1、电机学2023年5月21日星期日2023年5月21日星期日电机学章导论112023年5月21日星期日电机学 第一章 导论2n 综合性n 实际性n 统一性 电机学课程的特点2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论3 电机学的基本分析方法n 方程式、相量图和等效电路的分析方法n 归算算法 标么制n 凸极处理法凸极隐极n 对称分量法不对称n 实验分析法实验n 怎样学好电机学n 认真听课n 精读教材n 熟练掌握基本电磁规律n 掌握各物理量及其参数之间的关系n 物理意义、适用范围、主要因素、公式n 习题和实验是学好电机学的重要保证（重要的30）实验台实验台2023年5月21日星期日电机学 第一章
2、导论42023年5月21日星期日电机学 第一章 导论5 参考教材n 电机学 辜承林 华中科技大学出版社 n 电机学第三版 许实章 机械工业出版社n 电机学 汤蕴璆 机械工业出版社n 电机学 胡虔生 中国电力出版社 2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论6 课程要求1.认真听课2.独立完成作业2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论7第一章 导论n 1.1 概述n 1.2 电机发展简史n 1.3 电机中的基本电磁定律n 1.4 铁磁材料特性n 1.5 磁路基本定律及计算方法2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论81.1 概述一、电机的定义n 广义：u实施电能生产、传输、使用
3、和电能特性变换的机械和装置。n 狭义：u电机是基于电磁感应定律、电磁力定律（能进行电磁感应），由电路和磁路所构成，能进行机电能量转换或信号变换的电磁机械装置。二、电机的主要类型据速度、电流分据速度、电流分电机电机静止的电气设备静止的电气设备变压器变压器旋转电机旋转电机交流电机交流电机直流电机直流电机直流发电机直流发电机直流电动机直流电动机同步电机同步电机异步电机异步电机同步发电机同步发电机同步电动机同步电动机异步电动机异步电动机异步发电机异步发电机2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论92023年5月21日星期日电机学 第一章 导论10据能量转换分n 发电机将机械功率转换为电功率 n
4、电动机将电功率转换为机械功率n 变压（流、频、相位）器将电功率转换为另一种形式的电功率 n 控制电机电气机械系统中调节、放大和控制作用 实物图使用中的变压器使用中的变压器水轮发电机水轮发电机电动机电动机汽轮发电机组汽轮发电机组2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论112023年5月21日星期日电机学 第一章 导论12三、电机中所用材料Lorem ipsum dolor sit amet,consectetur adipisicing elit,sed do eiusmod tempor incididunt ut labore et dolore magna aliqua.1.电电路导
5、电材料及绝缘材料 n 导电材料：紫铜、铝线n 绝缘材料：聚脂漆、云母片u按耐热能力高低分六个等级lA105 E120 lB130 F155lH180 C1802、磁磁路导磁材料硅钢片、铸钢等n 导磁材料：铁磁材料n 3、力结构材料铸钢、铸铁、钢板等2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论132023年5月21日星期日电机学 第一章 导论14四、电机作用和地位n 电能生产由同步发电机生产；n 高压输电由升压变压器将发电机发出的电压升高到输电电压再输送；n 降压用电由降压变压器将输来的高压电降为所需低电压，供给用电设备；n 生产机械的拖动由各种电动机实现；n 控制系统中的信号转换由各种控制电
6、机完成。我国老牌电机厂：我国老牌电机厂：哈尔滨电机厂哈尔滨电机厂上海电机厂上海电机厂四川：四川：德阳德阳 东方电机厂东方电机厂2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论152023年5月21日星期日电机学 第一章 导论162023年5月21日星期日电机学 第一章 导论172023年5月21日星期日电机学 第一章 导论18 请观察电力系统示意图，找到系统中使用的电机？请观察电力系统示意图，找到系统中使用的电机？2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论192023年5月21日星期日电机学 第一章 导论201.2 电机发展简史1电机的发展初期nFBli1821年 Faradayn电磁感应定
7、律的发现1831年 Faradayn直流发电机1831年 Pixiin1876年 单相交流电的应用远距离传输n1885年 交流电动机n1889年 三相制三相交流电的应用 三相电机2电机的近代发展及趋势n单机容量不断增加 如汽轮发电机：n中小型电机技术与经济指标不断改进 新的设计方法（CAD）、工艺、材料、测试手段n应用范围扩大190019005MVA5MVA19561956水内冷水内冷208MVA208MVA1920192025MVA25MVA19601960320MVA320MVA19371937空气冷却空气冷却100MVA100MVA目前目前1000MVA1000MVA 氢气冷却氢气冷却1
8、50MVA150MVA2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论211.3 电机中磁路基本定律1.全电流定律安培环路定律 IdlHLL L1i2iH Hdl3i 式中，若电流的正方式中，若电流的正方向与闭合回线向与闭合回线L L的环行方的环行方向符合右手螺旋关系时，向符合右手螺旋关系时，i i取正号，否则取负号。取正号，否则取负号。2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论22n l和l，两积分路径结果相同：2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论232.电磁感应定律n 闭合回路中的磁通量随时间发生变化，该线圈中必然有感应电势产生，称这种现象为电磁感应。n 线圈中的感应电势将倾向
9、于阻止线圈中磁链的变化。dtdNdtdeN其中2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论24图1-2 电磁感应定律dtdNeR正电动势产生正电流正电动势产生正电流电流正方向电流正方向R正电流产生正磁通正电流产生正磁通 右手螺旋定则右手螺旋定则2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论25磁通变化原因n 在变压器和电机的绕组中，磁通的变化可以是磁通随时间脉动n 或磁通不变，而线圈在转动。n 对特种电机还可以是磁通随时间脉动，而线圈也在转动),(txfdxxdttdvTeexNvtNe2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论26变压器电动势1.磁通本身就是由交流电流所产生，也就是说磁
10、通本身随时间在变化着，这样产生的电势称为变压器电势。（线圈与磁场相对静止）2.磁通本身不随时间变化，但由于线圈与磁场间有相对运动而引起线圈中磁链的变化，这样产生的电势称为运动电势或速度电势 运动电动势运动电动势vTeexNvtNe2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论27 变压器电势n 若线圈不动，穿过线圈的磁通随时间变化，则线圈中感应的电动势变压器电势tmsin)90sin(costEtNeemmTmmNEmmmmfNfNNEE44.4222感应电动势有效值：感应电动势有效值：2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论28电动势和磁通相位关系)90sin(costEtNeemmT
11、tmsin2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论29n 若磁场恒定，构成线圈的导体切割磁力线，使线圈交链的磁链随时间变化，导体中的感应电动势运动电动势。运动电动势Blve 感应电动势的方向感应电动势的方向_ _右手定则右手定则vTeexNvtNe2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论30电磁力定律n 载流导体在磁场中要受到力的作用电磁力。n 左手定则BliF 2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论31电磁转矩n 在旋转电机中，作用在转子载流导体上的电磁力将使转子受到一个力矩（等于力乘转子半径）电磁转矩。BlirFrTs)(21BBNlirTc匝数为匝数为N N的线圈的线
12、圈2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论32 最大转矩n 线圈两侧边处磁场大小恒相等、极性恒相反12BBn 线圈总个数线圈总个数M M，转子直径，转子直径D D，B B大小处处相等。电机最大大小处处相等。电机最大可能电磁转矩可能电磁转矩NBliDMTTMjcjem1电磁转矩电磁转矩2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论33u电磁转矩是电机实现机电能量转换的重要物理量。n 电动机：电磁转矩驱动性质 电能机械能n 发电机：电磁转矩制动性质 机械能电能PTemP P：电磁功率（输入、输出）：电磁功率（输入、输出）：电机气隙磁场旋转角速度：电机气隙磁场旋转角速度u功率关系求得电磁转矩功
13、率关系求得电磁转矩2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论341.4 铁磁材料特性一、磁导率一、磁导率=B/H=B/HB B：磁通密度、磁感应强度：磁通密度、磁感应强度H H：磁场强度：磁场强度n 电机主要由两大系统组成：电路系统和磁路系统。铁磁材料是组成磁路的主要部分。n 所谓铁磁材料是指导磁性能好的材料，如：铁、镍、钴等以及它们的合金。1 1、定义、定义2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论35n 在同样大小的电流作用下，铁芯线圈的磁通比空心线圈的磁通大得多n 非铁磁材料磁导率接近真空磁导率非铁磁材料磁导率接近真空磁导率0 0u0 0=4=41010-7 -7 H/mH/mn
14、 铁磁材料的磁导率铁磁材料的磁导率FeFe要比非铁磁材料磁导率要比非铁磁材料磁导率0 0大得多大得多（FeFe）u铁磁物质铁磁物质:铁、镍、铝及其合金铁、镍、铝及其合金u电机中常用的铁磁材料的磁导率电机中常用的铁磁材料的磁导率FeFe=(2000=(20006000)6000)0 02023年5月21日星期日电机学 第一章 导论36 考虑：为什么铁磁材料具有很高的导磁性能?n 在铁磁物质未放入磁场之前，磁畴杂乱无章排列，其磁效应互相抵消，对外不呈现磁性。n 将铁磁物放入磁场。在外磁场的作用下，磁畴的轴线趋于一致。形成一个附加磁场，叠加在外磁场上，使合成磁场大为增强。?铁磁材料的磁导率要比非铁磁
15、材料大得多。?铁磁材料的磁导率Fe不是常数。图图1.5 1.5 铁磁材料中的磁畴铁磁材料中的磁畴2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论372、磁化曲线n 磁化曲线定义：将一块尚未磁化的铁磁材料进行磁化，当磁场强度H由零逐渐增大时，磁通密度B将随之增大，得到曲线B=f(H)。2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论38分析磁化曲线，分四段n 在oa段：当H增大B增大，但B增大速度较慢n 在ab段：当H增大B增大，B增大速度快；n 在bc段：B随H增大的速度又较慢；n 在cd段：为磁饱和区（又呈直线段）。其中拐弯点b称为膝点；c点为饱和点。n 过了饱和点c，铁磁材料的磁导率趋近0。2
16、023年5月21日星期日电机学 第一章 导论39 铁磁材料具有的特点n它的磁化曲线具有饱和性，磁导率Fe不是常数，且随H的变化而变化。1.变化2.总体非线性 3.存在饱和特性 H 2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论40B BH H图图1-6 1-6 铁磁材料的磁化曲线（铁磁材料的磁化曲线（p16p16）a ab bc c)(HfB)(HfFe2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论412023年5月21日星期日电机学 第一章 导论42 应用n 设计电机和变压器时，为使主磁路内得到较大的磁通量而又不过分增大励磁磁动势。通常把铁心内的工作磁通密度选择在膝点附近。二、磁滞与磁滞损耗
17、1、磁滞回线n 剩磁剩磁:去掉外磁场之后，铁磁材料内仍然保留的磁通去掉外磁场之后，铁磁材料内仍然保留的磁通密度。密度。n 矫顽力矫顽力:要使要使B B值从减小到零，必须加上相应的反向外值从减小到零，必须加上相应的反向外磁场，此反向磁场强度称为矫顽力。磁场，此反向磁场强度称为矫顽力。n 磁滞现象：磁滞现象：B B的变化总是滞后的变化总是滞后H H的变化的变化n 磁滞回线：磁场强度磁滞回线：磁场强度H H缓慢地循环变化，缓慢地循环变化，B BH H曲线封曲线封闭曲线闭曲线磁滞现象是铁磁材料的另一个特性。磁滞现象是铁磁材料的另一个特性。2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论43图图1-7 1
18、-7 铁磁材料的磁滞回线铁磁材料的磁滞回线H HB Ba ab bc cd de ef fcHrBcH2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论44基本磁化曲线：对同一铁磁材料，选择不同的磁场强度进行反复磁化，可得一系列大小不同的磁滞回线，再将各磁滞回线的顶点联接起来，所得的曲线。H HB B2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论452、铁磁材料n HC矫顽力n Br剩余磁感应强度n 铁磁材料：软磁材料-磁滞回线窄，HC及Br小 硬磁材料-磁滞回线宽，HC及Br大 HC及Br大，难退磁-永磁材料B Br rH HC CB Bm m2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论46软
19、磁材料的磁滞曲线软磁材料的磁滞曲线H HB BB BH H硬磁材料的磁滞曲线硬磁材料的磁滞曲线2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论473、磁滞损耗n 定义:铁磁材料置于交变磁场中时，磁畴相互间不停地摩擦、消耗能量、造成损耗，这种损耗称为磁滞损耗。2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论48全电流定律全电流定律idlHliNlHNlHi电源供给线圈的瞬时功率电源供给线圈的瞬时功率uip dtdNeu电磁感应定律电磁感应定律BAdtdBVHNHldtdBNAidtdNuip2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论49建立交变磁通、克服磁畴回转所需要的瞬时功率pHdBfVpdt
20、TpTh01Tf/1K Kh h不同材料计算系数不同材料计算系数试验确定的指数试验确定的指数经验公式：经验公式：2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论50 4、涡流损耗 n 铁芯是有阻值的，当磁通交变时，铁芯中就会感应交变的电势，在导电的铁芯中就会产生环流，这种电流在铁芯构成的回路与磁通相环链，故称涡流。n 涡流产生的损耗称为涡流损耗。k kw w与材料有关的比例系数与材料有关的比例系数p pW W=K=K2 2f f2 2d d2 2B Bm m2 2V/12V/12 V V：钢片的体积：钢片的体积 ：硅钢片的电阻率：硅钢片的电阻率 d d：硅钢片厚度：硅钢片厚度p pW W f f
21、2 2、d d2 2、B Bm m2 2、1/1/、V V 加入加入硅硅硅钢片硅钢片增大增大2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论51图1-10 硅钢片中的涡流B B2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论522023年5月21日星期日电机学 第一章 导论53 应用Lorem ipsum dolor sit amet,consectetur adipisicing elit,sed do eiusmod tempor incididunt ut labore et dolore magna aliqua.n 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。5、铁心
22、损耗n 铁芯中的磁滞损耗和涡流损耗之合称为铁芯损耗whFeppp2501)50(mFeBfppn 对于一般的电工钢片，在正常的工作磁通密度范围内对于一般的电工钢片，在正常的工作磁通密度范围内2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论54B B增加增加2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论552023年5月21日星期日电机学 第一章 导论56 注意n 在恒定磁场中的静止导磁体内是不会引起能量损耗的。n 铁芯损耗均转化为热能使铁芯温度升高，为防止电机过热，采用硅钢片以减小铁芯损耗，采取散热降温措施。2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论571.5 磁路基本定律和磁路的计算n 电
23、电路导电材料（及绝缘材料）紫铜、铝线（绝缘:按耐热能力高低分A、E、B、F、H、C六个等级）n 磁磁路导磁材料硅钢片、铸钢等n 力结构材料铸钢、铸铁、钢板等 磁路 磁通所通过的路径。n 主磁通：由于铁心的导磁性能比空气要好得多，所以绝大部分磁通将在铁心内通过,这部分磁通称为主磁通。n 漏磁通：围绕载流线圈、部分铁心和铁心周围的空间，还存在少量分散的磁通，这部分磁通称为漏磁通。n主磁路：主磁通所通过的路径。主磁路：主磁通所通过的路径。n漏磁路：漏磁通所通过的路径。漏磁路：漏磁通所通过的路径。2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论58图图 变压器的磁路变压器的磁路主磁通主磁通漏磁通漏磁通2
24、023年5月21日星期日电机学 第一章 导论59一、磁路的欧姆定律 图图1-12 1-12 单框铁心磁路单框铁心磁路A AN Ni il l2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论60NiHldlHFRFAlNimm)/(AlRm/BH AB/磁阻磁阻lARmm1磁导磁导2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论61与电路中的欧姆定律相似模拟电路图模拟电路图F FFRFAlNimm)/(n铁磁材料的磁导率铁磁材料的磁导率不不是一个常数，所以由铁是一个常数，所以由铁磁材料构成的磁路，其磁材料构成的磁路，其磁阻不是常数磁阻不是常数，而是随，而是随着磁路中磁通密度的大着磁路中磁通密度的大小
25、而变化，这种情况称小而变化，这种情况称为非线性。为非线性。AlRm2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论62二、磁路的基尔霍夫第一定律 n 定律内容:穿出(或进入)任一闭和面的总磁通量恒等于零(或者说，进入任一闭合面的磁通量恒等于穿出该闭合面的磁通量)，这就是磁通连续性定律。02023年5月21日星期日电机学 第一章 导论63图图1-13 1-13 无分支磁路示意图无分支磁路示意图213A AN Ni in 中间铁心柱的线圈中通以电流，产生磁通，路径如图003213212023年5月21日星期日电机学 第一章 导论642023年5月21日星期日电机学 第一章 导论65三、磁路的基尔霍夫
26、第二定律 n 定律背景:磁路计算时，总是把整个磁路分成若干段，每段为同一材料、相同截面积，且段内磁通密度处处相等，从而磁场强度亦处处相等。n 定律内容:沿任何闭合磁路的总磁动势恒等于各段磁路磁位降的代数和。111111/ABH333333/ABH1111AlRm3333AlRm2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论66n 磁路和电路的比拟仅是一种数学形式上的类似、而不是物理本质的相似。电路电路磁路磁路电流电流I I磁通磁通电动势电动势E E磁动势磁动势F F电压降电压降IEIE磁压降磁压降R Rm m电阻电阻R R磁阻磁阻R Rm m电导电导g g1/R1/R磁导磁导m m=1/R=1/Rm m基尔霍夫第一定律基尔霍夫第一定律i i0 0基尔霍夫第一定律基尔霍夫第一定律0 0基尔霍夫第二定律基尔霍夫第二定律U Ue e基尔霍夫第二定律基尔霍夫第二定律HlHlNINI欧姆定律欧姆定律I IU/RU/R欧姆定律欧姆定律U Um m/R/Rm m2023年5月21日星期日电机学 第一章 导论67
