电机电磁分为，磁路，电磁感应，变压器。学习目标:了解磁路的基本概念、相关定律及其应用能力目标:培养学生归纳和学习相关资料的能力。素质目标:培养学生的爱国主义情怀。

我国是世界上公认的发明指南针的国家。早在春秋战国时期，我国劳动人民将用天然铁矿石制作成的勺子形的物体，放在光滑的、刻有方位、能确定方向的底盘上，从而制得是南针的始祖，古称司南，如图2-1所示。

图2-1早期指南针

磁生电,电生磁。磁与人类的生产和生活紧密相关。发电机、电动机、变压器、日光灯、电磁阀、继电器、收音机中的扬声器、电视机中的显像管、磁悬浮列车等,都是与磁分不开的。电动机是一种机电能量转换装置，它以电场或磁场作为耦合场，由于磁场在空气中储能密度较电场大，所以绝大多数电动机以磁场为耦合场，以电磁感应作用来实现机电能量的转换。电动机中磁场的强弱和分布，不仅关系到电动机的性能，还决定了电动机的体积和自重，因此，掌握磁场的分析和计算对认识电动机非常重要

问题引导1:磁场是如何产生的?

磁场是由运动电荷或变化的电场产生的，磁场的基本作用是能对其中的运动电荷施加作用力。与磁场相关的定义和物理量介绍如下

1.磁铁，物体有吸引铁、、镍一类物质的性质称为磁性。具有磁性的物体称为磁体。磁体可分为天然磁体和人造磁体。常见的天然藏体有磁铁矿(通常称天然酸石)，常见人造磁体有条形磁铁、蹄形磁铁和小磁针等，如图2-2所示。

2.磁极，微体上摊性最强的两端称为融极。任何磁体，无论多小，都有两个磁极，即磁极总是成对出现并且强度相等，不存在独立的磁极。可以在水平面内自由转动的磁体，静止时总是个磁极指向南方，另一个磁极指向北方，指向南方的称为南极，记作S(极)，常用蓝颜色标记;指向北方的称为北极，记作N(极)，常用红颜色标记。

磁极之间存在着相互作用力，而且同名磁极相斥，异名磁极相吸，如图2-3所示。

3磁场磁极之间的相互作用力是通过磁极周围的磁场传递的。磁场是磁体周围存在的一种特殊的物质。磁场和电场一样，是物质存在的另一种形式，是客观存在的物质，具有力和能的特征电能生磁，小磁针的“指南”“指北”性表明地球本身就是一个大磁体。小指针的北极指向地磁南极，小指针的南极指向地磁北极。地磁北极在地理南极附近，地磁南极在地理北极附近。地球的地磁极和地理极之间的偏角称为磁偏角，各个地方的磁偏角大小是不同的。在我国磁偏角最大可达6°，平均为2°~3°。

与电场中用检验电荷区检验电场存在的方法相似，可借磁极之间存在相互作用力的特性，用小磁针来检验某一个磁体周围磁场的存在，如图2-4所示。

人们规定磁场的方向为:在磁场中的任意一点，小磁针北极所指的方向就是这一点的磁场方向。

4.磁力线，磁场是一种特殊的物质，不能被肉眼所看到。人们通过铁屑在磁场的作用下形成的图案，即一组闭合的曲线来描述这种磁场。这种形象地描绘磁场的曲线，称为磁力线。

磁力线有如下特点:

1)磁力线上每一点的切线方向与该点磁场方向相同。

2)磁力线在磁体的外部从N极指向S极，在磁体的内部从S极指向N极

3)_磁力线是闭合的曲线，且任意两条磁力线不相交。

4)磁力线的疏密表示磁场强弱的程度。

图2-5所示分别为条形微铁和形磁铁的力线。地球本身就是一个巨大的微休，的磁场与条形磁铁的磁场相似。

图2-5不同磁铁的磁力线方向，在某一区域内，若磁场的强弱和方向都相同，这部分磁场称为均匀磁场。5.磁感应强度磁感应强度又叫磁通密度，它是表示磁场内某点磁场强弱的物理量，是表征磁场特性的基本场量。其大小是通过垂直于磁场方向单位面积的磁力线数目，符号为B。磁感应强度B的电位在国际单位制中是特斯拉，简称特，符号T;在电磁单位制CGS)中为高斯(gauss)，符号为Gs(非法定计量单位)。两者的关系为1T=Gs

6。磁通在磁场中，穿过任意一面积的磁力线总量称为该截面的磁通量，简称磁通，符号为中均匀磁场中，磁通等于磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积D=BS磁通是一个标量，它的单位在国际单位制中为韦伯(weber)，简称韦，符号为Wb;在电(2-1)磁单位制中磁通的单位为麦克斯韦，简称麦，符号为Mx(非法定计量单位)。1Mx=1Wb。均匀磁场中，磁感应强度可以表示为单位面积上的磁通，即DB=所以磁感应强度也称为磁通密度

7.磁导率磁导率是表示物质导磁性能的参数，用符号从表示，单位是亨每米(H/m).真空中的磁导率一般用山表示，4=4X10-H/m。空气、铜、铝和绝缘材料等非铁磁材料的磁导率和真空磁导率大致相同，而铁、镍、等铁磁材料及其合金的磁导率比直空磁导率从大很多，为其10~倍。

把物质磁导率与真空磁导率的比值定义为相对磁导率，用符号μ表示，则铁磁材料的磁导率可以表示为u=uUo

(2-3)相对磁导率是一个无量纲的参数。非铁磁材料的相对磁导率从接近于1，而铁磁材料的u远远大于1。电动机和变压器中所使用的铁磁材料的相对磁导率一般在~。8.磁场强度在各向同性的媒质中，磁场中某点的磁感应强度与该点磁导率的比值定义为该点的磁场强度，用符号H表示，即

磁场强度只与产生磁场的电流及电流的分布有关，与磁介质的磁导率无关，单位为安每米(A/m)。磁场强度概念的引入只是为了简化计算，没有物理意义。

磁路是怎么一回事?电动机和变压器是利用磁场作为介质来实现能量变换的装置，在电机学和一般的工程分析中，通常将电动机和变压器中复杂的电磁场问题进行简化，用磁路和等效电路的方法来分析。磁通所通过的路径称为磁路。图2-6所示为两种常见的磁路，其中图2-6a所示为变压器磁路，图2-6b所示为直流电动机磁路。

学习情境二新能源汽车驱动电机电磁基础

电动机和变压器中，常把线圈套装在铁心上。当线圈内有电流流过时，线圈周围(包括铁心内外)形成磁场。由于铁心导磁性能比空气好得多，因此，大部分磁通在铁心内部通过，称为主磁通，相应的路径为主磁路;少量的胯学叼%塾雌杓寡≠洋愧巢俯涩氰叶侠戈簿确璐棒织另饿粘纨屉阔医契增别惩蛐蔷荆嬴括安痔缰橙侧框澈槌鉴氦樵窘臂良蹿邬堵傥饶莺釉纳风蟠叱候兑豆S酸俊嫡研栀颤法郸聒颐确埂而闭合，这部分磁通为漏磁通，漏磁通经过的路径为漏磁路。

图2-6两种常见的磁路，a)变压器磁路b)直流电动机磁路用来产生磁通的电流叫励磁电流。根据励磁电流的特质不同，磁路又分为直流磁路和交流磁路。

1。全电流定律麦克斯韦将安培环路定律推广为全电流定律，即在磁路中，沿任一闭合路径上的总磁压，即磁场强度矢量的线积分中HdI等于该闭合回路所包围的面内穿过的全部电流的代数和，用公式表示为(2-5)oHdl=ZI=NI式中N-闭合路径所交链的线圈匝数。

当电流的方向与闭合路径的环形方向符合右手螺旋定则时，电流1取正号，否则取作号。若沿着闭合回路，磁场强度H的方向总在切线方向，且大小处处相等，则式(2-5)可表示为H=NI

2.磁路的欧姆定律

由于磁场强度等于磁通密度除以磁导率，即H=B/u，且在均匀磁场中有磁通密度B=P/S，所以式H=NI可表示为

pI=D-=DRH=-1=-uSuuS

hF=NI=HI=DR=-A

其中，F为作用在铁心磁路上的安匝数，F=NI，称为磁路的磁动势，它是磁路中产生磁通的根源，简称磁动势:R为磁路的磁阻(A/Wb)，R=l/(uS);为磁路的磁导，A=1/R。式(2-8)表明，作用在磁路上的总磁动势F等于磁路内磁通量与磁路磁阻R的乘积，它与电路中的欧姆定律在形式上十分相似，称为磁路的欧姆定律。其中磁动势F与电路中的电动势E对应，磁通量D与电路中电流对应，则磁阻与电路中电阻对应。

磁阻R的大小与磁路的平均长度1成正比，与磁路的截面积S及构成磁路材料的磁导率u成反比。值得注意的是，铁磁材料的磁导率u不是常数，所以由铁磁材料构成的磁路其磁阻也不是常数，而是随着磁路中磁通密度的大小而变化，即铁磁材料的磁路具有非线性。

3.磁路的基尔霍夫第一定律，如果铁心不是一个简单的闭合回路，而是带有并联分支的分支磁路，从而形成了磁路的节点。当忽略漏磁通时，在磁路中任何一个节点处，磁通的代数和恒等于零，即ZP=0(2-9)式(2-9)与电路的基尔霍夫第一定律Zi=0形式上相似，称为磁路的基尔霍夫第一定律，也叫磁路连续性定律。此定律表明穿出(或进入)任一闭合面的总磁通恒等于零(或者说，进入任一闭合面的磁通是恒等于穿出该闭合面的磁通》。

当中间铁心柱上加有磁动势F时，磁通的路径如图2-7所示。如令进入闭合面A的磁通为负，穿出闭合面的磁通为正。

4.磁路的基尔霍夫第二定律

工程上遇到的磁路并不都是采用同一种铁磁材料构成，磁路中可能含有气隙，各处的截面积也不一定相同，比如电动机和变压器的磁路总是由数段不同截面和不同铁磁材料的铁心组成。磁路计算时，总是把整个磁路分成若干段，每段为同一材料和相同截面积，且各段内磁通密度处处相等，从而磁场强度也处处相等。

如图2-8所示，磁路由三段组成，其中两段为截面积不同的铁磁材料，第三段为气院若铁心上的磁动势F=NI，根据安培环路定律

式(2-12)表明:在磁场中的任何一个闭合回路中，磁压降的代数和等于磁动势的代数和磁场的方向与回路环行方向一致时，H符号为正，否则为负;电流的方向与回路环行方向符合右手螺旋定则时，NI符号为正，否则为负。可以看出，此公式与电路的EE=EU形式上相似，所以式(2-12)-称为磁路的基尔霍夫第二定律。

值得注意的是，磁路定律和电路定律只是形式上的相似，它们的物理本质是不同的。

铁磁材料有哪些性质?

物质按其磁化效应可分为铁磁材料和非铁磁材料两大类。非铁磁材料，如空气、铜、铝、橡胶等，它们的磁导率与真空磁导率接近，工程计算时近似认为相等。铁磁材料是由铁磁物质构成，主要有铁、镍、钻及其合金等，铁磁材料的磁导率比真空大很多。

在电动机和变压器中，要求在一定的励磁电流下产生较强的磁场，以减小其体积和重量，所以电动机和变压器铁心都采用磁导率较高的铁磁材料制成。下面对铁磁材料的性能和特性进行简单介绍。

铁磁材料可看作由无数小的磁畴组成，如图2-9所示。图2-9中，磁用一些小的磁铁表示出来。铁磁材料在不受外磁场作用时，这些磁畴杂乱无章排列，其磁效应相互抵消，对外不显示磁性。当铁磁材料受到外磁场作用时，磁畴在外磁场作用下，轴线趋于一致，内部形成一个附加磁场，叠加在外磁场上，使合成磁场大为增强。铁磁材料这种在外磁场作用下

1.铁磁材料的磁化呈很强的磁性的现象，叫作铁磁材料的磁化。正是由于铁磁材料具有磁化特性，才使其磁导率较非铁磁材料大得多。所以，磁化是铁磁材料的重要特性之一

2.磁化曲线和磁滞回线铁磁材料的磁化特性可用磁化曲线来表示。所谓磁化曲线是表示磁场强度H与磁通密石元代度B之间关系的特性曲线。

对于空气等非铁磁材料，磁通密度B与磁场强度H之间呈线性关系，即磁化曲线为-直线，如图2-10中虚线所示，直线的斜率就等于。下面讨论铁磁材料的磁化曲线(1)起始磁化曲线对尚未磁化的铁磁材料进B行磁化，磁场强度H从零开始逐渐增大，磁通密度B也从0开始逐渐增加，曲线B=f(H)就称为铁磁材料的起始磁化曲线。B(H)b(膝点)从图2-10可见，起始磁化曲线大致可分为4段。第一段:0a段，这一段H从0开始增加，值较小，即外磁场较弱，磁通密度增加得不快。

此阶段材料磁导率较小。第二段:ab段，这一段中随着百外磁场的增强，材料内部大量磁畴开始转向，趋向于与外磁场方向一致，所以磁通密度B增加很快，B与H近似为线性关系，磁导率很大且基本不变。第三段:bc段，随着外磁场继续增强大部分磁畴已趋向外磁场方向，可转向的磁畴越来越少，磁通密度B增加越来越少，磁导率随H的增大反而减小，这种随着磁场强度H增加，而磁通密度B增加很小的现象称为磁饱和现象，通常称为饱和。第四段:cd段，在这一段中，虽然外磁场继续增强，但磁通密B=HoH

图2-10铁磁材料的起始磁化曲线度改变很小，其磁化曲线基本上与非铁磁材料的B=uH特性曲线平行。所以，铁磁材料的起始磁化曲线与非铁磁材料的不同，是非线性的，在不同的磁通密度下有不同的磁导率，即ue=B/H，随H大小变化而变化，如图2-10中的曲线uFe。在电动机和变压器设计中，为了产生较强的磁场，希望铁磁材料有较高的磁导率，而励磁磁动势又不能太大，所以设计时通常把磁通密度选在图2-10中的b点附近，该点为磁化曲线的拐弯处，称为膝点。

(2)磁滞回线若铁磁材料处于交变的磁场中，将进行周期性磁化，此时B和H之间的关系变为图2-11所示的磁滞回线。当磁场强度H从零增加到最大值H时，铁磁材料饱和，磁通密度也为最大值B.;之后减小H，B不是沿着起始磁化曲线下降，而是沿曲线ab下降;当H减小到零时，B不是零，而等于B，在去掉外磁场后，铁磁材料内还保留磁通强度B.，把这时的磁通密度叫作剩余磁通密度，简称剩磁这种磁通密度B的变化落后于磁场强度H的变化的现象，叫磁滞现象。

要想使剩磁为零必须对材料进行反向磁化，即加上相应的反向磁场。当反向磁场H为-H时，磁通密度B将为零，此时的磁场强度H。称为矫顽力。剩磁B和矫顽力H是铁磁材料的两个重要参数磁滞现象是铁磁材料的又一个重要特性。由于存在磁滞现象，当对称交变的磁场强度在+H和-H之间变化，对铁磁材料反复磁化时，得到图2-12所示的近似对称于原点的B-H闭合曲线，称为磁滞回线。

(3)基本磁化曲线对同一铁磁材料，选择不同的磁场强度H值的对称交变磁场进行反复磁化，可得到一系列磁滞回线，如图2-11所示，将各磁滞回线在第I、亚象限的顶点连接起来，所得到的曲线称为基本磁化曲线，基本磁化曲线一般只使用第I象限。

基本磁化曲线不是起始磁化曲线，但与起始磁化曲线差别不大。对一定的铁磁材料，基本磁化曲线是比较固定的。直流磁路计算时，所用的磁化曲线都是基本磁化曲线。

3。铁磁材料的分类，铁磁材料根据磁滞回线形状及其在工程上的不同应用，可分为三大类(1)硬磁材料其特点是磁滞回线很宽，这类材料难磁化、难退磁，所以也称为永磁材料，如钻钢、碳钢等。它们用于制造永久铁磁和扬声器的磁钢等。(2)软磁材料其特点是磁滞回线较窄，这类材料易磁化，也容易退磁如硅钢片、铸铁等。它们用于制造电机、变压器和继电器的铁心等。(3)矩磁材料其特点是磁滞回线接近矩形，这类材料在很弱的磁场中就能磁化，撤掉外磁场后，仍能保持与磁饱和状态相同的状态，如锰-镁铁氧体、-镁铁氧体等。它们用于制造计算机中磁存储元件的磁心、磁棒和磁膜等。

旋转磁场，在铁心的外部缠绕与其功率相匹配的导电绕组，这种通有电流的线圈磁铁一样具有磁性，人们称它为电磁铁。最常见的是把它制成条形或蹄形铁，使铁心更容易磁化，另外，为了使电磁铁断电立即消磁，往往采用消磁较快的软铁和硅钢材料来制作铁心。这样的电磁铁在通电时有磁性，断电后磁性就随之消失。电磁铁在日常生活中有着极其广泛的应用，由于它的发明，也使电机的功率得到了很大的提高。

什么是旋转磁场?旋转磁场是磁感应矢量在空间以固定频率旋转的一种磁场，是电能和转动机械能之间相互转换的基本条件。其广泛应用于交流电动机、测量仪表等装置中。1.旋转磁场的产生若使异步电动机转子转动起来，必须要有旋转磁场，如何简单、方便地产生旋转磁场呢?理论证明，如果在三相定子绕组中通以三相对称交流电流，就可以产生旋转磁场。不仅可以产生两级的旋转磁场，而且还可以产生四级、六级等旋转磁场。图2-13a所示为三相异步电动机定子的横剖面，三相绕组为U,U、V,V、W,W，三个绕组在空间的位置彼此相差°

图2-13b所示是一相绕组，在每一相绕组中有若干个线圈，它们按一定规律进行连接。定子铁心中有很多槽孔，这些线圈均匀分布在定子铁心槽孔中。

为了便于分析问题，通常将这些线圈等效为一个线圈(图2-13c)，并集中放置在两个槽孔中，如将,U,相绕组线圈等效的上边导体放在上槽孔中，下边导体放在下槽孔中，两者在空间间隔°，如图2-13a所示。V,V,、W,W,绕组的放置与UU绕组类似。假设将三相定子绕组接成星形，U,、V,、W接于一点，U、V、，分别接于三相对称电源，如图2-14a所示。由于三相绕组完全相同，便有对称的三相交流电流流入相应的定子绕组中，各相绕组中的电流分别为

定子绕组流入三相对称交流电流后，便会在电动机内产生旋转磁场，下面取不同时刻来进行分析。假定三相电流由各绕组首端流人，并从各绕组末端流出的电流为正，反之则为负。仍用“x”表示电流流入纸面，用“·”表示电流流出纸面。在ot=0°时，由图2-14a可以看出电流瞬时值分别为:=0，该为负，则电流从末端V,流人，从首端V,流出;iw为正，则电流i从首端，流人，从末端W，流出。根据右手螺旋定则可以判断出该瞬间在空间所产生的是两极的合成磁场，上为N极，下为S极如图2-15a中，磁极对数p=1。

2.旋转磁场的转向图2-16所示的三相电流的相序。

因此只要将接入三相电源的定子三相绕组中的任意两相对调，就能改变旋转磁场的转向，从而改变电动机的旋转方向。如果将三相异步电动机的每相定子绕组分成两部分，即U;U，绕组由U和UU串联组成，V,V,绕组由V,V,和VV串联组成，w,W,绕组由W,W,和W/W组成，如图2-17所示。同样的分析方法可以得出，所形成的合成磁场是四极旋转磁场，即两个N极、两个S极，如图2-17b、c所示，磁极对数p=2。

这个四极旋转磁场在空间转过的角度是定子电流电角度的一半，即电流变化一周，旋转磁场在空间只转了半周。显然旋转磁场的速度与电动机中所形成的磁极对数有关，且与磁极对数成反比。

3.旋转磁场的转速及转差率

综上分析，旋转磁场转速n,的大小与电源频率有关，且与成正比;旋转磁场转速n。又与磁极对数p有关，且与p成反比。三相电流产生的合成旋转磁场每分钟的转速为异步电动机的旋转磁场转速又称为同步转速。当交流电源的频率f=50Hz时，可得出对应于不同磁极对数p的旋转磁场转速no，见表2-1。

电动机铭牌上给出的转速是转子转速n。在电动机工作时，转子转速比旋转磁场转速多低，为了表示n,与n相差的程度，引人转差率s，即

转差率是异步电动机的一个重要物理量。转子的转速n在0~n之间，则对应的转差率s在1~0之间。有如下情况需注意:

1)在电动机接通电源日转子尚未开始转动(启动瞬间)或用外力使转子不旋转(堵转)时，因n=0，故s=1，这时转差率最低。2)若n=no，则s=0，这种情况为电动机的理想控制状态，即电动机不带任何负载且空载损耗也为0。实际上，这种情况是不存在的，只能说电动机在空载时，其转速接近后步转速。电动机在额定状态下转差率的范围一般为0.01~0.09，即电动机的转速比较接近同步转速。n=(1-s)no，(1-sno+sno=no。由转差率表示的转子转速为(2-18)转差率。

与负载转矩的大小、电动机的结构和转子的类型有关。因为定子和转子磁场有相对运动，则在转子中产生的感应电压与这两个磁场的相对速度有关。转子磁场相对定子磁场的转速差为sno，而转子的机械转速为(1-s)n，因此转子磁场总的转速为(2-19)即为同步转速。虽然转子并不按同步转速旋转，但转子磁场以同步转速旋转。这一点非常有意义。因为这表明转子磁场和定子磁场始终保持相对静止，因而有静电磁转矩产生