1、电机学电机学Electric Machinery天津工业大学天津工业大学电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院2013.2（第（第1章章 导论）导论）电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院2姓名：耿强姓名：耿强系部：天津工业大学系部：天津工业大学 电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院 电气工程系电气工程系研究方向：电机系统及其控制研究方向：电机系统及其控制办公室：办公室：4教教C区区203室室Email：QQ：1805031596电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院3选用教材：选用教材：电机学电机学作者：辜丞林作者：辜丞林 等等出版社：华中科技大学出版社出版社：华中科技大学出版社参
2、考书：参考书：电机学电机学 （汤蕴璆（汤蕴璆 机械工业出版社机械工业出版社 ）Electric Machinery（A.E.Fitzgerald 英文教材）英文教材）电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院4 考核方法：考核方法：出勤出勤=15%课堂成绩课堂成绩 作业作业=15%课堂成绩课堂成绩 期末考试期末考试=70%课堂成绩课堂成绩 总成绩总成绩=80%课堂成绩课堂成绩+20%实验成绩实验成绩电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院5 实验时间：实验时间：第第8周周 周二（周二（4.16）第四大节第四大节 1、2班班 周三（周三（4.17）第四大节第四大节 3、4班班 第第9周周 周二（周
3、二（4.23）第四、五大节）第四、五大节 1、2班班 周三（周三（4.24）第四、五大节）第四、五大节 3、4班班 第第15周周 周二（周二（6.4）第四、五大节）第四、五大节 1、2班班 周三（周三（6.5）第四、五大节）第四、五大节 3、4班班 实验地点：实验地点：4D210 第第1 1章章 导论导论 概述概述 电机的发展历程电机的发展历程 电机中的基本电磁定律电机中的基本电磁定律 铁磁材料铁磁材料 磁路基本定律及计算方法磁路基本定律及计算方法 电机中的机电能量转换过程电机中的机电能量转换过程 电机的发热与冷却电机的发热与冷却 电机的分析研究方法电机的分析研究方法第第1 1章章 导论导论
4、电机的基本概念电机的基本概念 电机的分类电机的分类 电机中使用的材料电机中使用的材料 概述概述 电机的作用和地位电机的作用和地位电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院81.1 概述概述 一、电机的基本概念一、电机的基本概念电机电机是依据是依据电磁感应定律电磁感应定律和和电磁力定律电磁力定律，由，由电路电路和和磁路磁路构成的能实现机电能量或信号传递与转换构成的能实现机电能量或信号传递与转换的电磁装置。的电磁装置。e=B l vf=B l i机械能机械能电电 能能电路电路磁路磁路电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院9二、电机的分类二、电机的分类 按运动方式分类按运动方式分类电电机机 电气工程
5、与自动化学院电气工程与自动化学院10按功能分类按功能分类电电机机 电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院11三、电机中使用的材料三、电机中使用的材料 导电材料：铜线。构成电路。导电材料：铜线。构成电路。导磁材料：硅钢片。构成磁路。导磁材料：硅钢片。构成磁路。结构材料：铸铁、铸钢和钢板。承受力。结构材料：铸铁、铸钢和钢板。承受力。绝缘材料：聚酯漆、环氧树脂、玻璃丝带等。绝缘材料：聚酯漆、环氧树脂、玻璃丝带等。用于导体之间和各类构件之间的绝缘处理。电用于导体之间和各类构件之间的绝缘处理。电机常用绝缘材料按性能划分为机常用绝缘材料按性能划分为A、E、B、F、H、C等等6个等级。如个等级。如B级绝缘
6、材料可在级绝缘材料可在130下下长期使用，超过长期使用，超过130则很快老化，但则很快老化，但H级绝级绝缘材料允许在缘材料允许在180下长期使用。下长期使用。电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院12四、电机的作用和地位四、电机的作用和地位 地位：地位：作为电能生产、传输、使用和电能特性作为电能生产、传输、使用和电能特性变换的核心设备，电机在现代社会所有行业和变换的核心设备，电机在现代社会所有行业和部门中占据了重要的地位。部门中占据了重要的地位。汽轮发电机汽轮发电机水泵水泵电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院13第第1 1章章 导论导论 直流电机的产生和形成直流电机的产生和形成 交流电机
7、的形成和发展交流电机的形成和发展 电机理论和设计、制造技术的足部完善电机理论和设计、制造技术的足部完善 电机的发展历程电机的发展历程 电机的发展趋势电机的发展趋势电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院151.2 电机的发展历程电机的发展历程 一、直流电机的产生和形成一、直流电机的产生和形成 1821年，法拉第发现载流导体在磁场中受力的现象，年，法拉第发现载流导体在磁场中受力的现象，从而衍生出原始机构的电动机；从而衍生出原始机构的电动机；1831年，法拉第发现了电磁感应定律；年，法拉第发现了电磁感应定律；电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院16 1832年，皮克西制成原始的旋转磁极式直流发
8、电机年，皮克西制成原始的旋转磁极式直流发电机现代发电机的雏形；现代发电机的雏形；1833年，楞次证明了电机的可逆原理；年，楞次证明了电机的可逆原理；18341870年，永磁体励磁转变为线圈励磁，他励发年，永磁体励磁转变为线圈励磁，他励发展到自励，环形绕组的应用；展到自励，环形绕组的应用；电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院171873年，海夫纳年，海夫纳阿尔泰涅克发明了鼓形绕组；阿尔泰涅克发明了鼓形绕组；1880年，爱迪生提出了叠片铁芯；年，爱迪生提出了叠片铁芯；18841885年，出现了换向极、补偿绕组以及碳刷；年，出现了换向极、补偿绕组以及碳刷；1886年，霍普金森兄弟确立了磁路欧姆定
9、律；年，霍普金森兄弟确立了磁路欧姆定律；1891年，阿诺尔特建立了直流电枢绕组理论。年，阿诺尔特建立了直流电枢绕组理论。电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院18二、交流电机形成和发展二、交流电机形成和发展 1832年，单相交流发电机出现；年，单相交流发电机出现；18761884年，单相交流电动机不断完善；年，单相交流电动机不断完善；1885年，费拉里斯与特斯拉年，费拉里斯与特斯拉几乎同时制成了感应电动机；几乎同时制成了感应电动机；电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院19 1889年，多利夫年，多利夫多布罗夫斯基提出了三相制，并多布罗夫斯基提出了三相制，并设计制造了三相感应电动机；设计制
10、造了三相感应电动机；18931899年，交流电机理论取得很多成果，如、年，交流电机理论取得很多成果，如、双旋转磁场理论、交轴磁场理论、双反应理论。双旋转磁场理论、交轴磁场理论、双反应理论。电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院20三、电机理论和设计、制造技术的逐步完善三、电机理论和设计、制造技术的逐步完善20世纪是电机发展史上的一个新时期：世纪是电机发展史上的一个新时期：电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院21电机相关理论：电机相关理论：电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院22电机相关理论：电机相关理论：电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院23四、电机发展趋势四、电机发展趋势 超
11、导技术有助于电机单机容量进一步增大，效率超导技术有助于电机单机容量进一步增大，效率与功率密度进一步提高；与功率密度进一步提高；新型、特种电机与新原理、新结构、新材料、新新型、特种电机与新原理、新结构、新材料、新工艺、新方法联系更加紧密；工艺、新方法联系更加紧密；自动化、智能化电机系统将成为研究热点；自动化、智能化电机系统将成为研究热点；电机与电力电子以及计算机技术联系愈加紧密。电机与电力电子以及计算机技术联系愈加紧密。第第1 1章章 导论导论 电机中的基本电磁定律电机中的基本电磁定律 全电流定律全电流定律 电磁感应定律电磁感应定律 电磁力定律电磁力定律电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院2
12、51.3 电机中的基本电磁定律电机中的基本电磁定律一、全电流定律一、全电流定律 全电流定律（安全电流定律（安培环路定律）：培环路定律）：磁场强度沿任意磁场强度沿任意的闭合路径的线的闭合路径的线积分等于闭合路积分等于闭合路径包围的导体电径包围的导体电流的代数和。流的代数和。电流是产生磁场电流是产生磁场的源。的源。321IIIl dHl dll电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院26二、电磁感应定律二、电磁感应定律 只要与线圈交链的磁链只要与线圈交链的磁链发生了变化，线圈内发生了变化，线圈内就会感应出电动势。就会感应出电动势。感应电动势倾向于在线感应电动势倾向于在线圈内产生电流，以阻止圈内产生
13、电流，以阻止的变化。的变化。当电动势的正方向与磁当电动势的正方向与磁通方向符合右手螺旋法通方向符合右手螺旋法则，则则，则ddeNdtdt 电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院27二、电磁感应定律二、电磁感应定律 导致磁通变换的原因：导致磁通变换的原因：磁通由时变电流产生；磁通由时变电流产生；磁通由线圈与磁场间的相对运动产生。磁通由线圈与磁场间的相对运动产生。式中：式中：eT为变压器电动势，线圈与磁场相对静止；为变压器电动势，线圈与磁场相对静止；ev为运动电动势（速度电动势、旋转电动势或为运动电动势（速度电动势、旋转电动势或 切割电动势）。切割电动势）。dddtxtxTveNNveetx 电
14、气工程与自动化学院电气工程与自动化学院281.变压器电动势变压器电动势 假设线圈与磁场相对静止，与线圈交链的磁通随时假设线圈与磁场相对静止，与线圈交链的磁通随时间按正弦规律变化间按正弦规律变化 可得感应电动势为可得感应电动势为msintTmmcossin90eeNtEt Eo电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院291.变压器电动势变压器电动势 用有效值表示，则可得用有效值表示，则可得mmmmsin9024.442eEtEEfNfN电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院302.运动电动势运动电动势 假设：线圈匝数假设：线圈匝数 N，两边平行，有效长度为，两边平行，有效长度为 l，宽度，宽度
15、为为b，以速率，以速率 v 沿沿 方向运动；磁场方向运动；磁场 B()不随时间变不随时间变化，方向垂直进入屏幕。化，方向垂直进入屏幕。任意时刻穿过线圈的磁通为：任意时刻穿过线圈的磁通为：运动电动势为：运动电动势为：式中磁场、线圈运动方向和感应电动势之间的关系式中磁场、线圈运动方向和感应电动势之间的关系由由右手定则（发电机定则）右手定则（发电机定则）确定。确定。dx bnxlB vnnneeNvl BxBxbN B lv 电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院31电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院32三、电磁力定律三、电磁力定律 磁场对电流的作用是磁场的基本特征之一。通电磁场对电流的作用
16、是磁场的基本特征之一。通电导体置于磁场中（电流方向与导体方向不平行）导体置于磁场中（电流方向与导体方向不平行）会受到力的作用，此力称为会受到力的作用，此力称为电磁力电磁力。对于长直载流导体，若磁场与之垂直，则电磁力对于长直载流导体，若磁场与之垂直，则电磁力为为 F=B l i 这就是通常所说的这就是通常所说的电磁力定律电磁力定律，也叫毕奥，也叫毕奥-萨伐电萨伐电磁力定律。磁力定律。式中电磁力式中电磁力F、磁场、磁场B和载流导体和载流导体 l 的关系由的关系由左手左手定则（电动机定则）定则（电动机定则）确定。普通电机中，确定。普通电机中，l 通常沿通常沿轴线方向，而轴线方向，而B沿径向方向。沿径
17、向方向。电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院33三、电磁力定律三、电磁力定律 电磁力作用于转子的切向方向，即产生转矩，称电磁力作用于转子的切向方向，即产生转矩，称为为电磁转矩电磁转矩。单根导体产生的电磁转矩为：。单根导体产生的电磁转矩为：Ts=Fr=B l i r 对于对于N匝线圈所产生的电磁转矩为：匝线圈所产生的电磁转矩为：Tc=N l i r(B1-B2)电机最大可能的电磁转矩为电机最大可能的电磁转矩为Tem=M N B l i D电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院34三、电磁力定律三、电磁力定律 在在电动机电动机中，中，电磁转矩电磁转矩是驱动电机旋转的原动力，是驱动电机旋转的原
18、动力，电磁转矩表现为驱动性质，电磁转矩表现为驱动性质，电能转换为机械能电能转换为机械能。在在发电机发电机中，原动机克服发电机中，原动机克服发电机电磁转矩电磁转矩，电磁转，电磁转矩表现为制动性质，矩表现为制动性质，机械能转换为电能机械能转换为电能。第第1 1章章 导论导论 铁磁材料特性铁磁材料特性 铁磁材料的磁导率铁磁材料的磁导率 磁滞与磁滞损耗磁滞与磁滞损耗 涡流与涡流损耗涡流与涡流损耗 交流铁芯损耗交流铁芯损耗电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院361.4 铁磁材料特性铁磁材料特性一、铁磁材料的磁导率一、铁磁材料的磁导率 磁导率的定义磁导率的定义 =B/H B为磁感应强度（磁通密度），为
19、磁感应强度（磁通密度），H为磁场强度矢量为磁场强度矢量 铁磁性材料包括铁、钴、镍及它们的合金。铁磁性材料包括铁、钴、镍及它们的合金。非导磁材料的磁导率均为常数，接近真空磁导率非导磁材料的磁导率均为常数，接近真空磁导率 0=410-7 H/m 电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院37 铁磁材料的磁导率铁磁材料的磁导率 Fe Fe0 Fe为非常数，随为非常数，随B的变化而变化的变化而变化 存在存在磁饱和现象磁饱和现象：当铁磁材料中的：当铁磁材料中的B达到一定的达到一定的程度后，随着程度后，随着H 的增加，的增加，B的增加逐渐变慢，因的增加逐渐变慢，因此此 Fe随着随着H的增加而减小。的增加而减
20、小。电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院38 磁化曲线磁化曲线 在外磁场在外磁场H作用下，磁感应强度作用下，磁感应强度B将发生变化，二者之将发生变化，二者之间的关系曲线称为磁化曲线，记为间的关系曲线称为磁化曲线，记为B=f(H)。电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院39三、磁滞与磁滞损耗三、磁滞与磁滞损耗 磁滞概念：磁滞概念：B变化滞变化滞后于后于H变化的现象。变化的现象。不同铁磁材料有不同不同铁磁材料有不同的磁滞回线，且同一的磁滞回线，且同一铁磁材料，铁磁材料，Bm愈大愈大，磁滞回线所包围的，磁滞回线所包围的面积也愈大。面积也愈大。剩磁密度矫顽力磁滞回线电气工程与自动化学院电气工程与
21、自动化学院40 软磁材料软磁材料：磁滞回：磁滞回线很窄。硅钢片、线很窄。硅钢片、铸铁、铸钢等等。铸铁、铸钢等等。硬磁材料硬磁材料：磁滞回：磁滞回线很宽，或叫线很宽，或叫永磁永磁材料材料。铁氧体、稀。铁氧体、稀土钴、钕铁硼等。土钴、钕铁硼等。基本磁化曲线基本磁化曲线电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院41 磁滞损耗磁滞损耗：铁磁材料在交变磁场作用下的反复磁：铁磁材料在交变磁场作用下的反复磁化过程中，磁畴会不停转动，相互之间会不断摩化过程中，磁畴会不停转动，相互之间会不断摩擦，因而就要消耗一定的能量，产生功率损耗。擦，因而就要消耗一定的能量，产生功率损耗。这种损耗称为磁滞损耗。这种损耗称为磁滞
22、损耗。磁滞损耗的大小与磁滞回线的面积、电流频率磁滞损耗的大小与磁滞回线的面积、电流频率f 和铁心体积和铁心体积V 成正比。成正比。由于硅钢片的磁滞回线面积很小，而且导磁性能由于硅钢片的磁滞回线面积很小，而且导磁性能好。因此，大多数电机、变压器或普通电器的铁好。因此，大多数电机、变压器或普通电器的铁心都采用硅钢片制成。心都采用硅钢片制成。电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院42 假设环形铁芯假设环形铁芯(铁磁材料铁磁材料)横截面积为横截面积为A，平均周长为，平均周长为l，N匝数线圈紧密围绕于铁芯上，其中电流为匝数线圈紧密围绕于铁芯上，其中电流为i，铁，铁芯内磁场强度为芯内磁场强度为H，由全电
23、流定律可得，由全电流定律可得 电源供给线圈的功率为电源供给线圈的功率为 忽略线圈电阻则有忽略线圈电阻则有lHldiHlNiiN Hlpuid,dueNBAt ddBpuiAlHt电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院43 P即为在铁芯中建立交变磁通、克服磁畴回转所需要即为在铁芯中建立交变磁通、克服磁畴回转所需要的瞬时功率，其在一个周期的瞬时功率，其在一个周期T内的平均值就是铁芯磁内的平均值就是铁芯磁滞损耗：滞损耗：根据工程经验：根据工程经验：Kh为不同材料的计算系数；为不同材料的计算系数；为由试验确定的系数。为由试验确定的系数。h01ddTpp tfVH BT hhmpK fB V电气工程与
24、自动化学院电气工程与自动化学院44三、涡流与涡流损耗三、涡流与涡流损耗 涡流：涡流：铁磁材料在交变磁铁磁材料在交变磁场将有围绕磁通呈涡旋状场将有围绕磁通呈涡旋状的感应电动势和电流产生的感应电动势和电流产生，简称涡流。，简称涡流。涡流损耗：涡流损耗：涡流在其流通涡流在其流通路径上的等效电阻中产生路径上的等效电阻中产生的的I 2R损耗称为涡流损耗。损耗称为涡流损耗。电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院45 涡流损耗与磁场交变频率涡流损耗与磁场交变频率f、厚度、厚度d和最大磁感应强和最大磁感应强度度Bm的平方成正比，与材料的电阻率的平方成正比，与材料的电阻率 成反比。成反比。式中，式中，K为电动
25、势比例常数；为电动势比例常数；要减少涡流损耗，首先应减小厚度，其次是增加涡要减少涡流损耗，首先应减小厚度，其次是增加涡流回路中的电阻。电工钢片中加入适量的硅，制成流回路中的电阻。电工钢片中加入适量的硅，制成硅钢片，显著提高电阻率。硅钢片，显著提高电阻率。22222mww0d12dK f d B Vpp电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院46四、铁耗四、铁耗 铁耗：铁耗：铁磁材料在交变磁场作用时，磁滞损耗和铁磁材料在交变磁场作用时，磁滞损耗和涡流损耗是同时发生的。因此，在电机和变压器涡流损耗是同时发生的。因此，在电机和变压器的计算中，当铁心内的磁场为交变磁场时，常将的计算中，当铁心内的磁场为
26、交变磁场时，常将磁滞损耗和涡流损耗合在一起来计算，并统称为磁滞损耗和涡流损耗合在一起来计算，并统称为铁心损耗，简称铁耗。铁心损耗，简称铁耗。单位重量铁耗单位重量铁耗 式中，式中，p1/50为铁耗系数（当为铁耗系数（当Bm=1T、f=50Hz时，时，每千克硅钢片的铁耗），范围为每千克硅钢片的铁耗），范围为1.052.5；为频为频率指数，范围为率指数，范围为1.21.6，与材料性质有关。，与材料性质有关。2Fe1 50m50fppB第第1 1章章 导论导论 磁路基本定律及计算方法磁路基本定律及计算方法 磁路基本定律磁路基本定律 铁芯磁路计算铁芯磁路计算 永磁体磁路计算永磁体磁路计算 交流磁路特点交
27、流磁路特点电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院481.5 磁路基本定律及其计算方法磁路基本定律及其计算方法 基本概念基本概念 磁路：磁路：与电路相仿，将磁通比拟为电流，则磁路是磁与电路相仿，将磁通比拟为电流，则磁路是磁通行经的路径。通行经的路径。磁通磁通分为主磁通和漏磁通，磁路对应的分为主磁路和分为主磁通和漏磁通，磁路对应的分为主磁路和漏磁路。漏磁路。主磁通是实现机电能量转换所需要的磁通，因此主磁主磁通是实现机电能量转换所需要的磁通，因此主磁路为主要的研究对象。路为主要的研究对象。磁路计算磁路计算：确定磁动势：确定磁动势F、磁通、磁通和磁路结构（如材和磁路结构（如材料、形状、几何尺寸等）之
28、间的关系。料、形状、几何尺寸等）之间的关系。电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院49一、磁路基本定律一、磁路基本定律主磁通主磁通平均磁路长度平均磁路长度漏磁通漏磁通电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院501、磁路欧姆定律、磁路欧姆定律假设忽略漏磁且磁路上的假设忽略漏磁且磁路上的磁场强度磁场强度H处处相等，由全电处处相等，由全电流定律可知：流定律可知：dHlNiHl因因H=B/，而，而B=/A，可得，可得式中，式中，F=Ni 为磁动势；为磁动势；Rm=l/(A)为磁阻；为磁阻；m=1/Rm为为磁导。磁导。mmNiFFlAR电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院512、磁路基尔霍夫第一定
29、律、磁路基尔霍夫第一定律 进入或穿出任一封闭面的总磁通量的代数和等进入或穿出任一封闭面的总磁通量的代数和等于零，或穿入任一封闭面的磁通量恒等于穿出该封于零，或穿入任一封闭面的磁通量恒等于穿出该封闭面的磁通量。闭面的磁通量。0 图示的有分支磁路：图示的有分支磁路：1+2=3电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院523、磁路基尔霍夫第二定律、磁路基尔霍夫第二定律 任一闭合磁路上磁动势的代数和恒等于磁压降任一闭合磁路上磁动势的代数和恒等于磁压降的代数和。的代数和。mFNiHlR回路：回路：H1l1+H3l3=N1i1回路：回路：-H2l2-H3l3=-N2i2回路：回路：H1l1-H2l2=N1i
30、1-N2i2l1l2l3电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院53磁路与电路的比较磁路与电路的比较磁路磁路电路电路磁通磁通 (Wb)电流电流 i (A)磁动势磁动势 F (A)电动势电动势 e (V)磁阻磁阻 Rm (H-1)电阻电阻 R ()磁压降磁压降 Hl (A)电压降电压降 u (V)磁导磁导 m (H)电导电导 G (S)欧姆定律欧姆定律 =F/Rm欧姆定律欧姆定律 i=u/R基氏第一定律基氏第一定律 =0基氏第一定律基氏第一定律 i=0基氏第二定律基氏第二定律 F=Hl=Rm基氏第二定律基氏第二定律 e=u=iR电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院54二、铁芯磁路计算方法二、
31、铁芯磁路计算方法 磁路计算分为两大类：磁路计算分为两大类：给定磁通给定磁通，求磁动势，求磁动势F。给定磁动势给定磁动势F，求磁通，求磁通。注：电机和变压器设计中的磁路计算通常属于第注：电机和变压器设计中的磁路计算通常属于第一种类型的问题。对于第二种类型的问题，一般一种类型的问题。对于第二种类型的问题，一般要用迭代法确定，编程由计算机完成。要用迭代法确定，编程由计算机完成。电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院55 1、串、串/并联磁路计算并联磁路计算 将磁路分段，保证每段的均匀性，即材料相同、截将磁路分段，保证每段的均匀性，即材料相同、截面积相等；面积相等；计算各段磁路的截面积计算各段磁路的
32、截面积Ax和平均长度和平均长度l；根据给定磁通根据给定磁通，由，由Bx=/Ax 确定各段内的平均磁确定各段内的平均磁感应强度（简称磁密）感应强度（简称磁密）;由磁密确定对应的磁场强度由磁密确定对应的磁场强度Hx；铁磁材料由基本磁化曲线或相应的数据表格确定，空气铁磁材料由基本磁化曲线或相应的数据表格确定，空气隙和非铁磁性材料由隙和非铁磁性材料由Hx=Bx/0。计算各段磁路上的磁压降计算各段磁路上的磁压降Hxlx；由磁路基尔霍夫第二定律计算由磁路基尔霍夫第二定律计算F。电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院562、自感和互感、自感和互感 自感自感u 自感的大小与匝数的平方和自感的大小与匝数的平方
33、和磁路的磁导成正比；磁路的磁导成正比；u 铁心线圈的自感要比空心线铁心线圈的自感要比空心线圈的大得多；圈的大得多；u 铁心线圈的电感不是常数，铁心线圈的电感不是常数，当磁路饱和程度增加时，自当磁路饱和程度增加时，自感下降。感下降。m2mm)()(NiNiNiFNiNiLN 线圈匝数线圈匝数m自感磁通所经磁路的磁导自感磁通所经磁路的磁导电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院57 互感互感m211m1121m121212121)()(NNiiNNiFNiNiMN1 -线圈线圈1的匝数的匝数N2 -线圈线圈2的匝数的匝数m-互感磁通所经磁路的磁互感磁通所经磁路的磁导导u 互感的大小与两线圈匝数互感
34、的大小与两线圈匝数的乘积和互感磁通所经磁的乘积和互感磁通所经磁路的磁导成正比。路的磁导成正比。电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院583、交流磁路特点、交流磁路特点 在磁路计算方法上与直流磁路基本相同；在磁路计算方法上与直流磁路基本相同；在磁化特性等方面有自身的特点在磁化特性等方面有自身的特点；铁芯中会产生损耗（磁滞损耗和涡流损耗）；铁芯中会产生损耗（磁滞损耗和涡流损耗）；交流磁路中要考虑外施电压与线圈中感应的反电动势平衡交流磁路中要考虑外施电压与线圈中感应的反电动势平衡，因而其幅值会比直流磁路中大很多，线圈电阻上的压降，因而其幅值会比直流磁路中大很多，线圈电阻上的压降相对较小，可忽略不计
35、；相对较小，可忽略不计；交流磁路中，磁通、电流为交流，存在波形和相位问题。交流磁路中，磁通、电流为交流，存在波形和相位问题。第第1 1章章 导论导论 电机中的机电能量转换过程电机中的机电能量转换过程电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院60机电能量转换示意图机电能量转换示意图 机械系统对于电动机而言是负载，对于发电机而言是原动机；机械系统对于电动机而言是负载，对于发电机而言是原动机；电气系统对于电动机而言是电源，对于发电机而言是负载；电气系统对于电动机而言是电源，对于发电机而言是负载；能量转换过程在某种条件下是可逆的，遵循能量守恒原理；能量转换过程在某种条件下是可逆的，遵循能量守恒原理；能量
36、转换过程中，能量表现为四种形态：电能、机械能、磁场能量转换过程中，能量表现为四种形态：电能、机械能、磁场储能和热能。储能和热能。1.6 电机中的机电能量转换过程电机中的机电能量转换过程电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院61电机能量平衡关系电机能量平衡关系 机械能机械能Wmec=磁场储能增量磁场储能增量 Wm+热能损耗热能损耗PT 电能电能We“”分别表示发电机和电动机，发电机取分别表示发电机和电动机，发电机取“+”，电动机取，电动机取“-”；热能损耗包括：电阻损耗热能损耗包括：电阻损耗pCu，铁芯损耗，铁芯损耗pFe，机械摩擦损耗，机械摩擦损耗pmec；（Wmec-pmec）=（Wm+p
37、Fe）（We+pCu）电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院62耦合磁场的作用耦合磁场的作用 电机进行机电能量转换的关键是耦合磁场对电气系统电机进行机电能量转换的关键是耦合磁场对电气系统和机械系统的作用与反作用；和机械系统的作用与反作用；耦合磁场对电气系统的作用或反作用是通过感应电动耦合磁场对电气系统的作用或反作用是通过感应电动势表现出来的；势表现出来的；耦合磁场对机械系统的作用或反作用是通过电磁力或耦合磁场对机械系统的作用或反作用是通过电磁力或电磁转矩表现出来的；电磁转矩表现出来的；耦合场即为电机中的气隙场。耦合场即为电机中的气隙场。第第1 1章章 导论导论 电机的发热和冷却电机的发热和冷
38、却 电机的发热和冷却过程电机的发热和冷却过程 电机的绝缘材料和允许温升电机的绝缘材料和允许温升 电机的冷却介质和冷却方式电机的冷却介质和冷却方式电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院64一、电机的发热与冷却过程一、电机的发热与冷却过程 均质等温体的发热曲线均质等温体的发热曲线 均质等温体的冷却曲线均质等温体的冷却曲线 实际电机的发热和冷却过程较均质等温体复杂很多，但图中所实际电机的发热和冷却过程较均质等温体复杂很多，但图中所示基本规律适用于电机的发热和冷却过程的研究。示基本规律适用于电机的发热和冷却过程的研究。1.7 电机的发热与冷却电机的发热与冷却电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院6
39、5二、电机的绝缘材料和允许温升二、电机的绝缘材料和允许温升 工作温度对绝缘材料的寿命有较大影响，若高于极限温度连续工作温度对绝缘材料的寿命有较大影响，若高于极限温度连续运行，寿命会迅速下降。运行，寿命会迅速下降。现代电机中应用最多的是现代电机中应用最多的是E级和级和B级绝缘，在重要场合，特别级绝缘，在重要场合，特别是有缩小尺寸和减轻重量需要时，也常采用是有缩小尺寸和减轻重量需要时，也常采用F级和级和H级绝缘。级绝缘。工程中反映电机发热和散热的指标是温升，而不是温度。工程中反映电机发热和散热的指标是温升，而不是温度。绝缘等级绝缘等级AEBFHC温度限制温度限制/C1051201301551801
40、80电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院66三、电机的冷却介质和冷却方式三、电机的冷却介质和冷却方式 冷却介质冷却介质气体气体电机中采用的气体冷却介质有空气和氢气等。电机中采用的气体冷却介质有空气和氢气等。液体液体主要采用水、油等冷却介质。主要采用水、油等冷却介质。冷却方式冷却方式直接冷却直接冷却冷却结构复杂，价格昂贵。冷却结构复杂，价格昂贵。间接冷却间接冷却主要介质是空气。主要介质是空气。自然冷却自然冷却 自扇冷却自扇冷却 他扇冷却他扇冷却第第1 1章章 导论导论 电机的分析与研究方法电机的分析与研究方法 分析步骤分析步骤 研究方法研究方法电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院68一、
41、分析步骤一、分析步骤 电机内部物理情况的分析电机内部物理情况的分析建立物理模型。建立物理模型。列出电机的运动方程列出电机的运动方程将物理模型转化为数学模型。将物理模型转化为数学模型。求电机的运行特性和性能求电机的运行特性和性能确定主要技术数据。确定主要技术数据。1.8 电机的分析与研究方法电机的分析与研究方法电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院69二、研究方法二、研究方法 不计磁路饱和时，用叠加原理分析各磁场及其对应的不计磁路饱和时，用叠加原理分析各磁场及其对应的感应电动势；计及饱和时，常把主磁通和漏磁通分开感应电动势；计及饱和时，常把主磁通和漏磁通分开处理。处理。常采用参数和频率折算方法解决交流电机中由于定、常采用参数和频率折算方法解决交流电机中由于定、转子绕组匝数不等、相数不等和频率不等的问题。转子绕组匝数不等、相数不等和频率不等的问题。电机的稳态分析可采用等效电路求解，交流电机还可电机的稳态分析可采用等效电路求解，交流电机还可采用相量图分析。采用相量图分析。交流电机的不对称运行可采用双旋转磁场理论和对称交流电机的不对称运行可采用双旋转磁场理论和对称分量法。分量法。凸极电机常用双反应理论。凸极电机常用双反应理论。电机的动态分析采用状态方程及坐标变换的方法。电机的动态分析采用状态方程及坐标变换的方法。
