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第1章电磁感应原理与磁路分析引言
自1831年法拉第发现电磁感应定律的100多年来，各种类型的电机不断发明并广泛应用于我们生产和生活的方方面面，电磁感应原理奠定了电机的理论基础。本章将讨论电磁感应原理和磁路分析方法。1.1电磁感应原理
众所周知，电和磁是自然界的两种现象，近代通过物理学家的深入研究，发现了电和磁的一些基本规律以及它们之间的联系。本节将概要地介绍电磁感应的基本概念和定律，作为学习本课程的物理基础。
1.1.1磁场
除了天然磁体会产生磁场外，人们发现在导体中通过电流时会在其周围产生磁场，还进一步发现了由电产生磁场的一些基本规律。1.磁场强度和方向
由载流导体产生的磁场大小可用磁场强度H来表示，磁力线的方向与电流的方向满足右手螺旋关系。如图1-1所示，假定在一根导体中通以电流i，则在导体周围空间的某一平面上产生的磁场强度H为如果载流导体是匝数为N的线圈（如图1-2），则上式可表示为2.磁通密度
通常把穿过某一截面S的磁力线根数被称为磁感应强度，用磁通来表示。在均匀磁场中，把单位面积内的磁通量称为磁通密度B，且有第1章电磁感应原理与磁路分析2.导体在磁场中的感应电动势
电磁感应定律告诉我们，磁场的变化会产生感应电动势。如果磁场固定不变，而让导体在磁场中运动，这时相对于导体来说，磁场仍是变化的，因此根据法拉第定律，同样会在导体中产生感应电动势。这种导体在磁场中运动产生的感应电动势的大小由下式给出3.载流导体在磁场中的电磁力
如果在固定磁场中放置一个通有电流的导体，则会在载流导体上产生一个电磁力，又称洛仑慈力或安培力。如图1-4所示，载流导体受力的大小与导体在磁场中的位置有关。当导体与磁力线方向垂直时，所受的力最大，这时电磁力F与磁通密度B、导体长度l以及通电电流强度i成正比，即当导体与磁力线平形时，F=0，在其他位置，导体所受的力介于两者之间。电磁力的方向可由左手定则确定，图1-5给出了F、B与i三者之间的方向关系。1.2导磁材料及其特性
由电磁感应原理可知，通过磁场的作用可以产生电或力，因此各种电机的工作原理离不开磁场和磁性材料，磁性材料是构成各种电机的关键材料。人们发现自然界有的材料具有导磁的特性，称为导磁材料。而没有导磁特性的称为非导磁材料。
1.2.1B-H曲线
磁性材料的磁场强度H与磁通密度B存在一定的关系，其关系用图形表示称为B-H曲线，也称为磁化曲线，是表示磁性材料最基本的特性。
1.真空磁导率
在真空中，磁场强度H与磁通密度B成正比关系，即非导磁材料，比如铜、铝、橡胶和空气等，具有与真空相近的磁导率，因此在这些材料中，磁场强度H与磁通密度B的关系可用图1-6中的B-H曲线来表示。2．导磁材料的磁导率
在导磁材料中，磁场强度H与磁通密度B的关系可表示为1.2.2铁磁材料
为了提高材料的导磁能力，人们在寻求自然材料的同时，通过人工合成的办法获得各种高导磁材料。铁磁材料（包括铁、钴、镍以及它们的合金）具有比真空大数百倍到数千倍的磁导率，因此常作为电机的磁性材料。铁磁材料的主要特性如下：
1.B-H曲线的饱和非线性
由于铁磁材料的磁化特性是非线性的，通常用B-H曲线来表示。图1-7a给出了几种典型铁磁材料的B-H曲线，由此可见其特性分为两段：
1）线性段。如图1-7b中曲线2的O-a段，随着外磁场H的增加，磁通密度B成正比的增加。此时B-H曲线近似为直线，铁磁材料的磁导率基本不变，磁性材料工作在线性区；2）饱和非线性段。如图1-7b中曲线2的b-c段，随着外磁场H的增加，磁通密度B增大缓慢甚至基本不再增大，这种现象称为磁饱和。
通常，电机设计时应使其磁路的铁磁材料工作在线性区。2．磁滞特性及其损耗
以上讨论了铁磁材料的单向磁化过程，但是被磁化的铁磁材料在去除外磁场后仍然会保留一定的磁性，不能恢复到磁化前的初始状态。铁磁材料呈现的这种磁通密度B变化滞后于外磁场H的变化的现象被称为磁滞特性。如果铁磁材料处于周期性交变磁场中，其磁化特性如图1-8所示，B-H曲线呈现封闭性，称为磁滞回线。对于同一种铁磁材料，选择不同的磁场Hm进行反复磁化，可测出一系列大小不同的磁滞回线，如图1-9所示。再将所有磁滞回线在第一象限的顶点连接起来，所形成的曲线称为基本磁化曲线或平均磁化曲线。基本磁化曲线可解决磁滞回线B-H的多值函数问题，在工程中得到广泛应用。铁磁材料在交变磁场作用下反复磁化的过程中要消耗一定的能量，这种功率损耗称为磁滞损耗。假设有一铁磁材料制成的铁心，截面积为S，平均周长为l，在N匝线圈两端施加周期为T的交变电压u，线圈中通过的电流为i，在铁心中产生交变磁场H。这样，由电源供给线圈的瞬时功率为3．涡流特性及其损耗
对于硅钢片一类具有导电性的铁磁材料还有一个重要特性，即在交变磁场的作用下，铁心中会出现涡流，并由此产生涡流损