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1、第四节交流磁路中的激磁电流和磁通、电磁感应定律i的波形会产在交流铁心磁路中，由于铁心磁化曲线的非线性，激磁电流和主磁通 m生畸变。下面以图1-4-1所示单一铁心材料的交流铁心磁路为例，分析激磁电流和磁通的性f(i)的形式。质与波形。为分析方便，铁心材料的磁化特性使用图1-4-1交流铁心磁路一、铁磁材料的磁化特性为基本磁化曲线当磁路内的磁通较小时，磁路不饱和，磁通与激磁电流之间的关系基本上是线性关系。在这种情况下，如果磁通随时间按正弦规律变化，则激磁电流随时间也按正弦规律变化。磁通到达最大值时，激磁电流也到达最大值，因此，激磁电流与磁通在时间上同相位，随时间变化的波形也 相同。当磁通较大时， 磁
2、路出现饱和， 磁通与激磁电流之间呈非线性关系。这时激磁电流和磁通的特性与波形可以用图解法进行分析，下面分两种情况讨论。1.磁通为正弦波时激磁电流的波形t f(i)曲线，此时由当磁通随时间作正弦变化时，设时间为时的磁通瞬时值为11i,由此可以得mi f。的曲线m 1到激磁电流曲线上的一点， 可以查出产生该磁通所需的激磁电流如图1-4-2 1mi随时间变化所示。同理，可以求出其他瞬间的激磁电流值，并进而可画出整条激磁电流(b)1-4-2磁通为正弦波时磁路饱和对电流波形的影响图 ）电流波形分解）电流波形；（b（a可以看出， 当磁通随时间正弦 变化且磁路饱和时，由于磁路的非线性，激1-4-2分析图磁电
3、流波形发生畸变，成为尖顶波。如果将激磁电流波形进行分解，除了基波外，还包含有i的波形尖顶越严重，谐其他奇次谐波，其中以三次谐波为最大。磁路越饱和，激磁电流m i的相位相波也越显著。但无论激磁电流波形尖顶有多严重，它的基波相位始终与磁通m同。.激磁电流为正弦波时磁通的波形2 i随时间随时间作正弦变化时，利用上述的作图法，同样可以求出磁通当激磁电流m ）t f（所示。，如图变化的曲线1-4-3 2激磁电流为正弦波时磁路饱和对磁通波形的影响图 1-4-3）磁通波形分解（b （a）磁通7O;i随时间正弦变化且磁路饱和时，磁通的波形也 1-4-3可以看出，当激磁 电流 分析图m发生畸变，成为平顶波。如果
4、将磁通波形进行分解，除了基波外，亦包含有其 他奇次谐波，的波形平顶越严重，谐波也越显著。但无论其中也以三次谐波为最大。磁路越饱和，磁通i的相位相同。波形平顶有多严重，它的基波相位始终与激磁电流m磁路不饱和时，激磁电流和磁通的波形是否畸变，决定于磁路是否饱和。综上分析可知： 磁化曲线基本上是线性的，两者的波形非常接近。磁路饱和后，磁化曲线呈非线性，磁通与激磁电流为正弦波时磁通畸激磁电流的波形不同。磁通为正弦波时激磁电流畸变成尖顶波；主要成分都是基波和三次谐但无论是尖顶波还是平顶波，如果将其进行分解，变成平顶波。波。磁通基波和激磁电流基波的相位始终相同，与磁路是否饱和以及饱和程度无关。二、铁磁材料
5、的磁化特性为磁滞回线通过磁滞回线，铁磁材料的磁化特性为磁滞回线。当磁通为正弦波时，考虑磁滞现象时，为正弦）的曲线，如图1-4-4所示。可以看出，当磁通利用图解法求取激磁电流i = f （tm ii i iii同波时，激磁电流为非正弦波。把其中分解成两个分量，即。分量为和Femmmi或者说，中的尖顶波完全一致；相位的尖顶波，与忽略磁滞现象、只考虑饱和时图1-4-2另一分量与基本磁化曲线相对应， 称为磁化电流。是不考虑磁路有磁滞现象时的激磁电流，ii是反映磁滞相对应）。I90。、幅值为（与H波形近似为正弦波，相位超前于磁通C cFeFeii i i称为磁滞损损耗和涡流损耗的有功电流， 是由于考虑了
6、磁滞现象才存在的，eFehHi称为耗电流，不计磁滞现象，为零。交流磁路中除了磁滞损耗外，同时还有涡流损耗。ehii都反映了磁路中的铁耗，因此把它们合在一起，称为铁耗电流，和涡流损耗电流。由于 eh 3i表示。在各种变压器和电机中，由于铁心选用的都是较好的软磁性材料，同时又采用用Fei小得多。叠片方式，因此铁耗很小。激磁电流中铁耗电流要比磁化电流也U)(b)图1-4-4磁滞现象对激磁电流波形的影响（a）电流波形；（b）电流波形分解综合上述分析可知：i波形同相位。由于磁路的，1）激励产生磁通它的基波与磁通的电流是磁化电流（ 也iii为的波形不一样。当为尖顶波；当为正弦波时，非线性，为正弦波时，与磁
7、通也平顶波。（2）铁心中具有磁滞和涡流损耗。激磁电流中除了磁化电流外，同时还存在铁心损耗电流，铁心损耗电流接近于正弦波，其相位超前于磁通90。i i io由于变压器和电机 3）激磁电流是磁化电流和铁心损耗电流的合成，即（mFeiiii决定。主要由10%左右，因此激磁电流的铁心损耗很小，所以很小，通常仅为的emm三、电磁感应定律电磁感应定律描述的是磁变生电的电磁感应现象，于1831年由法拉第提出，又称法拉第电磁感应定律。它指出，交变的磁场会产生电场，并在导体中感应电动势。如图1-4-5所示，当规定感应电动势正方向与磁通的正方向符合右手螺旋关系时，则感应电动势与磁通对 时间的变化率的负值成正比，即
8、 Wdd e N 1-4-1 )出dteN为交链式中：为回路中的感应电动势；为绕组匝数；为通过该回路面积的磁通；4N No回路的磁链，它表示匝线圈所匝链的总磁链,电磁感应图1-4-5根据法拉第定律可以导出，当磁场恒定，而导体在磁场中运动时，如图1-4-6 (a)所示,导体中的感应电动势可表示为ld) (v Be 1-4-2)(b)所示的右手定则确定。感vlB为磁感应强度；为导体的运动速度。为导体的长度；式中: 应电动势的方向可用图1-4-6+b+ + +b+ +I l+ + +l + + + I + + +! !+ + + Si+ + +(a)图1-4-6感应电动势与右手定则(a)感应电动势；
9、(b)右手定则若磁场方向、导体长度方向和导体运动方向三者相互垂直时，式（1-4-2 ）简化为e Blv（1-4-3 ）式（1-4-3）适用于计算恒定、均匀磁场中运动导体的切割电动势，是法拉第电磁感应定律的另一种有约束条件的表示形式，在电机学中经常使用。四、毕奥-萨伐尔电磁力定律磁场最基本的特性是对场域中的载流导体有力的作用，电磁力定律是描述电与磁之间相l的导体,导体中流过的电） 所示，取有效长度为（a互作用产生力的基本定律。 如图1-4-7 ifB可表示为 流为，则导体所受的作用力，导体所处的磁场为B dlf i 1-4-4）（ld上的长度微元。为导体式中：ab ）可简化为若磁场均匀且与导体相
10、互垂直，则式（1-4-4 Bilf ）（1-4-5）所示。（电磁力的方向可用左手定则判定，如图 1-4-7b图1-4-7电磁力和左手定则 5（a）电磁力；（b）左手定则五、能量守恒原理能量守恒原理是物理学中的基本原理。该原理可表述为：在质量不变的物理系统内，能量是守恒的，即能量不会凭空产生，亦不会凭空消灭，仅能变换其存在形式。在电机中，能量转换包括四种能量形式，即电能、机械能、磁场储能和热能。根据能量守恒原理，对于电动机，其能量关系为电源输入的电能=磁场储能的增量+转换为热能的能量损耗+机械能输出对于发电机，其能量关系为机械能输入=磁场储能的增量+转换为热能的能量损耗+电能输出转换为热能的能量主要包括三部分：导体中的电流在电阻中引起的电气损耗（亦称铜耗）；消耗于轴承摩擦及通风中的机械损耗；电机内的磁场在铁心中产生的磁滞损耗和涡流损耗。这些能量均转换为热能，并且是一种不可逆的过程，也就是说这部分能量很难或根本不可能再转换为电能或机械能。6