一、基本概念
1. 磁场 (Magnetic Field)
- 定义：磁场是电流（运动电荷）或永磁体在其周围空间产生的一种特殊形态的物质。
- 方向：磁力线在永磁体外部从N极指向S极，在内部从S极指向N极，形成闭合曲线。通电导体周围的磁场方向可由安培定则（右手螺旋定则）判断。
- 作用：在电机中，磁场是实现机电能量转换的媒介。
（可参考材料中的通电导体和永磁体磁场分布图）
2. 描述磁场的物理量
磁场强度 (Magnetic Field Intensity)
- 定义：描述空间某点仅由激励源（电流或永磁体）激发的磁场的强弱及方向的物理量，是一个矢量。它描述的是外加磁场的强弱。
- 单位：A/m (安培/米) 或 Oe (奥斯特)。
- 换算：
只和电流的大小和距离有关，和介质无关
磁感应强度 (Magnetic Flux Density)
- 定义：描述介质中某一点磁场的强弱及方向的基本物理量，是一个矢量。它描述的是介质中带电粒子通过受力能感受到的总磁场。
- 单位：T (特斯拉) 或 Gs (高斯)。
- 换算：
磁导率 (Permeability)
- 定义：反映介质导磁性能的物理量，表示介质中磁感应强度与磁场强度的比值。
- 公式：
- 单位：H/m (亨利/米)。
- 真空磁导率：
- 相对磁导率：
- 非导磁材料 (如空气、铜、铝): 。
- 导磁材料 (铁磁材料): 可达成千上万，但不是常数，随H的变化而变化。
磁通 (Magnetic Flux)
- 定义：垂直通过磁场中某一截面S的磁力线总数，即磁感应强度的法线分量对面积的积分。
- 公式：
- 单位：Wb (韦伯)。
磁链 (Flux Linkage)
- 定义：穿过一个N匝线圈的总磁通。若每匝磁通相同，则为匝数与磁通的乘积。
- 公式：
- 单位：Wb (韦伯)。
增加匝数，在相同的磁通变化的前提下，会产生更大的感应电动势
3. 与电路和能量相关的概念
电感系数 (Inductance)
- 定义：描述线圈或器件产生磁通、抵抗电流变化能力的参数。大小等于线圈中产生的感应电动势与引起该电动势的电流变化率之比。
- 公式：
- 在磁路不饱和时（线性磁路），定义为单位电流产生的磁链：
- 单位：H (亨利)。
注意：电感系数取决于线圈自身和磁路的物理性质（匝数、几何形状、介质磁导率），对于线性磁路，与电流大小无关。
- 自感：
其中为磁导
- 互感：
磁路 (Magnetic Circuit)
- 定义：磁通所通过的路径。
- 主磁路：由于铁心等铁磁材料的导磁能力远大于空气，绝大部分磁通被限制在铁心中闭合，构成主磁路
- 漏磁路：少量"泄漏"到周围空气或其他非导磁材料中闭合的磁通路径。
磁动势 (MMF)：
- 定义：建立磁路的源，大小等于产生磁场的线圈的安匝数。
- 公式：
- 单位：A (安) 或 At (安匝)。
磁动势是电流产生磁场的能力，它的本质就是电流
磁压降：
- 定义：磁场强度沿磁路某一段的线积分，表示该段磁路对磁通的"阻碍"作用，或维持该段磁通所消耗的磁动势。
- 磁路上任意一段上的磁压降等于该磁路段上的磁场强度的切线分量沿路径的积分；也等于该磁路段上标量磁位的差
通常称磁路的磁压降为该磁路所需的磁动势；
磁场强度H即为单位长度磁路上消耗的磁动势。
磁能 (Magnetic Energy)
- 定义：储存在磁场中的能量。
- 电感储能：
- 磁场能量密度：单位体积内储存的磁能为
- 注意：在电机中，由于铁心的磁导率远大于空气（)，磁能主要储存在气隙中。
气隙磁场是机电能量转化的媒介
二、基本电磁定律
1. 磁通连续性定律
- 内容：磁场是无源场，磁力线是闭合曲线。穿过任意闭合曲面的总磁通量恒等于零。
- 公式：
又称为：磁路基尔霍夫第一定律 (KCL for Magnetic Circuits)：
在磁路的任一节点，流入的磁通等于流出的磁通，即：
2. 全电流定律 (安培环路定律)
- 内容：磁场强度沿任意闭合路径的线积分，等于该路径所链环的电流的代数和。
- 公式：
磁路基尔霍夫第二定律 (KVL for Magnetic Circuits)：
在任意闭合磁路中，各段磁压降的代数和等于该回路所包含的总磁动势。即：
磁路欧姆定律：
磁路与电路的类比与区别
物理量 | 磁路 (Magnetic Circuit) | 电路 (Electric Circuit) |
驱动源 | 磁动势 | 电动势 |
通量/流量 | 磁通 | 电流 |
阻力 | 磁阻 | 电阻 |
定律 | ||
欧姆定律 |
- 本质区别：电路和磁路只是数学形式上相似,本质不同!
- 能量消耗：电流是电荷流动，在电阻中流动会产生功率损耗（热量）；维持稳定的直流磁通不消耗能量。
- 介质：存在电的绝缘体（电导率极低）；但不存在磁的绝缘体（所有材料的磁导率与真空磁导率相差不是无限大）。
- 线性度：电路中的电阻率通常是常数（线性）；磁路中铁磁材料的磁导率不是常数，随磁场变化，导致磁路通常是非线性的。
直流磁路的计算
3. 电磁感应定律 (法拉第定律)
- 内容：当穿过闭合线圈的磁链发生变化时，线圈中就会产生感应电动势。
- 大小：
磁链是感应电动势的积分
- 方向 (楞次定律)：感应电动势（或感应电流）的方向总是反抗引起它的磁通的变化。口诀为"来拒去留"。
- 公式 (含方向)：
- 注意：负号成立的条件是电动势和磁通的参考方向符合右手螺旋关系。
感应电动势是从低电位指向高电位
感应电动势的分类
- 变压器电动势(电能的传递)
- 产生原因：线圈位置不变，但穿过线圈的磁场本身随时间变化。
- 应用：变压器、电抗器。
- 运动电动势 (机电能量的转换)
- 产生原因：磁场恒定，但导体与磁场发生相对运动，"切割"磁力线。
- 大小：(其中为与的夹角)
- 方向：由右手定则判断。
- 应用：发电机、电动机（反电动势）。
4. 电磁力定律 (洛伦兹力定律)
- 内容：置于磁场中的载流导体会受到电磁力的作用。
- 大小：
- (当，即导体与磁场方向垂直时，)
- 方向：由左手定则判断。将左手伸平，拇指与其余四指垂直，磁感应强度方向与手掌垂直并指向手掌，四指指向电流方向，则拇指所指方向即为导体所受电磁力的方向。
- 应用：电磁力是电动机产生电磁转矩的基础。电磁转矩是各导体所受电磁力的力矩之和，可表示为：
- 其中为力臂，为各导体所受电磁力。
5. 能量守恒定律
- 内容：在电机的能量转换过程中，能量的形式可以转化，但总量保持不变。
- 功率平衡方程：
输入能量 = 磁场储能增量(稳态时为0) + 损耗能量 + 输出能量
其中,能量损耗又分为:
- 铜耗(焦耳热)
- 机械损耗(摩擦损耗,通风损耗)
- 铁耗(磁滞,涡流)
上述损耗全部转化为热能
