电机学朱凌07第0章 绪论

1 1 绪论绪论 0.1 概述概述 0.2 电机的分类电机的分类 0.3 电机所用材料电机所用材料 0.4 铁磁材料的磁性能铁磁材料的磁性能 0.5 主要电磁定律复习主要电磁定律复习 0.6 电机中的能量守恒及效率电机中的能量守恒及效率 2 0.1 概述概述 0.1.1 一次能源的利用及能量转换现状一次能源的利用及能量转换现状 0.1.2 电机的一般定义电机的一般定义 0.1.3 课程的性质、任务及所需的基础知识课程的性质、任务及所需的基础知识 3 0.1.1 一次能源的利用及能量转换现状一次能源的利用及能量转换现状 （1）一次能源）一次能源 ?煤炭、水利、石油、天然气。 ?风能、太阳能、原子能等等。 （2）能源转换及应用现状）能源转换及应用现状 ?能源为人们所使用在形式上具有多样性。 ?电能因其生产、传输、控制、存储和使用较其他能源 的直接使用具有更强的方便性、安全性和灵活性。 ?因此现代生活中一次能源大多转换成电能加以利用。 ?而在电能的生产、传输和使用中大量用到电机。 ?人们多年来对电机的认识上升到理论即形成了“电机学” 4 0.1.2 电机的一般定义电机的一般定义 由上述定义可见电机本质上是一种电磁装置。由上述定义可见电机本质上是一种电磁装置。 0.1.3 课程的性质、任务及所需的基础知识课程的性质、任务及所需的基础知识 （1）课程性质 （ ）课程性质 （2）任务）任务 ? 介绍电机与变压器的基本结构。 ? 分析电机与变压器的基本工作原理。 ? 研究电机与变压器的运行性能及实验方法。 具有较强专业特色的技术基础课。 （3）基础知识）基础知识高数、大物、电路、磁路。 电机是利用电磁感应与电磁力定律实 现电能与机械能之间相互转换的机械。 电机是利用电磁感应与电磁力定律实 现电能与机械能之间相互转换的机械。 5 0.2 电机的分类电机的分类 0.2.1 按实际用途分类按实际用途分类 0.2.2 按电源形式分类按电源形式分类 （1）发电机）发电机将机械能转变成电能。 （2）电动机）电动机将电能转变成机械能。 （3）变压器）变压器交流电能传输过程中电压等级的变换。 （4）控制电机）控制电机作为自动控制系统的执行元件。 （1）交流电机 （ ）交流电机 （2）直流电机）直流电机 6 0.2 电机的分类电机的分类 0.2.3 从研究的角度分类从研究的角度分类 电机 变压器（静止） 旋转 电机 直流 电机 交流 电机 异步电机 同步电机 同步发电机 同步电动机 异步发电机 异步电动机 直流发电机 直流电动机 本学期研究 本学期研究 下学期研究下学期研究 电机学绪论 华北电力大学电气与电子工程学院电力工程系电机与电力电子教研室 华北电力大学 2 7 0.3 电机所用材料电机所用材料 0.3.1 导电材料导电材料 提供电流的通路，要求导电性能好，即电阻小。 0.3.2 导磁材料导磁材料 提供磁通的路径，要求导磁性能好且损耗低。 0.3.3 绝缘材料绝缘材料 起到隔电的作用，要求介电强度高且耐热性能好。 0.3.4 冷却材料冷却材料 将电机热量引出，要求热容量大且导热能力强。 0.3.5 结构材料结构材料 起到支撑、紧固等作用，要求具有一定机械强度。 8 0.4 铁磁材料的磁性能铁磁材料的磁性能 0.4.1 物质按其磁性能的分类物质按其磁性能的分类 0.4.2 铁磁材料的磁性能铁磁材料的磁性能 9 0.4.1 物质按其磁性能的分类物质按其磁性能的分类 （1）磁导率）磁导率 ?定义磁导率反映物质在外界磁场作用下被磁化的能力。 ?磁导率为物质的自然属性，一般用表示。 ?不同物质的磁导率不同，可由试验测取。 ?经测定真空的磁导率为一常数，一般用0 表示。 （2）相对磁导率）相对磁导率 7 0 410 (/)H m = ?某一物质的磁导率与真空磁导率之比，称为该物质的 相对磁导率，用r表示。 ?即： 0 r = 10 0.4.1 物质按其磁性能的分类物质按其磁性能的分类 （3）物质按其相对磁导率分类）物质按其相对磁导率分类 ?r 稍大于1：称为顺磁物质，例如空气、铝等。 ?r 稍小于1：称为抗磁物质，例如水、铜等。 ? 以上两者一般称为非磁性物质。 ? 并且工程上近似的认为非磁性物质的磁导率均等 于真空磁导率。 ?r远大于1：称为铁磁物质，为门捷列夫元素周期表第 四周期八族的铁、钴、镍及其合金。 11 b h 0 Fe 0.4.2 铁磁物质的磁性能铁磁物质的磁性能 （1）相对磁导率较大且）相对磁导率较大且非常数非常数 ?现象：r =20006000 ?原因：铁磁物质中天然磁化区（磁畴）的作用。 （2）磁感应强度与磁场强度间的关系）磁感应强度与磁场强度间的关系非线性非线性 ?b = Fe h = f（h） 曲线呈饱和特性。 ?原因在于：Fe= f （h）曲线非线性。 ?b = f（h）曲线称 为磁化曲线。 ( )bf h= ( ) Fe f h= 12 0.4.2 铁磁物质的磁性能铁磁物质的磁性能 （3）存在）存在磁滞磁滞效应效应 ?现象：铁磁物质被外界 磁场磁化后，即使取消 外界磁场，其磁性仍部 分保留，称为剩磁。 ?产生剩磁原因：铁磁物 质中的磁畴在经外界磁 场的作用后不能恢复原 状，部分产生滞留。 ?交变磁化过程中的磁化曲线称为磁滞回线。 ?不同磁滞回线顶点的连线称为基本磁化曲线或平均磁 化曲线。 b h 基本磁 化曲线 电机学绪论 华北电力大学电气与电子工程学院电力工程系电机与电力电子教研室 华北电力大学 3 13 0.4.2 铁磁物质的磁性能铁磁物质的磁性能 （4）在交变磁场中产生）在交变磁场中产生磁滞损耗磁滞损耗和和涡流损耗涡流损耗 ?磁滞损耗：交变磁场中磁畴转向相互摩擦产生的损耗。 ?涡流损耗：磁场交变感应的电动势形成的电流在铁磁 物质电阻上产生的损耗。 ?磁滞损耗与涡流损耗之和称为铁心损耗，简称铁耗。 ?单位重量的铁心损耗由下式确定： 1 50( )() 50 f ppBW kg = 式中：? p1/50为在磁通密度为1特斯拉（1Wb/m2）且频 率为50赫兹时的比损耗，可由实验测出。 ? f 为频率，Bm为磁通密度的最大值。 ? 对于电机采用的硅钢片，=1.21.6。 主要强调铁耗与频 率及磁密幅值有关 14 0.5 主要电磁定律复习主要电磁定律复习 0.5.1 电路定律电路定律 0.5.2 磁路定律磁路定律 0.5.3 电磁感应定律电磁感应定律 0.5.4 电磁力定律电磁力定律 15 0.5.1 电路定律电路定律 （1）交流电路的欧姆定律）交流电路的欧姆定律 ?表达式： () () () L C I rjx UIzI rjx I rjx + =+= ? ? ? 1x tg r =电压与电流间的相位差： ?相量图： 电流超前于电压 电流滞后于电压 U? U? I? I? Ir ? Ir ? L jIx ? C jIx ? 16 0.5.1 电路定律电路定律 （2）基尔霍夫节点电流与回路电压定律）基尔霍夫节点电流与回路电压定律 ?表达式： 0I= ? ?应用举例 EU= ? 12m III+= ? 11111 ()EUI rjx= + ? 12222 ()EUIrjx=+ ?1 E? 1 U? 1 I? 1 r m r m jx 1 jx 2 r 2 jx 2 I? m I? 2 U? 1 () mmm EIrjx= + ? 17 0.5.2 磁路定律磁路定律 （1）电路与磁路的对比）电路与磁路的对比 电路电路磁路磁路 磁路欧姆定律=F/Rm电路欧姆定律 I=E/R 安培环路定律HLm=wi回路电压定律e=u 磁通连续性原理=0节电电流定律i=0 磁压降Rm（A）电压降 I R （V） 磁导m=1/Rm （H）电导 G=1/R （S） 磁阻 Rm=Lm /(Sm) （1/H）电阻 R=L/S （） 磁动势 F （A）电动势 E （V） 磁通密度 B （Wb/m2）电流密度 J （A/m2） 磁通（Wb）电流 I （A） 18 1 0.5.2 磁路定律磁路定律 （2）磁通连续性原理）磁通连续性原理 ?电磁学中的表述 ?电机学中的表述 0 S B d s= ? ? ? I 23 123 = + 0 = 结论：结论：在任意瞬间， 磁路节点上磁通量的 代数和等于零。 电机学绪论 华北电力大学电气与电子工程学院电力工程系电机与电力电子教研室 华北电力大学 4 19 0.5.2 磁路定律磁路定律 （3）安培环路定律）安培环路定律 ?电磁学中的表述 ?电机学中的表述 LH dl i= ? ? 1 i 4 i 3 i 2 i 234 iii= + 1 w 2 w 2 i 1 i 1 L 2 L 3 L 3 L 4 L 11223344 22H LH LH LH L+ 1122 i wi w= 11 mn iijj ij HLiwF = = dl ? H ? 磁压降磁动势 结论：结论：作用在闭合磁路上的总的磁 动势等于各段磁路上磁压降之和。 20 0.5.2 磁路定律磁路定律 （4）磁路欧姆定律）磁路欧姆定律 ?某段磁路的磁压降 ?磁阻的定义 ii H L 结论：结论：某段磁路的磁压降，等于该 段磁路中的磁通与磁阻的乘积，且 磁阻与磁路的几何尺寸和材料有关。 i i i B L = i i i S L = i ii L S = i mi ii L R S = ?磁导的定义 1 ii mi mii S RL = ?磁路欧姆定律 iimi H LR= 1 w 2 w 2 i 1 i 1 L 2 L 3 L 3 L 4 L 21 0.5.3 电磁感应定律电磁感应定律 （1）电磁感应定律的一般表达式）电磁感应定律的一般表达式 ?规定正方向 d e dt = 感应电动势与磁通按“右手关系”规定正方向。 ?表达式 ? 感应电动势大小与 磁通链随时间的变 化率成正比。 ? 感应电动势实际方 向由楞次定律确定。 ? 。 e 假设某 一瞬间 0 d dt 又假设外电路 用导线相连 i 则e产生电流建立的磁场应抵制原磁 场的变化，由此确定e的实际方向。 22 0.5.3 电磁感应定律电磁感应定律 （2）电磁感应定律的特定表达式）电磁感应定律的特定表达式 ?变压器电动势 ? 磁通链变化是由空间固定 且时变的磁场，穿过静止 且匝数恒定的线圈引起的。 ? 表达式 1 w 2 w dd ew dtdt = = ? 注意上式已默认：感应电动势与磁通正方向的规 定是按“右手关系”。 ? 即右手拇指代表磁通，其余四指代表感应电动势。 w= 23 0.5.3 电磁感应定律电磁感应定律 （2）电磁感应定律的特定表达式）电磁感应定律的特定表达式 ?运动（位移、切割）电动势 ? 磁通链的变化，是由幅值恒定的 磁场与匝数恒定的线圈之间存在 相对运动而引起的（或称为导体 切割磁力线）。 ? 表达式 eblv= ? 此时感应电动势的方向、导体切 割磁场的方向以及磁力线的方向 三者之间符合“右手定则”。 24 0.5.3 电磁感应定律电磁感应定律 （2）电磁感应定律的特定表达式）电磁感应定律的特定表达式 ?自感电动势 ? 磁通链的变化是由线圈自身中的时变电流引起的。 ? 定义单位电流产生的磁通链称为自感系数，则： L L i = ? 自感系数与线圈匝数及磁路磁导的相关性（重要） L Li= L L ddi eL dtdt = = L L i = L w i = () m w F i = () m w wi i = 2 m w= 2 m m S Lw l = 2 m m S xLw l = 电机学绪论 华北电力大学电气与电子工程学院电力工程系电机与电力电子教研室 华北电力大学 5 25 0.5.3 电磁感应定律电磁感应定律 （2）电磁感应定律的特定表达式）电磁感应定律的特定表达式 ?互感电动势 ? 穿过线圈磁通链的变化是由其相邻的另一线圈中 时变电流引起的。 ? 类似于自感系数可定义互感系数，则： 2112 12 M ii = ? 互感系数与线圈匝数及磁路磁导的相关性 12 21 , MM didi eMeM dtdt = = 21 1 M i = 221 1 w i = 21 112 1 () m w wi i = 1212m ww= 26 0.5.4 电磁力定律电磁力定律 （1）电磁力定律的一般表达式）电磁力定律的一般表达式 ?表达式fbli= ?此时电磁力的方向、导体电流的方 向以及磁力线的方向三者之间符合 “左手定则”。 （2）旋转电机中的电磁转矩）旋转电机中的电磁转矩 ?转矩的一般概念为力与力臂的乘积。 ?但电机学中习惯从转矩做功的角度给出转矩的表达。 ? 转矩所做功（即为能量）： ? 功率（单位时间做的功）： ? 转矩 WT= /PWtTt= = / (/ )TPt= = 其中称为角速度 27 0.6 电机中的能量守恒及效率电机中的能量守恒及效率 0.6.1 电机中的主要能量形式电机中的主要能量形式 0.6.2 电机中的能量转换效率电机中的能量转换效率 28 0.6.1 电机中的主要能量形式电机中的主要能量形式 （1）磁场储能 （ ）磁场储能 （2）电能）电能 ?绕组通过电流在其电阻上产生的欧姆损耗。 ?耦合磁场在铁心中引起的磁滞损耗和涡流损耗。 ?旋转电机轴承的摩擦损耗以及通风损耗。 （4）热能 （ ）热能 （3）机械能）机械能 ?电机