学习情境二 新能源汽车驱动电机电磁基础

驱动电机及控制技术

何忆斌侯志华主编

尹万建主审机械工业出版社全国机械行业职业教育优质规划教材（高职高专）经全国机械职业教育汽车类专业教学指导委员会审定

学习情境二新能源汽车驱动电机电磁基础

知识准备：司南；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、日关灯、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。

问题1：磁场是如何产生的？

问题1：磁场是如何产生的？

1）磁铁：物体有吸引铁、钴、镍一类物质的性质成为磁性。具有磁性的物体成为磁体。磁体可分为天然磁体和人造磁体。

问题1：磁场是如何产生的？

2）磁极：磁体上磁性最强的两端称为磁极。任何磁体，无论多小，都有连个磁极，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，静止时总是一个磁极指向南方，另一个磁极指向北方，指向南方的称为南极，记作S（极），常用蓝颜色表示；指向北方的称为北极，记作N（极），常用红颜色表示。

问题1：磁场是如何产生的？

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。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。

问题1：磁场是如何产生的？

4）磁感线：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，即用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，称为磁感线。在磁感线上，每一点的切线方向都与该点的磁场方向相同。

地球本身就是一个巨大的磁体，地球的磁场与条形磁条的磁场相似。均匀磁场：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。

问题1：磁场是如何产生的？

4）磁感线：

磁感线有如下特点。

（1)磁感线上每一点的切线方向与该点磁场方向相同。

（2)磁感线在磁体的外部从N极指向S极，在磁体的内部从S极指向N极。（3)磁感线是闭合的曲线，且任意两条磁感线不相交。

（4)磁感线的疏密表示磁场强弱的程度。

问题1：磁场是如何产生的？4）磁感线：

问题1：磁场是如何产生的？

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），简称高，符号为Gs（系非法定计量单位）。两者的关系为1T=104Gs。

问题1：磁场是如何产生的？

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Φ。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：

Φ=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，在电磁电位制中磁通的单位为麦克斯韦，简称麦，符号为Mx（系非法定计量单位）。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。

B=Φ/S

所以磁感应强度也称为磁通密度。

问题1：磁场是如何产生的？

7）磁导率：磁导率是表示物质导磁性能的参数，用符号μ表示，单位是亨每米（H/m）。

真空中的导磁率（permeability of free space）一般用μ0表示，μ0=4π×10-7H/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、钴等铁磁材料及其合金的磁导率比真空磁导率μ0大很多，为10～105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μr表示，则铁磁材料的磁导率可以表示为

μ=μrμ0

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μ，接近于1，而铁磁材料的μr远远大于1，电机和变压器中所使用的铁磁材料相对导磁率一般在2000～80000。

问题1：磁场是如何产生的？

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。

H=B/μ

式中H——磁场强度，单位为A/m

B——磁感应强度，单位为T

μ——磁导率，单位为H/m

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。

问题2：磁路是怎么一回事？

问题2：磁路是怎么一回事？

磁通所通过的路径称为磁路。

电机和变压器中，常把线圈套装在铁芯上。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的多，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；少量的磁通经过部分铁心和空气而闭合，这部分磁通为漏磁通，漏磁通经过的路径为漏磁路。

用来产生磁通的电流叫励磁电流（也称励磁电流）。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。

问题2：磁路是怎么一回事？

1）安培环路定律：安培环路定律又称为全电流定律，即在磁路中，沿任一闭合路径，磁场强度矢量

的线积分?

H·dl等于该闭合回路所包围电流的代数和。

L

H·dl=?i=Ni

?

L

式中，N为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号右手螺旋定则时，电流i取正号，否则取负号。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，则可表示为

Hl=Ni

问题2：磁路是怎么一回事？

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/μ，且在均匀磁场中有磁通密度B =Φ/S ，所以式Hl =Ni 可表示为

式中，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 m 为磁路的磁阻，R m =l/（μS ）（A/Wb ）;Λm 为磁路的磁导，Λm =1/R m 。

或

Hl =B μl =ΦμS l =Φl μS

=ΦR m F =Ni =Hl =ΦR m =Φ

Λm

作用在磁路上的总磁动势F 等于磁路内磁通量Φ与磁路磁阻R m 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Φ与电路中电流对应，则磁阻与电路中电阻对应。

问题2：磁路是怎么一回事？

2）磁路的欧姆定律：

磁阻R m的大小与磁路的平均长度l成正比，与磁路的截面积S及构成磁路材料的磁导率μ成反比。值得注意的是，铁磁材料的磁导率μ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。

问题2：磁路是怎么一回事？

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

σΦ=0

与电路的基尔霍夫第一定律σi=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，

则有

-Φ1+Φ2+Φ3=0

问题2：磁路是怎么一回事？

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，比如电机和变压器的磁路总是有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。

如图所示，磁路由3段组成，其中两段为截面积不同的铁磁材料，地三段为气隙。若铁心上的磁动势F=Ni ，根据安培环路定律，有

或

Ni =σK=13H k l k =H 1l 1+H 2l 2+H δ

?Ni =?Hl

问题2：磁路是怎么一回事？

4）磁路的基尔霍夫第二定律：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，Hl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σE=σU形式上相似，所以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。

问题3：铁磁材料有哪些性质？