1、电机学电机学Electrical Machinery刘黎刘黎 liuli_liuli_西南交通大学电气工程学院西南交通大学电气工程学院？学什么？学什么？为什么学？为什么学？怎么学？怎么学？怎么考核？怎么考核？总评成绩：平时总评成绩：平时10%10%，实验，实验10%10%，中期，中期10%10%，期末考试期末考试70%70%。课程性质及内容课程性质及内容课程性质课程性质电气工程类专业电气工程类专业 专业基础课专业基础课课程特点课程特点课程内容（电机原理）课程内容（电机原理）集集理论性、实用性理论性、实用性为一体为一体变压器变压器：电力变压器：电力变压器交流电机：交流电机：感应电机感应电机、同步
2、电机同步电机直流电机直流电机：直流电动机、直流发电机：直流电动机、直流发电机先修课程先修课程 相关课程相关课程高等数学高等数学大学物理大学物理电路分析电路分析工程力学工程力学电磁场理论电磁场理论 学习方法学习方法1 1、抓主要问题，有条件地略去一些次要因素；、抓主要问题，有条件地略去一些次要因素；2 2、抓住、抓住重点重点，牢固掌握基本概念、基本原理和主要特性；，牢固掌握基本概念、基本原理和主要特性；3 3、注重、注重类比类比方法，分析电机的共性和特点，加深对原理方法，分析电机的共性和特点，加深对原理和性能的理解；和性能的理解；4 4、理论联系实际理论联系实际，重视科学实验和工程实践，重视科学
3、实验和工程实践；5 5、充分预习和复习，认真对待、充分预习和复习，认真对待习题习题。参考书目参考书目1.1.电机学（教材）电机学（教材）2.2.A.E.FitzgeraldA.E.Fitzgerald等著等著.刘新正等译刘新正等译.电机学电机学.电子工业出版社，电子工业出版社，200420043.3.许实章主编许实章主编.电机学电机学.机械工业出版社，机械工业出版社，199019904.4.汤蕴璆，史乃主编汤蕴璆，史乃主编.电机学电机学.机械工业出版机械工业出版社，社，199919995.5.电机学相关习题集电机学相关习题集概概 述述重点与难点重点与难点：1.了解电机发展概况；了解电机发展概况
4、；2.复习常用复习常用基本定律基本定律；3.掌握电机掌握电机常用材料常用材料；4.掌握掌握磁路磁路基本定律；基本定律；5.熟悉电机基本熟悉电机基本分析方法分析方法。第一节第一节 电机概况电机概况什么是电机？什么是电机？应用应用电磁感应原理电磁感应原理实现机电能量转换的机械实现机电能量转换的机械分类分类发电机：发电机：将机械能转换成电能将机械能转换成电能电动机：电动机：把电能转换成机械能把电能转换成机械能变压器：变压器：将一种电压等级的电能转换成另一种将一种电压等级的电能转换成另一种电压等级的电能电压等级的电能控制电机和特种电机控制电机和特种电机电机的用途电机的用途电力工业（发电机、变压器）电力
5、工业（发电机、变压器）电能的生产、传输、分配电能的生产、传输、分配机械、冶金、化学工业（电动机拖动）机械、冶金、化学工业（电动机拖动）运输行业（牵引）运输行业（牵引）控制系统（控制电机）控制系统（控制电机）电机工业的历史与现状电机工业的历史与现状历史历史18211821年，法拉第发现载流导体在磁场中受力年，法拉第发现载流导体在磁场中受力18311831年，法拉第发现电磁感应定律年，法拉第发现电磁感应定律18841884年，世界上第一台直流电动机问世年，世界上第一台直流电动机问世18851885年，世界上第一台交流电动机（笼型异步年，世界上第一台交流电动机（笼型异步电动机）问世电动机）问世未来电
6、机及其系统发展趋势（图）未来电机及其系统发展趋势（图）第二节第二节 相关基本定律相关基本定律全电流定律（安培环路定律）全电流定律（安培环路定律）电磁感应定律电磁感应定律电磁力定律电磁力定律电路定律电路定律牛顿第二运动定律牛顿第二运动定律与与磁场、磁路相关磁场、磁路相关与与等值电路相关等值电路相关与与动力学问题相关动力学问题相关1 1、全电流定律（安培环路定律）、全电流定律（安培环路定律）在磁场中沿任意闭合回路磁场强度的线积分等于在磁场中沿任意闭合回路磁场强度的线积分等于穿过该回路所有电流的代数和，即：穿过该回路所有电流的代数和，即：sldsJdlH式中，电流方向与闭合回路环绕方向符合右手螺式中
7、，电流方向与闭合回路环绕方向符合右手螺旋关系时为正，反之为负。旋关系时为正，反之为负。安培环路定律H HL L1idl2i3i思考思考对于仅存在载流导体的情况：对于仅存在载流导体的情况：IdlHl1 1、全电流定律（安培环路定律）（续）、全电流定律（安培环路定律）（续）例：例：按图中顺时针按图中顺时针l1l1、l2l2取回路有取回路有 ：1 12 21 12 2H lH lN iN i按图中顺时针按图中顺时针l1l1、l3l3取回路有取回路有 ：113311iNlHlH 1 1i i1 1N N2 2i i2 2N N1 1l l1 1F F2 2F F3 3F F2 2l l3 3l l2
8、2、电磁感应定律、电磁感应定律当与线圈交链的磁链当与线圈交链的磁链随时间变化时，线圈中将感应随时间变化时，线圈中将感应电动势电动势e e，e e的大小等于线圈所交链的磁链对时间的的大小等于线圈所交链的磁链对时间的变化率，变化率，e e的方向符合楞次定律，数学描述为：的方向符合楞次定律，数学描述为：dtdNdtde（式中（式中N N为线圈匝数）为线圈匝数）(1)(1)线圈感应电动势线圈感应电动势:(2)(2)运动导体感应电动势：运动导体感应电动势：dlBve)(Blve 当磁场均匀、导线为直线、且运动方向与当磁场均匀、导线为直线、且运动方向与磁场和导体三者相互垂直。则：磁场和导体三者相互垂直。则
9、：导体在磁场中运动切割磁力线，产生电动势：导体在磁场中运动切割磁力线，产生电动势：2 2、电磁感应定律（续）、电磁感应定律（续）（方向用右手定则确定）（方向用右手定则确定）3 3、电磁力定律、电磁力定律（方向用左手定则确定）（方向用左手定则确定）Blidf dBlif 载流导体在磁场中受力，大小为：载流导体在磁场中受力，大小为：当磁场均匀、导体为直线且导当磁场均匀、导体为直线且导体电流与磁场相互垂直。则：体电流与磁场相互垂直。则：注：旋转电机中，转子导体上电磁力注：旋转电机中，转子导体上电磁力电磁转矩电磁转矩T Temem4 4、电路定律、电路定律 基尔霍夫第二定律（电压定理）基尔霍夫第二定律
10、（电压定理）KVL:0ieu 基尔霍夫第一定律（电流定理）基尔霍夫第一定律（电流定理）KCLKCL:欧姆定律欧姆定律uRi5 5、牛顿第二运动定律、牛顿第二运动定律对平动刚体对平动刚体dtdvmfdtdJT对旋转刚体对旋转刚体第三节第三节 电机中所用的材料与磁路电机中所用的材料与磁路电机电机电路部分电路部分磁路部分磁路部分结构部分结构材料结构部分结构材料导电材料、导电材料、绝缘材料绝缘材料导磁材料导磁材料一、电机中所用的材料一、电机中所用的材料 导电材料导电材料：作为电机中的电路，常采用导电性作为电机中的电路，常采用导电性能好的材料，如紫铜或铝能好的材料，如紫铜或铝绝缘材料绝缘材料：作为带电体
11、之间和铁心间的电气隔作为带电体之间和铁心间的电气隔离。要求材料介电强度高而且耐热强度好。离。要求材料介电强度高而且耐热强度好。导磁材料导磁材料：作为电机中的：作为电机中的磁路磁路，常用硅钢片、，常用硅钢片、钢板和铸钢钢板和铸钢结构材料结构材料：使各部分构成整体、支撑和连接其使各部分构成整体、支撑和连接其他机械。要求机械强度好、加工方便。常用铸他机械。要求机械强度好、加工方便。常用铸铁、铸钢、铝合金及工程材料铁、铸钢、铝合金及工程材料 二、基本磁路物理量二、基本磁路物理量磁场强度磁场强度H(A/m)H(A/m)磁感应密度磁感应密度(磁密磁密)B(T)B(T)磁动势磁动势(磁势磁势)F(A)F(A
12、)：励磁绕组产生的安匝数励磁绕组产生的安匝数F=NiF=Ni磁通量磁通量(磁通磁通)(WbWb)：穿过曲面穿过曲面S S的磁通是磁感应的磁通是磁感应密度密度B B的法线分量的面积分的法线分量的面积分 sdaB ccABB 均匀时，均匀时，磁场强度磁场强度H H与磁感应密度与磁感应密度B B的关系由材料特性决定的关系由材料特性决定 B BHH 称为材料的称为材料的磁导率磁导率相对磁导率相对磁导率：材料的磁导率与真空磁导率的比值：材料的磁导率与真空磁导率的比值)/104(/700mHr 基本磁路物理量（续）基本磁路物理量（续）电机中使用的铁磁材料的典型相对磁导率电机中使用的铁磁材料的典型相对磁导率
13、范围：范围：200020008000080000三三.磁性材料的特性磁性材料的特性按相对磁导率，将材料分为按相对磁导率，将材料分为非磁性物质：非磁性物质：r r约为约为1 1磁性（铁磁）物质磁性（铁磁）物质：r r远大于远大于1 1铁磁物质包括铁、镍、钴等和他们的合金铁磁物质包括铁、镍、钴等和他们的合金铁磁物质在外磁场中呈现磁性大幅度增强铁磁物质在外磁场中呈现磁性大幅度增强的现象的现象 思考思考铁磁材料分类铁磁材料分类软磁材料软磁材料磁滞回线窄，剩磁磁滞回线窄，剩磁BrBr和矫顽和矫顽力力HcHc小小铸铁、钢、硅钢片等铸铁、钢、硅钢片等软磁材料的磁导率较高软磁材料的磁导率较高硬磁（永磁）材料硬
14、磁（永磁）材料磁滞回线宽磁滞回线宽、BrBr和和HcHc都大的铁磁材料都大的铁磁材料永磁材料的性能用剩磁永磁材料的性能用剩磁BrBr、矫顽力矫顽力HcHc和最大和最大磁能积（磁能积（BHBH）maxmax三项指标表征三项指标表征四四.磁路磁路磁通所通过的磁通所通过的闭合闭合路径路径。是以高导磁性。是以高导磁性材料构成的使磁通被限制在结构所确定的路径之中的一种结材料构成的使磁通被限制在结构所确定的路径之中的一种结构构(和电流在电路中被导体所限制是极为相似和电流在电路中被导体所限制是极为相似)。+NIfNSS0i1u+11N2N 有线圈的铁心中，磁通分成主磁通和漏磁通有线圈的铁心中，磁通分成主磁通
15、和漏磁通两部分两部分主磁通主磁通：在铁心中通过的绝大部分磁通：在铁心中通过的绝大部分磁通漏磁通漏磁通：围绕载流线圈、在部分铁心和铁心：围绕载流线圈、在部分铁心和铁心周围的空间的少量磁通周围的空间的少量磁通励磁线圈：用来产生磁场的载流线圈励磁线圈：用来产生磁场的载流线圈励磁电流：载流线圈中的电流励磁电流：载流线圈中的电流简单磁路的几个概念简单磁路的几个概念2 2、磁路基本定理、磁路基本定理磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路基尔霍夫第一定律磁路基尔霍夫第一定律磁路基尔霍夫第二定律磁路基尔霍夫第二定律对于等截面、磁密分布均匀、材料对于等截面、磁密分布均匀、材料一致的简单磁路一致的简单磁路假设磁通假设磁通为
16、为，磁动势为磁动势为F=NiF=Ni，磁磁路截面积为路截面积为A A，磁路平均长度为磁路平均长度为l lABdaBs AB ABH 1 AllHiNF11N2Ni1u+lHUm AlRm 1 mmRU磁路基尔霍夫定律磁路基尔霍夫定律 SdSB0csdaJdlH iimimimiiiiURlHF iimimimiiiiURlHNiF0 Alm RAlNIRFm Al RAlEREI nnSBBSB ,.,S ,2211 niiilHNI1 5.1330045.09000NHlIA A 390300450260.NHlI A/m102.71049.057000 BH cm 390.2-2391 .
17、ll cm 23921510.l A 16351951440110 lHHNI A 144010201027250 .H A 1951039500211 lH163511635 ININ交流磁路中，激磁电流是交流，因此磁路中交流磁路中，激磁电流是交流，因此磁路中的磁动势及其所激励的磁通均随时间而交变，的磁动势及其所激励的磁通均随时间而交变，但每一瞬时仍和直流磁路一样，遵循磁路的但每一瞬时仍和直流磁路一样，遵循磁路的基本定律；基本定律；就瞬时值而言，通常情况下，可以使用相同就瞬时值而言，通常情况下，可以使用相同的基本磁化曲线；的基本磁化曲线；磁通量和磁通密度均用交流的幅值表示，磁磁通量和磁通密度
18、均用交流的幅值表示，磁动势和磁场强度则用有效值表示。动势和磁场强度则用有效值表示。t0i3211230iVfBCpnmhh 由于硅钢片磁滞回线的面积较小，故电机和由于硅钢片磁滞回线的面积较小，故电机和变压器的铁心常用硅钢片叠成。变压器的铁心常用硅钢片叠成。VBfCpmee222 为减小涡流损耗，电机和变压器的铁心都用含为减小涡流损耗，电机和变压器的铁心都用含硅量较高的薄硅钢片叠成。硅量较高的薄硅钢片叠成。GBfCpppmFeehFe23.1 电机中的重要参数电机中的重要参数：温升温升电机温升电机温度电机温升电机温度-环境温度环境温度（国家规定环境计算温度为（国家规定环境计算温度为4040）思考思考电机中哪种材料耐热性最差？电机中哪种材料耐热性最差？电机的冷却决定了电机的散热能力和电机的温电机的冷却决定了电机的散热能力和电机的温升，从而直接影响电机的寿命和额定容量。升，从而直接影响电机的寿命和额定容量。冷却介质冷却介质：电机中能直接或间接带走电机所产：电机中能直接或间接带走电机所产生的热量的物质。常用空气、氢气、水和油生的热量的物质。常用空气、氢气、水和油冷却方式冷却方式：外部冷却（冷却介质直接处电机部：外部冷却（冷却介质直接处电机部件表面）和内部冷却（冷却介质深入到电机部件表面）和内部冷却（冷却介质深入到电机部件内部带走热量）件内部带走热量）
