电机学Ch1-GT

1、1学习电机课程的目的：学习电机课程的目的：什么是电机？什么是电机？我们周围有哪些电机？我们周围有哪些电机？它有什么用处？它有什么用处？怎样怎样分析和使用各种各样的电机分析和使用各种各样的电机？宫金武宫金武2教材教材: 电机学电机学辜成林辜成林 陈乔夫陈乔夫 熊永前编熊永前编, 华中科技大学出版社华中科技大学出版社 2010 年第年第 3 版版.教学参考书教学参考书:1.胡虔生、胡敏强、杜炎森胡虔生、胡敏强、杜炎森. 电机学电机学. 中国电力出版社中国电力出版社，2001.2.A.E.Fitzgerald,Charles Kingsley,Jr.Stephen D. Umans，Electric

2、 Machinery(Sixth Edition)，McGraw Hill, 清华大学出版社，清华大学出版社，2003.3.汤蕴璆、史乃主编，汤蕴璆、史乃主编，电机学电机学，机械工业出版社，机械工业出版社，1999.4.许实章，许实章，电机学电机学，机械工业出版社，机械工业出版社，1990. 电机学电机学Electric Machinery第第1章章 导论导论1.了解电机的作用与电机学的任务了解电机的作用与电机学的任务2.掌握基本电磁定律掌握基本电磁定律3.掌握铁磁材料的磁化特性掌握铁磁材料的磁化特性4.培养学生对电机课的兴趣培养学生对电机课的兴趣第第1 1章章 导论导论 电机中的基本电磁定律

3、电机中的基本电磁定律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涡流与涡流损耗涡流与涡流损耗铁耗铁耗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磁化曲线磁化曲线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磁路基本定律及其计算方法磁路基本定律及其计算方法 磁路基本定律磁路基本定律自感和互感自感和互感磁路计算方法磁路计算方法概述概述51.1 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

4、转换或信号传递与构成的能实现机电能量转换或信号传递与转换的装置。转换的装置。 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广义言之，电机可泛指所有实施电能生产、传输、使用和电能特性变换的机械或装置。6二、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按功能分类按功能分类 电机电机 电机电机 7现代电力系统中的各种电机现代电力系统中的各种电机广义言之，电机可泛指所有实施电能生产、传输、使用和电能特性变换的机械或装置。89 风力发电机群风力发电机群10西门子西门子 1000KV/800MVA变压器变压器11各行业广泛使用电动机各行业广泛使用电动机永磁直流无刷直

5、流电动机外形图永磁直流无刷直流电动机外形图12三、电机中使用的材料三、电机中使用的材料 导电材料：导电材料：构成电机中的电路系统，为了减少损耗，要求材料的电阻率小，常用的有紫铜和铝 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。个等级。AEBFHC105105120

6、120130130155155180180180180以上以上131.2 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 非铁磁材料的磁导率非铁磁材料的磁导率 0 = 410-7 H/m 为常数为常数 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。的增加而减小。14所有非导磁材料的磁导率都

7、是常数，并且都接近于真空磁导率 0，0 = 4 10-7H / m。但铁磁材料却是非线性的铁磁材料却是非线性的，即其中 B 与 H 的比值不是常数，磁导率 Fe在较大的范围内变化，而且数值远大于 0，一般为 0的数百乃至数千倍。对电机中常用的铁磁材料来说，Fe在在 2000 06000 0之间之间。因此，当线圈匝数和励磁电流相同时，铁心线圈激发的磁通量比空心线圈的大得多，从而电机的体积也就可以减小。HB 15二、磁化曲线二、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，二将发生变化，二者之间的关系曲线称为磁化曲线，记为者之间的关系曲线称为磁化曲线，记为B=f(H

8、)。16三、磁滞与磁滞损耗三、磁滞与磁滞损耗 磁滞概念磁滞概念 剩磁剩磁 矫顽力矫顽力 磁滞回线磁滞回线 不同铁磁材料有不同铁磁材料有不同的磁滞回线不同的磁滞回线，且同一铁磁材，且同一铁磁材料，料，Bm愈大，磁愈大，磁滞回线所包围的滞回线所包围的面积也愈大。面积也愈大。17 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18 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

9、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。19铁磁材料之所以有高导磁性能，依

10、磁畴假说磁畴假说，从微观角度看，就在于铁磁材料内部存在着很多很小的具有确定磁极性的自发磁化区域，并且有很强的磁化强度，就相当于一个个超微型小磁铁，称之为磁畴。磁化前磁化后20四、涡流与涡流损耗四、涡流与涡流损耗 涡流：涡流：铁磁材料在交变磁场将铁磁材料在交变磁场将有围绕磁通呈涡旋状的感应电有围绕磁通呈涡旋状的感应电动势和电流产生，简称涡流。动势和电流产生，简称涡流。 涡流损耗：涡流损耗：涡流在其流通路径涡流在其流通路径上的等效电阻中产生的上的等效电阻中产生的I2R损耗损耗称为涡流损耗。称为涡流损耗。 涡流损耗与磁场交变频率涡流损耗与磁场交变频率f、厚、厚度度d和最大磁感应强度和最大磁感应强度B

11、m的平的平方成正比，与材料的电阻率方成正比，与材料的电阻率 成成反比。反比。 要减少涡流损耗，首先应减小要减少涡流损耗，首先应减小厚度，其次是增加涡流回路中厚度，其次是增加涡流回路中的电阻。电工钢片中加入适量的电阻。电工钢片中加入适量的硅，制成硅钢片，显著提高的硅，制成硅钢片，显著提高电阻率。电阻率。21五、铁耗五、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，当铁心内的磁场为交变磁场时，常将磁滞损耗和涡流损耗合在一

12、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。 铁耗铁耗 pFe fBm2。其中。其中12，与材料性质有与材料性质有关。关。221.3 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 dllGNS ab一、一、 电磁感应现象电磁感应现象 GNSab一、一、 电磁感应

13、现象电磁感应现象 GNSab一、一、 电磁感应现象电磁感应现象 GNSab一、一、 电磁感应现象电磁感应现象 GNSab一、一、 电磁感应现象电磁感应现象 GNSabSN 一、一、 电磁感应现象电磁感应现象GNS abSN R12Gm 当回路当回路 1中电流中电流发生变化时，在发生变化时，在回路回路 2中出现感中出现感应电动势。应电动势。 SSmcosdSBSdB B变化变化S变化变化 变化变化 SN GNSabiI 当通过一个闭合导体回路所包围面积内的当通过一个闭合导体回路所包围面积内的磁通量发生变化时，回路中就会产生感应电流。磁通量发生变化时，回路中就会产生感应电流。 结论结论这一现象称为

14、这一现象称为电磁感应电磁感应。电流方向电流方向？31二、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dtdNdtde32三、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。对于磁场对电流的作用是磁场的基本特征之一。对于长直载流导体，若磁场与之垂直，则计算电磁力长直载流导体，若磁场与之垂直，则计

15、算电磁力大小的公式为大小的公式为 F=B l i 。这就是通常所说的电磁力。这就是通常所说的电磁力定律，也叫毕奥定律，也叫毕奥-萨伐电磁力定律。式中电磁力萨伐电磁力定律。式中电磁力F、磁场、磁场B和载流导体和载流导体 l 的关系由左手定则确定。普的关系由左手定则确定。普通电机中，通电机中，l 通常沿轴线方向，而通常沿轴线方向，而B沿径向方向。沿径向方向。331.4 磁路基本定律及其计算方法磁路基本定律及其计算方法 一、磁路基本定律一、磁路基本定律 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。磁动势磁动势 F = Ni磁

16、磁 阻阻 Rm= l /(A) l为磁路的长度为磁路的长度 A为铁心截面积为铁心截面积磁磁 导导 m = 1 / Rm磁路欧姆定律磁路欧姆定律： = F/Rmu 铁磁材料的磁阻随饱和程度的提高而增加铁磁材料的磁阻随饱和程度的提高而增加34 磁路基尔霍夫第一定律磁路基尔霍夫第一定律 = 0 图示的有分支磁路：图示的有分支磁路： 1+2=3 进入或穿出任一封闭面的总磁通量的代数和等于零，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闭面的磁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。通量。35 磁路基氏第二定律磁路基氏第二定律 任一闭合磁路上磁动势的代

17、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。回路：回路：H1l1+H3l3=N1i1回路：回路：-H2l2-H3l3=-N2i2回路：回路：H1l1-H2l2=N1i1-N2i2F=Ni=Hl=Rm36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 电流电流 i磁动势磁动势 F 电动势电动势 e磁阻磁阻 Rm电阻电阻 R磁压降磁压降 Hl电压降电压降 u磁导磁导 m电导电导 G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=R 基氏第二定

18、律基氏第二定律 e=u=iR37磁路和电路的对比磁路和电路的对比38二、磁路计算方法二、磁路计算方法 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。 电机和变压器设计中的磁路计算通常属于第一种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，一般要用类型的问题。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。磁路欧姆定律迭代法确定，编程由计算机完成。磁路欧姆定律 39三、自感和互感三、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

19、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40 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。41电机的发热与冷却一

20、、电机的发热：一、电机的发热：任何机械装置工作了一段时间后，都会出现发热的任何机械装置工作了一段时间后，都会出现发热的现象，我们已经学过了电工和大物，那么，很显然，这现象，我们已经学过了电工和大物，那么，很显然，这是损耗的出现所导致的结果。是损耗的出现所导致的结果。1、温升：电机的温度在工作了一段时间后不在上升而、温升：电机的温度在工作了一段时间后不在上升而达到某一稳定数值，此值和周围冷却介质温度之差，我达到某一稳定数值，此值和周围冷却介质温度之差，我们称之为温升。们称之为温升。电机的温升不仅取决与损耗的大小和散热情况，还电机的温升不仅取决与损耗的大小和散热情况，还与电机的工作方式有关。与电机

21、的工作方式有关。422. 定额：制造厂按国家标准的要求对电机的全部电量定额：制造厂按国家标准的要求对电机的全部电量和机械量的数值以及运行的持续时间和顺序所做的规和机械量的数值以及运行的持续时间和顺序所做的规定称为电机的定额，（既电机的工作方式）。定称为电机的定额，（既电机的工作方式）。 1）连续定额）连续定额 2）短时定额）短时定额 3）周期工作定额）周期工作定额二、电机的冷却：二、电机的冷却：电机的冷却快慢直接决定了电机的寿命和额定容量。电机的冷却快慢直接决定了电机的寿命和额定容量。1）冷却介质：空气，氢气，水和油）冷却介质：空气，氢气，水和油2）冷却方式：外部冷却和内部冷却。现代巨型电机均

22、）冷却方式：外部冷却和内部冷却。现代巨型电机均采用内部冷却方式。采用内部冷却方式。43学习电机课的重点内容学习电机课的重点内容1.各种概念和新名词：各种概念和新名词：磁滞概念，剩磁，矫顽力磁滞概念，剩磁，矫顽力磁滞回线磁滞回线 。 2.电机的分类：电机的分类：3.各种电机的组成部分及结构特点各种电机的组成部分及结构特点4.各种电机的工作原理各种电机的工作原理5.各种电机的额定参数及其物理含义各种电机的额定参数及其物理含义6.各种电机的等效电路及方程式各种电机的等效电路及方程式7.各种电机的启动、调速、制动等特性各种电机的启动、调速、制动等特性8.各种电机的运行曲线、效率曲线各种电机的运行曲线、

23、效率曲线44 电机的分析研究方法电机的分析研究方法分析步骤分析步骤虽然电机的种类很多，分析研究方法也各有特点，但其基本步骤和基本方法还是有很多共同之处的，尤其是对旋转电机。下面综合介绍旋转电机的分析步骤和研究方法。 电机内部物理情况的分析。这一步主要是分析空载和负载运行时电机内部的磁动势和磁场，建立物理模型。45 列出电机的运动方程。利用电磁感应定律和电磁力定律，即可求出各个绕组内的感应电动势和作用在转子上的电磁转矩；再利用基尔霍夫定律、全电流定律、牛顿定律和能量守恒原理，可列出各个绕组的电动势方程式以及电机的磁动势方程式、转矩方程式和功率方程式。这些方程统称为电机的运动方程。这一步的工作就是

24、把物理模型变为数学模型。 电机的运动方程除了可用上述传统方法建立外，还可以用汉密尔顿原理通过变分法建立，或直接应用机电动力系统的拉格朗日麦克斯韦方程列写。46 求电机的运行特性和性能。求电机的运行特性和性能。列出运动方程后，求解这些方程，即可确定电机的运行特性和一些主要的技术数据。对于动力用电机动力用电机，在稳态运行特性中，发电机以外特性为最重要，而电动机则以机械特性电动机则以机械特性为最重要。发电机的外特性是指负载电流变化时，端电压的变化曲线 u=f(iL)；而电动机的机械特性是指电磁转矩变化时，转速的变化曲线 n=f(Tem)。此外，电机的效率、功率因数、温升、过载能力等指标也很重要。暂态运暂态运行时，行时，还要考虑电机的稳定性