判断,具体方法是:伸平右手,拇指与其余四指垂直,让磁力线穿过手心,当拇指指向表示导体运动方向时,四指的方向便是感生电动势的方向。

3.电磁力定律

载流导体在磁场中要受到的作用力称为电磁力,实验证明,电磁力的大小与导体中通过的电流强度成正比,与导体的有效长度成正比,并与载流导体所在位置的磁感应强度成正比。即

F=BIL

在旋转电机中,作用在转子载流导体上的电磁力将使转子受到一个力矩,称为电磁转矩。电磁转矩是电机实现机电能量转换的重要物理量。

载流导体在磁场中所受到的作用力的方向与磁力线的方向及电流方向有关,可以用左手定则来判定:将左手伸平,拇指与四指垂直,让磁力线垂直穿过手心,四指指向电流方向,则拇指所指方向就是导体受力方向。

4.电路定律

(1)欧姆定律

U=IR

(2)基尔霍夫第一定律(电流定律)

I=0

(3)基尔霍夫第二定律(电压定律)。在电路中,对任一回路,沿回路环绕一周,回路内所有电动势的代数和等于所有电压降的代数和,即

e=∑u

5.磁路及磁路定律

无论是静止的电机还是旋转的电机,磁场是电机必不可缺的工作环境。电流在它周围的空间建立磁场,磁场的分布我们常用一些闭合的磁力线来描述。

(1)电路:电流流过的路径称为电路。

(2)磁路:磁力线所经过的路径称为磁路。

磁路欧姆定律

它与电路欧姆定律相似,磁通Φ相当于电流i,磁通势Ni相当电动势E,磁阻Rm相当电阻R

R m=l/μS

可见,当铁芯的几何尺寸一定时,磁导率越大,则磁阻越小。因此铁芯的磁阻很小。如果要获得一定的磁通,为了减小磁通势,应尽量选用高磁导率的铁磁材料做铁芯,而且尽可能缩短磁路中不必要的气隙长度。原因是空气磁导率小,磁阻大。

6.磁化与磁性材料

当把一根铁棒插入原来不能吸引铁屑的载流线圈中时,我们就会发现铁屑被吸引。这是由于铁棒被磁化的缘故。使原来没有磁性的物质具有磁性的过程称为磁化。凡是铁磁材料都能被磁化。铁磁材料有如下性质:

(1)能被磁体吸引。

(2)能被磁化并且有剩磁和磁滞损耗。

(3)磁导率不是常数,每种铁磁材料都有一个最大值。

(4)磁感应强度有一个饱和值。

铁磁材料有软磁材料、硬磁材料和矩磁材料三种。硅钢片、纯铁属软磁材料,常用来做电机的铁芯。钨钢、钴钢属硬磁材料,常用来做各式永久磁铁。矩磁材料主要用来做记忆元件。