电机学(完整版)

1、2022-3-8电机学 第一章 导论1电机学教教 师：师： 王玉王玉联系方式：联系方式：2022-3-8电机学 第一章 导论2 电机学课程的特点电机学课程的特点n 综合性综合性n 实际性实际性n 统一性统一性2022-3-8电机学 第一章 导论3 电机学的基本分析方法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方程式、相量图和等效电路的分析方法n 归算算法归算算法 标么制标么制n 凸极处理法凸极处理法凸极凸极隐极隐极n 对称分量法对称分量法不对称不对称n 实验分析法实验分析法实验实验n 2022-3-8电机学 第一章 导论4 怎样学好电机学怎样学好电机学

2、n 认真听课认真听课n 精读教材精读教材n 熟练掌握基本电磁规律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习题和实验是学好电机学的重要保证（重要的（重要的30）实验台实验台2022-3-8电机学 第一章 导论5 参考教材参考教材n 电机学电机学 辜承林辜承林 华中科技大学出版社华中科技大学出版社 n 电机学电机学第三版第三版 许实章许实章 机械工业出版社机械工业出版社n 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n 电机学电机学 胡

3、虔生胡虔生 中国电力出版社中国电力出版社 2022-3-8电机学 第一章 导论6 课程要求课程要求n 认真听课认真听课n 独立完成作业独立完成作业2022-3-8电机学 第一章 导论7第一章第一章 导论导论n 1.1 1.1 概述概述n 1.2 1.2 电机发展简史电机发展简史n 1.3 1.3 电机中的基本电磁定律电机中的基本电磁定律n 1.4 1.4 铁磁材料特性铁磁材料特性n 1.5 1.5 磁路基本定律及计算方法磁路基本定律及计算方法2022-3-8电机学 第一章 导论81.1 1.1 概述概述一、电机的定义一、电机的定义n 广义：广义：u实施电能生产、传输、使用和电能特性变换的机械实

4、施电能生产、传输、使用和电能特性变换的机械和装置。和装置。n 狭义：狭义： u电机是基于电磁感应定律、电磁力定律（能进行电电机是基于电磁感应定律、电磁力定律（能进行电磁感应），由磁感应），由电路和磁路电路和磁路所构成，能进行所构成，能进行机电能量机电能量转换或信号变换转换或信号变换的电磁机械装置。的电磁机械装置。2022-3-8电机学 第一章 导论9二、电机的主要类型二、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

5、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2022-3-8电机学 第一章 导论10据能量转换分据能量转换分n 发电机发电机将机械功率转换为电功率将机械功率转换为电功率 n 电动机电动机将电功率转换为机械功率将电功率转换为机械功率n 变压（流、频、相位）器变压（流、频、相位）器将电功率转换为另一种将电功率转换为另一种形式的电功率形式的电功率 n 控制电机控制电机电气机械系统中调节、放大和控制作用电气机械系统中调节、放大和控制作用 2022-3-8电机学 第一章 导论11实物图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2022-

6、3-8电机学 第一章 导论12三、电机中所用材料三、电机中所用材料n 电电电路电路导电材料及绝缘材料导电材料及绝缘材料n n 导电材料：导电材料：紫铜、铝线紫铜、铝线n 绝缘材料：绝缘材料：聚脂漆、云母片聚脂漆、云母片u按耐热能力高低分按耐热能力高低分六个等级六个等级lA105A105 E120 E120 lB130B130 F155F155 lH180H180 C C 180180 2022-3-8电机学 第一章 导论132、磁、磁磁路磁路导磁材料导磁材料硅钢片硅钢片、铸钢等、铸钢等n 导磁材料：铁磁材料导磁材料：铁磁材料n 3、力、力结构材料结构材料铸钢、铸铁、钢板等铸钢、铸铁、钢板等20

7、22-3-8电机学 第一章 导论14四、电机作用和地位四、电机作用和地位n 电能生产电能生产由同步发电机生产；由同步发电机生产；n 高压输电高压输电由升压变压器将发电机发出的电压升高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；到输电电压再输送；n 降压用电降压用电由降压变压器将输来的高压电降为所需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；低电压，供给用电设备；n 生产机械的拖动生产机械的拖动由各种电动机实现；由各种电动机实现；n 控制系统中的信号转换控制系统中的信号转换由各种控制电机完成。由各种控制电机完成。2022-3-8电机学 第一章 导论15我国老牌电机厂：我国老牌

8、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2022-3-8电机学 第一章 导论162022-3-8电机学 第一章 导论172022-3-8电机学 第一章 导论182022-3-8电机学 第一章 导论19 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？2022-3-8201.2 1.2 电机发展简史电机发展简史1 1电机的发展初期电机的发展初期nF FBli1821Bli1821年年 FaradayFaradayn电磁感应定律的发现电磁感应定律的发现18311831年年 FaradayFaradayn直

9、流发电机直流发电机18311831年年 PixiiPixiin18761876年年 单相交流电的应用单相交流电的应用远距离传输远距离传输n18851885年年 交流电动机交流电动机n18891889年年 三相制三相制三相交流电的应用三相交流电的应用 三相电机三相电机2022-3-8电机学 第一章 导论212 2电机的近代发展及趋势电机的近代发展及趋势n单机容量不断增加单机容量不断增加u如汽轮发电机：如汽轮发电机：n中小型电机技术与经济指标不断改进中小型电机技术与经济指标不断改进u新的设计方法（新的设计方法（CADCAD）、工艺、材料、测试手段）、工艺、材料、测试手段n应用范围扩大应用范围扩大1

10、90019005MVA5MVA19561956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150MVA150MVA2022-3-8电机学 第一章 导论221.3 1.3 电机中磁路基本定律电机中磁路基本定律1. 1. 全电流定律全电流定律安培环路定律安培环路定律 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

11、关系时，i i取正号，否则取负号。取正号，否则取负号。321iiidlHL2022-3-8电机学 第一章 导论23n l和和l，两积分路径结果相同：，两积分路径结果相同：2022-3-8电机学 第一章 导论242. 电磁感应定律电磁感应定律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。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于阻止线圈中磁链的变化。线圈中的感应电势将倾向于阻止线圈中磁链的变化。dtdNdtdeN其中2022-3-8电机学 第一章 导论25图图1-2 1-2 电磁感应定

12、律电磁感应定律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2022-3-8电机学 第一章 导论26磁通变化原因磁通变化原因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时间脉动n 或磁通不变，而线圈在转动。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，而线圈也在转对特种电机还可以是磁通随时间脉动，而线圈也在转动动),(txfdxxdttdvTeexNvtNedtdNe2022-3-8电机学 第一章 导论27变压器电动势变压器电动势l磁通

13、本身就是由交流电流所产生，也就是说磁通本身就是由交流电流所产生，也就是说磁通本磁通本身随时间在变化着身随时间在变化着，这样产生的电势称为变压器电，这样产生的电势称为变压器电势。（线圈与磁场相对静止）势。（线圈与磁场相对静止）l磁通本身不随时间变化，但由于线圈与磁场间有磁通本身不随时间变化，但由于线圈与磁场间有相相对运动而引起对运动而引起线圈中磁链的变化，这样产生的电势线圈中磁链的变化，这样产生的电势称为运动电势或速度电势称为运动电势或速度电势 运动电动势运动电动势vTeexNvtNe2022-3-8电机学 第一章 导论28变压器电势变压器电势n 若线圈不动，穿过线圈的磁通随时间变化，则线圈中若

14、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感应的电动势变压器电势变压器电势tmsin)90sin(costEtNeemmTmmNEmmmmfNfNNEE44. 4222感应电动势有效值：感应电动势有效值：2022-3-8电机学 第一章 导论29电动势和磁通相位关系电动势和磁通相位关系)90sin(costEtNeemmTtmsinmmmmfNfNNEE44. 42222022-3-8电机学 第一章 导论30n 若磁场恒定，构成线圈的导体切割磁力线，使线圈交若磁场恒定，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链的磁链随时间变化，导体中的感应电动势运动

15、运动电动势。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vTeexNvtNe2022-3-8电机学 第一章 导论31电磁力定律电磁力定律n 载流导体在磁场中要受到力的作用载流导体在磁场中要受到力的作用电磁力。电磁力。n 左手定则左手定则BliF 2022-3-8电机学 第一章 导论32电磁转矩电磁转矩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）子受到一个力矩（等于力乘转子半径）电磁转矩。电磁转矩。BlirFrTs)(21BBNlirTc匝数为匝数为N N的线

16、圈的线圈2022-3-8电机学 第一章 导论33 最大转矩最大转矩n 线圈两侧边处磁场大小恒相等、极性恒相反线圈两侧边处磁场大小恒相等、极性恒相反)(21BBNlirTc12BBn 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2022-3-8电机学 第一章 导论34u电磁转矩是电机实现机电能量转换的重要物理量。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：电磁转矩电动机：电磁转矩驱动性质驱动性质u电能电能机械能机械能n 发电机：电磁转矩发电机：电磁转矩制动

17、性质制动性质u机械能机械能电能电能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率关系求得电磁转矩2022-3-8电机学 第一章 导论351.4 1.4 铁磁材料特性铁磁材料特性一、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。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、所谓铁磁材料是指导

18、磁性能好的材料，如：铁、镍、钴等以及它们的合金。钴等以及它们的合金。1 1、定义、定义2022-3-8电机学 第一章 导论36n 在同样大小的电流作用下，铁芯线圈的磁通比空心线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 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

19、FeFe=(2000=(20006000)6000)0 02022-3-8电机学 第一章 导论37 考虑：为什么铁磁材料具有很高的导磁性能考虑：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。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。形成一个于一致。形成一个附加磁场附加磁场，叠加在外磁场上，使合成，叠加在外磁场上，使合成磁场大为增强。磁场大为增强。?铁磁材料的磁导率要比非铁磁材料大

20、得多。铁磁材料的磁导率要比非铁磁材料大得多。?铁磁材料的磁导率铁磁材料的磁导率FeFe不是常数。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2022-3-8电机学 第一章 导论382、磁化曲线、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，磁化曲线定义：将一块尚未磁化的铁磁材料进行磁化，当磁场强度当磁场强度H H由零逐渐增大时，磁通密度由零逐渐增大时，磁通密度B B将随之增大，将随之增大，得到曲线得到曲线B=f(H)B=f(H)。2022-3-8电机学 第一章 导论39分析磁化曲线，分四段分析磁化曲线，分四段n 在在oaoa段段：当：当H H增大增大BB增大，但

21、增大，但B B增大速度较慢增大速度较慢n 在在abab段段：当：当H H增大增大BB增大，增大，B B增增大速度快；大速度快；n 在在bcbc段段：B B随随H H增大的速度又较慢；增大的速度又较慢；n 在在cdcd段段：为磁饱和区（又呈直线：为磁饱和区（又呈直线段）。其中段）。其中拐弯点拐弯点b b称为膝称为膝点点；c c点为饱和点点为饱和点。n 过了饱和点过了饱和点c c，铁磁材料的磁导，铁磁材料的磁导率趋近率趋近0 0。2022-3-8电机学 第一章 导论40 铁磁材料具有的特点铁磁材料具有的特点n 它的磁化曲线具有饱和性，磁导率它的磁化曲线具有饱和性，磁导率FeFe不是常数，且不是常数

22、，且随随H H的变化而变化。的变化而变化。u 变化变化u总体非线性总体非线性 1.1.存在饱和特性存在饱和特性 H H 2022-3-8电机学 第一章 导论41B 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)(HfFeHB02022-3-8电机学 第一章 导论42 应用应用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。磁通密度选择在膝点附近。2022-3-8电机学

23、 第一章 导论43二、磁滞与磁滞损耗二、磁滞与磁滞损耗1 1、磁滞回线、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

24、另一个特性。2022-3-8电机学 第一章 导论44图图1-7 1-7 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 fcHmBmBmHmHrBcH2022-3-8电机学 第一章 导论45基本磁化曲线：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，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。顶点联接起来，所得的曲线。H HB B2022-3-8电机学 第一章 导论462、铁磁材料、铁磁材料n H HC C矫顽力矫顽力n

25、B Br r剩余磁感应强度剩余磁感应强度n 铁磁材料：铁磁材料：u软磁材料软磁材料-磁滞回线窄，磁滞回线窄，H HC C及及B Br r小小u硬磁材料硬磁材料-磁滞回线宽，磁滞回线宽，H HC C及及B Br r大大uH HC C及及B Br r大，难退磁大，难退磁-永磁材料永磁材料B Br rH HC CB Bm m2022-3-8电机学 第一章 导论47软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2022-3-8电机学 第一章 导论483 3、磁滞损耗、磁滞损耗n 定义定义: : 铁磁材料置于交变磁场中时，磁畴相互间不停地铁磁材料置于交变

26、磁场中时，磁畴相互间不停地摩擦、消耗能量、造成损耗，这种损耗称为摩擦、消耗能量、造成损耗，这种损耗称为磁滞损耗磁滞损耗。2022-3-8电机学 第一章 导论49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BAdtdBVHNHldtdBNAidtdNuip2022-3-8电机学 第一章 导论50建立交变磁通、克服磁畴回转所需要的瞬时功率建立交变磁通、克服磁畴回转所需要的瞬时功率pHdBfVpdtTpTh01Tf/1VfBkpmhhK 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

27、式：经验公式：2022-3-8电机学 第一章 导论51 4 4、涡流损耗、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，故称在铁芯构成的回路与磁通相环链，故称涡流。涡流。n 涡流产生的损耗称为涡流产生的损耗称为涡流损耗涡流损耗。22mwwBfkpk 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 ：

28、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 f2 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2022-3-8电机学 第一章 导论52图图1-10 1-10 硅钢片中的涡流硅钢片中的涡流B B2022-3-8电机学 第一章 导论53 应用应用n 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硅量较量较高的高的薄薄硅钢片硅钢片叠成叠成。2022-3-8电机学 第一章 导论545 5、铁心损耗、铁心损耗n 铁芯中的磁滞损耗和涡流损耗之合称为铁芯损耗铁芯中的磁滞损耗和涡流损耗之合称

29、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：铁心质量：铁心的损耗系数；G23 . 1FemFeFeCGBfCp2022-3-8电机学 第一章 导论55B B增加增加2022-3-8电机学 第一章 导论56 注意注意n 在恒定磁场中的静止导磁体内是不会引起能量损耗的。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，为防止电机铁芯损耗均转化为热能使铁芯温度升高，为防止电机过热，过热，采用硅钢片以减小铁芯损耗采用硅钢片以减小铁芯损耗，采取散热降温措采取散

30、热降温措施施 。 2022-3-8电机学 第一章 导论571.5 1.5 磁路基本定律和磁路的计算磁路基本定律和磁路的计算n 电电电路电路导电材料（及绝缘材料）导电材料（及绝缘材料） 紫铜、铝线紫铜、铝线（绝缘（绝缘: :按耐热能力高低分按耐热能力高低分A A、E E、B B、F F、H H、C C六个等六个等级）级）n 磁磁磁路磁路导磁材料导磁材料硅钢片、铸钢等硅钢片、铸钢等n 力力结构材料结构材料铸钢、铸铁、钢板等铸钢、铸铁、钢板等2022-3-8电机学 第一章 导论58 磁路磁路 磁通所通过的路径。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，所以主磁通：由于铁心的导磁

31、性能比空气要好得多，所以绝大部分磁通将在铁心内通过绝大部分磁通将在铁心内通过, ,这部分磁通称为主磁这部分磁通称为主磁通。通。n 漏磁通：围绕载流线圈、部分铁心和铁心周围的空间，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。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。2022-3-8电机学 第一章 导论59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2022-3-8电机学 第一章 导论60一、磁路的欧姆定律一、磁路的欧姆定律 BAAB图图1-12 1-12 单框铁心磁路单框铁心磁路A AN Ni il l2022-3-8电机学 第一章 导论61NiHldlHFRFAlNimm)/(AlRm/BH AB/磁阻磁阻lARmm1磁导磁导2022-3-8电机学 第一章 导论62与电路中的欧姆定律相似与电路中的欧姆定律相似模拟电路图模拟电路图mRF 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