电机技术及应用仿真

学机电§

1

电机发展电机的发展历史可以追溯到19世纪初，以下是其关键里程碑：1.早期探索（

1820s-1830s）：•1820年：

奥斯特发现电流的磁效应。•1821年：

法拉第展示了电磁旋转装置，成为电动机的雏形。•1831年：

法拉第发现电磁感应，为发电机奠定基础。2.

实用化阶段（

1830s-1880s）：•1832年：

皮克西制造出第一

台交流发电机。•1834年：

雅可比发明实用直流电动机。•1860s-1870s：

西门子和格拉姆改进直流电机和发电机，推动其工业应用。3.交流电机的兴起（

1880s-1890s）：•1880s：

特斯拉发明交流感应电动机和多相交流系统。•1888年：

特斯拉的交流电机专利推动了交流电的广泛应用。4.20世纪的发展：1.1900s-1930s：电机在工业和家庭中普及，性能不断提升。2.1950s-1970s：

新型电机（如步进电机、无刷直流电机

)

出现，满足更多应用需求。3.1980s-1990s：电力电子和微处理器技术推动电机控制技术进步。5.21世纪的创新：1.2000s至今：

高效电机、永磁同步电机、直线电机等新技术发展，电机在新能源、电动汽车等领域广泛应用。总结：电机从最初的实验装置发展为现代工业和生活中不可或缺的设备，技术进步推动了其效率和控制精度的提升。我国电机的发展r

创新与国际化阶段（2000年至今）•2000年代：

中国电机工业进入创新和国际化阶段，高效电机、永磁电机、无刷直流电机等新技术得到广泛应用。•2010年代：

国家政策支持电机工业向高效、节能、环保方向发展，推动新能源电机、电动汽车电机等新兴领域的发展。•2020年代：

中国电机工业在全球市场占据重要地位，

成为世界最大的电机生产国和出口国，

技术水平与国际领先水平接轨。r

主要成就：•大型电机：

中国能够自主设计和制造大型水轮发电机、汽轮发电机等，

技术水平达到国际先进水平。•特种电机：

在航空航天、军工、轨道交通等领域，特种电机的研发和应用取得显著成果。•高效节能电机：响应国家节能减排政策，高效节能电机的研发和推广取得显著成效。•新能源电机：在风力发电、电动汽车等领域，

新能源电机的研发和应用处于国际领先水平。总装机容量5501.3万千瓦，分布在17个国家和地区，全球核电发展的重心正在从传统核电大国转向新兴经济体，截至2019年1月20日，我国在运核电机组达到45台，装机容量4590万千瓦，排名世界第三；在

建机组11台，装机容量1218万千瓦。r2020年广汽新能源发布全球首创两挡双电机“

四合一

”集成电驱，实现了双电机、控制器和两挡减速器深度集成，凭借此技术，埃安系列车型百公里加速进入2秒。我国电机的发展r2018年，全球在建核电机组54台，国内电机行业综合门户网站的中国电机网（http2021年东方电机根据精品机组标准，研制出的白鹤滩百万千瓦水电机组转轮最优效率达到了96.7%，转轮被誉为水轮发电机组的心脏，打造了“新时代大国重器

”

。国内生产全球首台百万千瓦的水电机组的东方电气集团公司东方电机有限公司（/p=ct&c=newspic&id=3921）我国电机的发展://www.china-d.com/）rrr思政要素：r

建议大家以“发展的眼光看待问题”这一观点去理解在交、直电机发展过程中，为何出现多次交流电机取代直流电机，而有没能完全取代的原因。r

并思考未来交、直流电机的发展方向。r

我国电机从无到有、从弱到强的艰辛发展历程，体现“大国重器”的工匠精神和团队精神。

同学们可举例说明。§2电机概况电能在国民经济和国防建设中获得极为广泛的应用，它已成为我国国民经济各部门中动力的主要来源。电能的生产、变换、传输、分配、使用和控制等，都必须利用

电机这种进行能量变换或讯号变换的电磁装置。电机（英文：Electricmachinery，俗称“马达”M）是根据电磁感应原理和电磁力定律实现机——电能量之间相互转换的机械。它的主要作用是产生驱动转矩，作为电器或各种机械的动力源。.在现代工业企业中，利用

电动机把电能转换成机械能，去拖动各种类型的生产机械，使它们按人们所给定的规律运动，这就是电力拖动。电力拖动具有良好的调速性能，起动、制动、反转和调速的控制简单方便、快速性好且效率高。电动机的类型很多，具有各种不同的运行特性，可以满足各种类型生产机械的要求。电力拖动系统各参数的检测、信号的变换与传送方便，易于实现自动控制。生活中的电机热交换中的高压电机吊车起重机中的电机工业机器人中的电机

电机产品种类繁多，应用领域广泛•根据型号、规格、功率、轴伸、绝缘、编码器、转速开关、热敏元件、加热带等参数的不同可划分出各种各样电机。•机床、轧钢机、鼓风机

、印刷机、水泵、抽油机、起重机、传送带、生产线、电梯以及医疗设备中的心电机、X光机

、

CT、牙科手术工具、渗析机、呼吸机、电动轮椅等，都大量使用电动机。

有运动的地方就可能有电机的存在电机在当今世界中的应用非常广泛，作为高性能电机系统的灵魂，

控制芯片和驱动技术将扮演越来越重要的作用。一、电机应用1、技术发展趋势变频调速是当今最先进的交流调速方式。随着国际变频器价格的逐步下降，变频调速技术应用越来越广泛。2、产品发展趋势—节能

、

控制智能化从节约能源、保护环境出发，高效率电动机是目前国际发展趋势。高效电机在中国的应用比例目前仅为23%~25%。随着通信技术的发展，智能控制也成为电机领域的热门话题，电机控制也趋向智能化，

PLC

、

FPGA

、DSP这些技术也越来越多的融合到了电机产业链中。二、电机发展趋势发电机——由机械能转变成电能的装置。旋转电机电动机——由电能转变成机械能的装置。要求：力能指标高。即η高、cosφ高。电动机的基本类型：①

直流电动机②

异步电动机③

同步电动机静止电机

——电→

电，不动的电机，即变压器。控制电机——自动控制系统中的被控元件或要求：高精度、快响应、可靠性好。三、电机的分类.

将“信号”进行传递或转换。电机.直流电动机同步电机.·

旋转

{·

静止：

变压器{电力变压器：升压变压器、降压变压器机机电动发电步步同同动力电机

异步电机

{机机电动发电应应感感微特电机：伺服电机、步进电机、测速发电机、直线电机、自整角机、回转变压器三、电机的分类直流电机

{

直流电动机特种变压器：自耦变压器、互感器等交流电机电机大功率直流电机

直流小电机直流电机交流电机三相交流异步电机永磁同步电机伺服电机控制电机无刷电机直线电机r

能量转换装置电机是根据电磁感应原理实现机电能量转换的电力机械设备。r

拖动生产机械工业企业中的各种生产，采用以电动机为动力拖动生产机械的拖动方式叫做“电力拖动”，或称为电机拖动、电气传动等。电机及拖动的作用

又是后续各专业课重要的基础课(、

电气、机器人等专业)。

因此国内外各高校相关专业均十分重视《电机学》课程的教学。

内容：主要研究旋转电机、静止电机和控制电机内部的电磁

关系以及电动机转速、转矩的关系。

任务：培养同学们掌握直流电机、交流电机、变压器以及控制电机等的基本结构与工作原理，为专业培养及后续课程的学习准备必要的基础知识。§2本课程的性质、任务、课程目标和学习方法u性质：它是一门专业基础课

，既可以是一门独立的专业课， •

课程目标2：培养学生对电机有一个比较系统和完整的认识，能触类旁通

,

具有分析未学过电机或新电机等理论知识以及相应的实践应用能力。构建

变压器、直流电机、交流异步电机和同步电机四种典型电机的知识体系，理

解各知识体系间的区别与联系，发掘人类认识事物变化的科学规律。•

课程目标3：对电机工程领域有较全面的了解，培养学生综合运用电机相关

理论和技术分析、解决复杂电机工程问题的能力。通过典型工程案例引入，

提炼出科学问题，使学生了解学科知识应用及技术发展的前沿及瓶颈，激发

学生热爱科学的精神，勇于探索、攻坚克难的爱国奋斗精神。•

课程目标1：使学生能掌握分析主要类型电机的工作原理、基本结构、基本

电磁关系、运行特性，实验方法和操作技能。学生通过对电机中机电转换、

电磁平衡等原理的阐释，培养学生辩证唯物主义的科学观与世界观。

课程目标序号毕业要求毕业要求观测点课程目标11：工程知识1.4

：掌握运动控制、工业过程控制等专业知识，用于解决技术领域的复杂工程问题。课程目标122：问题分析2.2：

能够运用专业基础理论

，对技术领域复杂工程问题的关键环节进行识别和表达。课程目标234：研究4.1：

能够利用控制理论、

电机等基本理论，对技术领域的复杂工程问题进行调研分析。课程目标3课程目标与毕业要求的对应关系课程特点本课程为“运动控制”专业方向的专业基础课，同时也是电气类其他专业的基础课。学生在学习了高等数学，大学物理和电路等课程以后，通过本课程的学习，获得电机原理，电机基本理论和电机稳态分析等方面的知识和实验技能，为下一步学习专业课做好准备，为今后从事专业工作打下坚实的基础。本课程的后续专业课程，大多也具有同样的紧密结合实际的特点，而这正是任何一位工程技术人员所必须熟悉和掌握的。够克服困难；另一方面从方法上，应逐步和尽快适应和掌握其特点和学习方法，它需要我们具备扎实的电路、电磁场等基础知识，以及良好的逻辑思维能力和空间想象。电机学，是一门充满挑战但也充满魅力的学科。课程特点学习态度，勤于思考，勇于实践，提高学习兴趣，从而能因此，同学们在学习本课程时，一方面保持积极的同时也联系到科学实验与生产实际的内容。运用“电路原理”等基础课的基本理论来分析研究各类

电机内部的电磁物理过程，从而得出各类电机的

一般规律及其各异的特性。与“电路原理”等基础课的性质不同在于，不仅有理论的分析推导，而且还要用基本理论分析研究比较复杂的且往往带有综合性的工程实际问题。既有基础性，又有专业性。共分为磁路、直流电机、变压器、交流异步电机、同步电机等六大部分，计6章。

.内容：主要研究电机的基本理论问题。

电机中常会遇到：电——磁、静止——旋转、单相——三相、

线性——非线性、饱和——不饱和、对称——不对称、

正弦——非正弦、稳态——暂态，时间——空间等问题，

它牵涉到电路、磁路、运动学、电子学、自动控制原理等内容，

要求：牢固掌握基本方法。在分析问题时，要抓住主要矛盾，有条件地略去一些次要因素，找出问题的本质，它有助于在电磁、机电现象中，把握其中起主导作用的因素。培养发现事物的发展科学规律，锻炼科学的思维方式。学

习方法：分析问题必须全面。

①掌握重点，深刻理解基本概念，彻底弄清基本理论，因所有电机均以电磁感应原理为理论基础，因此它们有许多共性内容和内在联系，善于总结比较，可举一反三，触类旁通，起到事半功倍的作用。通过对比学习，培养学生学习迁移的能力。学习理论时，不要只满足于公式中的数学关系，更主要是通过数学关系去着重理解它们之间的物理概念。另一方面要重视实验环节，善于用所学理论去分析生产实际中的问题。要做到上课、习题、实验三者有机结合。

③善于应用对比和比较的方法。②理论联系实际。

u

第六章

同步电机

6学时

选用教材

《电机技术及应用仿真》主编

西安电子科技大学出版社

《电机及拖动基础》

(上)

顾绳谷

主编

机械工业出版社课时安排u

序言

第一章

磁路

8学时u

第二章

直流电机

8学时u

第三章

变压器

6学时u

第四章

三相异步电机基本原理

6学时u

第五章

三相异步电机运行原理及单相异步电机

6学时⒈

戴文进

《电机学教程》清华版⒉

王步来

《电机与拖动基础》

西电版⒊

顾绳谷

《电机及拖动基础》上、下册

机工版4.冯畹芝

《

电机与电力拖动》

轻工版5.宋银宾

《电机拖动基础》

冶金版6.杨宗豹

《电机拖动基础》

冶金版7.应崇实

《电机及拖动基础》

机工版8.

陈伯时、李发海、王岩

《电机与拖动》

中广电版9.许实章

《电机学》上、下册

机工版10.冯欣南

《电机学》

机工版参考书目：End第一章

磁

路米磁场和磁路米

电机中铁磁材料的特性米

电机理论中常用的基本电磁定律米直流磁路的计算

米小结——电流之路。用以引导电流而产生感应电势。——是主磁通之路。用以引导主磁通，在其限定的范围内形成较强的工作磁场。电机是以磁场为媒介，利用电磁感应原理实现机械能与电能之间能量的相互转换的电磁设备。

{电机中的路路路磁电一

磁场的基本物理量电流的磁场

i

个

直导线电流的磁场

线圈

电流的磁场§1.1磁场与磁路基本概念四指回转方向表示线圈电流方向大拇指方向表示线圈内部磁感线方向大拇指方向表示导线电流方向四指回转方向表示磁感线方向右手螺旋定

则i描述磁场的基本物理量：1、磁感应强度

B

磁感应强度B

是表示磁场内某点的磁场强弱和方向的物理量。它是一个向量。通常用磁力线形象地描述空间磁场的强弱和方向。磁力线的方向与电流的方向符合右手螺旋法则。单位：特斯拉（T）即：Wb

/m2穿过某一截面S的磁感应强度B的通量称为磁通。即

单位：韦伯（Wb）在均匀磁场中，

Φ

=

B.

S则磁感应强度B在数值上可以看成与磁场方向相垂直的单位面积所通过的磁通。故B又称为磁通密度，简称磁密。

2、磁通Φ若写成.3、磁场强度

H

磁场强度H是在作磁场计算时所引用的一个物理量。它也是一个向量。单位：安/米（A/m）

H

与

B的区别①

H∝I，与介质的性质无关。②

B与电流的大小和介质的性质均有关。B

=

μHμ的单位=

=

=

=

H的单位

A/m

A

m由实验测出：真空中的磁导率μ0为μ0

=

4兀

×

10−

7

H

/m

(亨

利

/

米

)注意：μ0是个常数。4、磁导率μ磁导率μ是一个用来表示磁场媒质磁性的物理量。磁感应强度B和磁场强度

H的关系可用下式表示B的单位

TT.

m

H相对磁导率μr

——任何一种物质的磁导率和真空的磁导率的比值。

按磁导率的大小，将物质材料分为：

非磁性材料：

μr

≈1即B

=

μ0H如铜、铝、绝缘材料和木材等。

磁性材料：

μr

>>

1即μ不是常数，B与H呈现非线性。如铁、钴、镍及其合金等。.磁场是由电流产生的。在铁心上绕制一个线圈，并给这个线圈通上电流，则产生一个磁场，这种电流称为励磁电流。主要由磁性物质组成，能使磁力线集中通过的路径，称为磁路。若励磁电流为直流，则这种磁路称为直流磁路。若励磁电流为交流，则这种磁路称为交流磁路。经过磁路闭合的磁通称为主磁通。部分经过磁路，部分不经过磁路，或全部不经过磁路的磁通，称为漏磁通。二

磁路的概念*场与路的区别和联系电机学中场与路的特征，可归纳为如下四点:(1)场是任意空间上的点函数，它以微分量为特征。(2)路是具有截面、长度的管状空间，它以积分量为特征。(3)电机学中磁场的B和H都是点函数，也都是向量、微分量。(4)电机学中磁路的磁通Φ是面量，磁势F是线量，它们都是标量、积分量。一、高导磁性铁磁材料内部存在着很多很小的强烈磁化了的自发磁化单元，称为

磁畴，它有一种特殊的引力。无外磁场时，磁畴排列混乱，磁场互相抵消，对外不显磁性。在外磁场的作用下，磁畴就顺外磁场方向转动，从而显出磁性。随着外磁场的增强，磁畴就逐渐转到与外磁场相同的方向上。.§1.2

电机中铁磁材料的特性O

H铁磁材料的磁化曲线是非线性的。对于铁磁材料，当H较大时B之增加变缓甚至几乎不增加的现象，称为磁饱和现象。对于非铁磁材料，磁导率为常数，故磁化曲线是一条直线。二、磁化曲线将铁磁材料在外界磁场作用下做磁化试验：改变励磁磁动势的大小，测出磁通密度B与磁场强度H，得到B与H的关系曲线B=f(H)，称之为铁磁材料的磁化曲线。Bb.膝

点思政要素：引申为人处世不要太满

，要留有余地

,

给予学生修身立德教育。铁磁材料具有如下特点：它的磁化曲线具有饱和性，磁导率

μ不是常数，且随

B

的变化而变化。铁磁材料被反复磁化时，B-H

曲线不是单值的，是一条磁滞回线，如图所示。把不同Hm值的各磁滞回线的顶点连接起来所得的曲线，称为平均磁化曲线。当H减到零时，而B未减到零的现象，即B的变化滞后于磁场强度H变化的现象之称为磁滞现象。此时B所具有的数值Br

，称为剩磁感应强度，简称剩磁。要使剩磁消失，必须反向磁化，即反向施加一个磁场强度，其值称为矫顽磁场强度Hc，简称矫顽力。

.三、磁滞现象和磁滞损耗•

不同的铁磁物质其磁滞回线宽窄是不同的，当铁磁材料的磁滞回线较窄时，可用它的平均磁化曲线，即基本磁化曲线进行计算。•根据磁滞回线形状的不同，铁磁材料可分为硬磁材料和软磁材料。硬磁材料的磁滞回线胖宽，剩磁、矫顽力大，如

钨

钢、钴钢等；软磁材料的磁滞回线瘦窄，剩磁、矫顽力小，如硅钢片、铸钢等。•

由于电机铁芯采用软磁材料制成，其磁滞回线瘦窄，在进行磁路计算时，为了简化计算，不考虑磁滞现象，而用基本磁化曲线来表示

B与

H之间的关系，故通常所讲的铁磁材料的磁化曲线是指基本磁化曲线。•铁磁材料在交变磁场的作用下反复磁化时，内部的磁畴不停地

往返倒转，磁畴之间不停地互相摩擦而消耗能量，引起损耗。这种损耗称为磁滞损耗。它与磁通的频率及磁密的幅值关系为pc

∞

f

.

Bmα当铁芯中的磁通发生变化时，根据电磁感应定律，将产生一个电流。此电流在铁芯内的流动状况呈旋涡状，故称之为涡流。涡流在铁芯电阻上的损耗称为涡流损耗。涡流损耗与磁通的交变频率、铁芯中磁密的幅值、

钢片的电阻及钢片厚度有关，可用下式表示：pw

∞

f2

.

B

.

d2

/

rw.m2铁芯中的磁滞损耗和涡流损耗合称为铁芯损耗，简称铁耗。当硅钢片的厚度和材料一定时，铁耗与磁通频率及磁密幅值的关系为：pFe

∞

fβ

.

Bm2减少钢片的厚度、增加钢片的电阻可以减少涡流损耗。四、涡流损耗式中，β=1.2～1.6.铁心损耗主要包括磁滞损耗和涡流损耗。磁滞损耗：

ph

∞

fB涡流损耗：

pw

mα磁滞现象和磁滞损耗§

1.3

电机理论中常用的基本电磁定律一、全电流定律o"全电流定律揭示电产生磁的本质，阐明电流与其磁场的大小及方向的关系。磁场强度H

沿某封闭曲线的线积分等于贯穿此封闭曲线所围成面的电流代数和。又称为安培环路定律。

电流的正负号要看它的方向与所选封闭曲线的方向是否符合右手螺旋法则而定。符合者取正，反之取负.。φ1amN1l11.磁路基尔霍夫第一定律φ2

i2在磁路的任何一个结点上，各个分支磁路中磁通的代数和恒等于零。即Σ

Φ

=

0二、磁路基尔霍夫定律i1φ3l3l2.Σ(Hl

)

=

Σ(IW)当励磁电流的正方向与回路的向符合右手螺旋法则时，则该线圈的

IW为正，反之为负。.2.磁路基尔霍夫第二定律在磁路中沿任意闭合回路磁压降的代数和等于沿该回路磁动势的代数和。即当某段磁通的正方向与回路方向一致时，该段的

Hl即为正，反之为负。此定率实际上是安培环路定律的另一种表达式。励磁线圈

匝数励磁电流磁压降磁动势由全电流定律：

H

.

dl

=

Σi

，设均匀无分支磁路，得Hl=

IW

故

即

Rm

F=IW磁动势

三、磁路欧姆定律

磁路磁阻主要取决于磁路的尺寸和所用材料的磁导率。

由于磁性物质的磁导率μ不是常数，则由磁性物质构成的磁路具有非线性磁阻。

在使用磁路欧姆定律时，一定要考虑

磁路的非线性与线性，且不可乱用。Φ电路与磁路的类比IRU+F-R+-m设有一匝数为W的线圈处于磁场中，它所交链的磁链为ψ则不论由于什么原因，当该线圈所交链的磁链发生变化时，在线圈内就有一感应电动势产生，这种现象称为电磁感应。感应电动势的大小，和该线圈所交链的磁链变化率成正比。感应电动势的方向，是该电动势企图在线圈内产生电流所

建立的磁通用来阻止线圈中磁通的变化。如果感应电动势的正方向与磁通的正方向符合右手螺旋关系，则电磁感应定律可用下式表示：

上式又称为变压器电动势。四、法拉第电磁感应定律当导体在恒定磁场中运动时，若导体、磁力线和运动方向三者互相垂直，则导体内的感应电动势为：e

=

B.

l

.

v上式又称为直导体电动势。其方向可用右手定则确定。载流导体在磁场中将受到力的作用，这种力是磁场与电流相互作用所产生的，故称为电磁力。若磁场与导体相互垂直，则作用在导体上的电磁力为：f

=

B.

l.

i

其方向可用左手定则确定。五、电磁力定律|(的能量

,

=

|(储能增量

,

+

|(机械能,

+

|(总损耗

,系统内部总损耗（不可逆的能量转换）包括：（1）电路上铜耗：电阻损耗；（2）磁路中铁耗：包括铁芯的磁滞损耗和涡流损耗；（3）机械部分损耗：包括摩擦损耗和通风损耗。电机进行机电能量转换的关键是耦合磁场对电和机械系统的作用或反作用。(电源输入)(耦合电磁场内)

(输出的)

(机电系统内部的)电机机电能量转换计算步骤：1.按照材料及截面的不同进行分段；2.作出中心线，按照所给的尺寸计算出磁路的平均

长度

l1

、l2

、……和截面积S1

、S2

、……；3.按已知的磁通Φ,计算各段的磁感应强度

4.从各材料的平均磁化曲线上找出与Bi对应的Hi，或者当μ是常数时计算出

H5.按照磁路基尔霍夫第二定律求出所需要的结果。

§

1.4直流磁路的计算【例

1】

图示磁路是由两块铸钢铁心及它们之间的一段空气隙构成。各部分尺寸为：l0/2=0.5cm，l1

=30cm

，l2

=

12cm，A0

=

A1

=

10cm2

，

A2

=8cm2

。线圈中的电流为直流电流。今要求在空气隙处的磁感应强度达到

B0

=

1T，问需要多大的磁通势？=

0.001Wb(2)各段磁路的磁感应强度B0

=

1

T解：

(1)磁路中的磁通

l1

A1AI

I题例l0/2l22(3)各段磁路的磁场强度H0

==A/m由磁化曲线查得：H1

=9.2

A/cmH2

=

14

A/cml1

=796

000

A/m=7

960

A/cm

1

4π×10－7A1Al0/2l22

=

8404

Al1Um2

=

H2

l2

l0/2

·

=(

7960＋276＋168)A=9.2×30A=276A

· F

=

Um0＋Um2＋Um2=7

960×1

A=7

960

A(4)各段磁路的磁压降=

14×12A

=

168

AA1AUm1

=

H1

l1Um0

=

H0

l0(5)磁动势

2OI

Il2定律可得【例

2】图示磁路由硅钢制成。磁通势F1

=N1

I1

=F2

=N2

I2

，线圈的绕向及各量的方向如图所示。磁路左右对称，具体尺寸为：

A1

=

A2

=8cm2

，l1

=l2

=30cm，A3

=20cm2

，l3

=

10cm。若已知

Φ3

=0.002Wb，问两个线圈的磁动势各是多少？Φ3

-

Φ2

-

Φ1

=

0

Um1＋Um3

=

F1Um2＋Um3

=

F2已知：F1

=F2

，

l1

=l2可得：

Um1

=

Um22Φ1解：

由磁路基尔霍夫I2N2I1N1N1N2Φ3Φ2A3A

1l2l1l3A即

H1

l1

=

H2

l2H1

=

H2因此B1

=

B2Φ1

=

Φ2

由于

=

0.001Wb所以

Φ1I2N2I1N1l3A

3N2N1Φ3Φ2A

2A

1l1l2

A最

由磁化曲线查得：例3

一个闭合的均匀铁芯线圈，其匝数为300，铁芯中的磁感应强度为0.9T，磁路的平均长度为45cm，试求：⑴

铁芯材料为生铁时线圈中的电流是多少？⑵

铁芯材料为D41硅钢片时线圈中的电流是多少？解：

∵已知B=0.9T∴查B—H曲线，得不同铁芯材料的磁场强度H为生铁的H1=7000A/mD41硅钢片的H2=200A/m由基尔霍夫第二定律

Hl=IW得生铁的I

A

D41硅钢片的I

A例4

有一环形铁芯线圈，其内径

δ为10cm，外径为15cm，铁芯材料为铸钢，磁路中有一个空气隙，其长度为0.2cm，设线圈中通有1A电流，如果要得到0.9T的磁感应强度，试求线圈的匝数是多少？解：磁路的平均长度（周长）为

∵

B=0.9T∴查B—H曲线，得H1=800A/m铁芯中的磁压降

H1l1

=

800×(0.3927−

0.002)

=312.56安匝.气隙中的磁场强度H

A/m气隙中的磁压降Hδ

.δ

=7.

16×105

×0.002

=

1432安匝根据基尔霍夫第二定律，有F

=

IW

=

Σ(Hl)

=

H1l1

+

Hδ

.δ=312.56+1432=1744.56安匝线圈匝数为

取W=1745匝仿真绘制磁化曲线，用M语言编写绘制磁化曲线的MATLAB程序clcclearHdata=[38,59,67,71,77,83.5,88,97,100,112,120,...135,147,165,183,196,210,237,300,375,...410,533,600,750,900,1250,2000];%

磁场强度H值Bdata=0.2:0.05:1.50;%磁感应强度B值ydata=0:0.001:1.6;%y坐标0~1.6xdata=interp1(Bdata,Hdata,ydata,'spline');%采用样条插值的方法分析数据plot(Hdata,Bdata,'*');%用'*'描点绘制磁化曲线hold

on%保持当前坐标轴和图形plot(xdata,ydata);%绘制x

，y坐标hold

on%保持当前坐标轴和图形title('磁化曲线')%标题'磁化曲线'xlabel('{\itH}(A/m)')%x坐标标签'H(A/m)'ylabel('{\itB}(T)')%y坐标标签'B(T)'ylim([0,1.80])%y坐标标注0~1.8仿真结果如图@直流电机的用途和基本工作原理@直流电机的结构和铭牌数据@直流电机的电枢绕组@直流电机的磁势和磁场@

电枢电势、电磁转矩和电磁功率@

直流发电机@

直流电动机@直流电机的换向简介

第二章

直流电机它的基本功能是实现机电能量的相互转换。

{

——

。。将机械能转换成电能将电能转换成机械能发电机电动机机电流直§2.1直流电机的工作原理及结构一、直流电机的用途一切电机都是以电磁感应定律作为主要依据设计而成的。

二

直流电机的工作原理

发电机（右手定则）机械能→

电能电动机（左手定则）电能→机械能

NSSNnn发电机：电枢绕组中感应的交变电势，依靠换向器的换向作

用,利用静止的电刷把同一磁极下导体电势引出，变为直流电势输出。电动机：通过电刷和换向器的共同作用，使得同磁极下的导体边流过的电流方向不变，导体受力方向不变，进而产生方向恒定的电磁转矩，使电机连续转动。注意：电刷固定在空间不动，而半圆铜片与导体一起旋转。e

=

Bxlvf

=

Bx

liaxNiaas直流发电机的模型图

当转子在原动机的拖动下按逆时针方向匀速旋转时,根据电磁感应定律可知，线圈的有效边ab和cd切割磁力线，线圈中将产生感应电动势。在图1-1（a）所示时刻，用右手定则可确定电动势方向为d→c→b→a。于是对外电路来说，电刷A呈正电位，极性为“+”，电刷B呈负电位，极性为“-”。当线圈旋转180

°后，在图1-1（b）所示时刻，电动势方向为a→b→c→d。由于电刷A始终与转到N极下的有效边相接触，电刷B始终与转到S极下的有效边相接触，所以，对外电路来说，电刷A仍呈正电位，极性为“+”,电刷B仍呈负电位，极性为“-”。直流发电机的旋转由此可见，线圈中的感应电动势虽然改变方向，但电刷引出的电动势方向却始终不变，从而获得直流电动势输出。显然，只有一个线圈的直流发电机，电刷间的电动势是脉动电动势，且波动太大，不适于做直流电源使用。实际应用的直流发电机，由较多的线圈和换向片组成电枢绕组

,这样可以在很大程度上减小其脉动幅值，可以看作是恒定直流电源。直流电动势的输出直流电动机的模型图直流电动机的基本结构和直流发电机一样。图1-2为直流电动机的模型图。电刷A、B接上直流电源，

电流从电刷A流入，

由电刷B流出。在图

1-2（a）所示时刻，线圈中电流方向为a→b→c→d

,根据电磁力定律，用左手定则可确定线圈将受到逆时针方向的转矩作用。当线圈旋转180

°后，线圈有效边dc处于N极下

,

ab处于S极下，但在线圈中流过的电流方向也改变了，从d→c→b→a，所以线圈仍然受到逆时针方向的转矩作用。线圈始终保持同一旋转方向。直流电动机直流电动机的换向器由互相绝缘的换向片构成，装在轴上与电枢一同旋转，换向器又与两个固定不动的电刷A、B

相接触，这样当直流电压加于电刷时，换向器的作用使外电路的直流电流改为线圈内的交变电流，这种换向作用称为逆变，

以保证每极下导体中所流过的电流方向不变,从而使电机连续的旋转，这就是直流电动机的工作原理。

直流电动机的工作原理

实际的直流电动机，电枢圆周上均匀地嵌放许多线圈，相应地换向器由许多换向片组成，使电枢线圈所产生的总的电磁转距足够大并且比较均匀，电动机的转速也就比较均匀。

从以上分析看出：一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，电机的实际运行方式取决于外界不同的条件。

将直流电源加于电刷，输入电能，将电能转换为机械能，作电动机运行；如用原动机拖动直流电机的电枢旋转，输入机械能，将机械能转换为直流电能

,从电刷上引出直流电动势，

作发电机运行。电机的实际运行方式12n1.为什么直流电机能发出直流电？如果没有换向器，直流电机能不能发出直流电流？n

2.试判断下列情况下，电刷两端电压性质：磁极固定，电刷与电枢同时旋转：电枢固定，电刷与磁极同时旋转。

思考题n

1.答：直流由于换向器的作用，使电刷短接的元件始终切割相同磁极，感应电势在电刷两端不变，故直流机能发出直流电。如果没有换向器，直流机不能发出直流电，而只能发出交流电。n

2答：（1）电刷两端的是交流电压：n（2）电刷两端的是直流电压。两电刷间的直流电动势。⒉虽然电枢线圈是旋转的且电枢线圈中的电流是交变的，但从空间上看，N极与S极下的电枢电流的方向是不变的。因此，由电枢电流所产生的磁场从空间上看也是一个恒定不变的磁场。⒊电枢线圈中的感应电动势与其电流的方向始终一致。⒋当接上负载时，电枢绕组中就有电流，此电流与磁场相互作用产生电磁力，该电磁力使转轴受到一个力矩，

称之为电磁转矩，其方向是与转子的转向相反的，是

制动性质。.⒈在电枢线圈内的感应电动势及电流都是交流的。通过换向片及电刷的整流作用才变成从外部看的直流发电机结论：⒉虽然电枢线圈是旋转的且电枢线圈中的电流是交变的，但从空间上看，由电枢电流所产生的磁场仍是一个恒定不变的磁场。⒊当电枢旋转时，电枢导体切割磁力线也会感应电动势。其方向与电枢电流的方向始终相反，故称之为反电势。⒋转子是在电磁转矩的作用下才能旋转，所以电磁转矩的方向是与转子的转向一致，是驱动性质的。此时，电动机从电源输入电能，通过电磁感应转换成机械能从轴上输出而带动生产机械转动.。⒈虽然外施电压及电流都是直流，但在电枢绕组内部，

电枢电流和电枢电动势都是交流。这是通过换向片

及电刷的逆变作用，将外部直流变成内部的交流。

直流电动机结论：对于同一台电机，在不同的外部条件下，即可作发电机运行，也可作电动机运行原理，称为电机的可逆原理。电机的可逆原理，是电机理论中的普遍原理。它不仅适用于直流电机，而且也适用于交流电机。电机的可逆原理直流电机的仿真模型测试1、直流电机的主要结构部件

主磁极

换向极转子

电枢绕组产生感应电势

换向器定子{

______________________

电枢铁心机电流

机座直

电刷装置气隙——耦合磁场三、

直流电机的结构起机械支撑，产生磁场的作用产生电磁转矩、部件名称作用材料主磁极励磁绕组通入直流，建立气隙磁场1~1.5mm低碳钢片叠制，降低涡流损耗换向极改善换向整块钢或1~1.

5mm钢片叠制机座机械支撑并构成磁回路铸钢（小电机）

，厚钢板焊接（大中型电机）电枢铁心构成磁路、嵌放电枢绕组0.35~0概述.5mm硅钢片叠制，降低涡流损耗电枢绕组感应电势，承载电流，产生转矩圆截面铜线或扁导线、空心导线换向器与电刷配合，用机械换接的方法引入（出）直流电势铜换向片和片间绝缘云母构成换向片电刷装置与换向器配合，实现直流量和交流量之间的转换石墨碳刷n额定容量

PN

(w或kw)；直流电机的输出功率n

额定电压

UN

(V)n

额定电流

IN

(A)n

额定转速

nN

(r/min)n励磁方式和额定励磁电流IfN

(A)额定值：

指电机正常运行时各物理量的数值。此时亦称电机满载运行。否则为欠载或过载直流电动机

PN

=

ηN

I

N

U直流发电机

PN

=

IN

U

N§

2.2直流电机的铭牌数据和额定值N§2.3直流电机的电枢绕组一、有关技术名词1.

极轴线它是将主磁极平分左右两部分的直线。3.

几何中线

n—n它是在相邻两极轴线之间，并且与这两极轴线等距离的直线。2.

极距τ它是相邻两主磁极极轴线之间的距离。n

τ

极轴线

n.空间一周的几何角度恒等于360°;空间一周的电角度与磁极对数p有关，即为p×360°。5.

绕组元件绕组元件简称元件，又称为线圈。它有两个平行边为有效边，是放在电枢槽中，切割磁通用。绕组元件可以是单匝，也可以是多匝。4.

电角度定义在空间相邻两主磁极之间的角度恒为180°电角度。注.意：电角度与几何角度的区别：单匝多匝一个电枢槽分为上下两层。将一个线圈的两个边分别放在电枢槽的上层和下层而形成的绕组称为双层绕组。8.

实槽与虚槽一个电枢槽的上下两层共放2个元件边称为实槽。一个电枢槽的上下两层可以放4

、6

、8

、…个元件边称为虚槽。6.

绕组所有线圈（元件）按一定规律连接起来就构成绕组。

7.双层绕组实槽

虚槽

虚槽9.第一节距y1它是同一元件的第一元件边(上层边)和第二元件边(下层边)在电枢表面所跨的距离。单位：虚槽数。y1选取的原则为：应使元件产生最大电动势。故

y1=τ。

而y

整数如果y=c,

则称为整距绕组;如果y1

<

τ,

则称为短距绕组；如果y

>

τ,则称为长距绕组。1距离。单位：虚槽数。11.合成节距y它是第一元件的第一元件边（上层边）与紧相串联的第二元件的第一元件边（上层边）在电枢表面所跨的距离。单位：虚槽数。12.换向器节距yk它是同一元件的首端和末端在换向器表面上的跨距，以所跨换向片数表示。10.第二节距y2它是第一元件的第二元件边（下层边）与紧相串联的第二元件的第一元件边（上层边）在电枢表面所跨的二、单叠绕组1.特点

适合于大电流的电机

单叠绕组是一个线圈压住另一个线圈的一大半。换向器节距等于合成节距，且恒为1。即

yk=y=

12.

展开图设一电机

Zi=16

，2p=4则y

槽

(1

−

−5下线)线圈是通过换向片串联起来的，使整个单迭绕组在电枢上形成一个

闭合电路。注意：换向片本身是互不相通的。换向片

上层边

下层边

1

1

5′

16

3

4

15

1

2

将展开图简化表示为3′4′5′6′7′8′234

15

16

19n

a)电枢绕组形成一个闭合回路，绕组产生的电动势要靠电刷引出（入）nb)电刷放在换向器上的位置是根据电机空载时，在正、负电刷之间获得最大电动势为原则。n

c)电刷与感应电动势为零的元件边连接的换向片接触，否则不能保证b)的要求，并且如果感应电动势不为零的话，还会产生短路电流。nd)

只要元件轴线与主磁极轴线重合，元件中的电动势就是零。电刷放置：n

e)

电刷必须放在换向器的几何中性线上。n元件端接对称时，主磁极轴线、元件轴线、换向器的几何中性线重合n元件端接不对称时，主磁极轴线、元件轴线重合，但与换向器的几何中性线不重合，

电刷必须放在换向器的几何中性线上。注意：它与电枢上的几何中性线无关。n

f)叠绕组的电刷数=极数n

g)

根据电路图，将同极性端接在一起，得电枢电动势。电刷放置：

每个磁极下，元件电势串成一路，有几个磁极就有几路。⑵.

电刷数等于电机的主磁极数，即2b=

2p缺少一个电刷，电枢绕组将不能正常工作。⑶.

电枢电势Ea等于支路电势es

，即Ea=es⑷.

电枢电流Ia等于极数与支路电流ia

的乘积，即Ia=2a×ia=2p

×

ia⑴.并联支路数等于电机的主磁极数，即3.基本性质2a=

2py=

yk

；

y1+y2=y2.

展开图

一般地，y1取3

，

若y1取4，则浪费材料和有效电势。今取

y1=4（1----5下线）换向器节

槽槽1.单波绕组的节距

三、单波绕组

适合于小电流高电压的电机

K

1

两个绕组紧相串联后形似波浪，故称之为“波”绕组。

Zi

y换向片数将展开图简化表示为换向片

上层边

下层边

换向片

上层边

下层边1

4

4

3

3

2

2

12

11

10

15

15

4′

7

7

11′

8

12′

6

10′9′8′7′6′5′1′15′14′

13

14

9

1

1

5

1211

131

108

14913′2′3′5′56它也是一个闭合回路。

将所有N极下的元件串联起来；将所有S极下的元件串联起来。电刷位置：电刷也应安装在极轴线处，且固定在空间不动。3.基本性质⑴.

电枢绕组的并联支路数：不论主磁极数目是多少，单波绕组的并联支路数恒等于

2。2a=

2⑵.

电刷数目：一般地，2b=2p（即全额电刷）.单波绕组的特点：电磁转矩的前提下，所消耗的有效材料（包括导线和绝缘）最省；强度（机械、电气和热的强度）高；运行可靠；结构简单；下线方便等。2.要根据电机额定电压或电流要求选择绕组形式。

（叠--大电流，波--高电压）3.

电枢绕组本身一定是交流的。4.不管是什么绕组，均构成一个闭合回路。.5.全额电刷，且位于极轴线处。四、电枢绕组小结

⒈

在能通过规定的电流和产生足够大的感应电动势及总元件数单叠绕组单波绕组SS极数2p2p并联支路数2p2每条支路中的元件数

电压EaEa电流2pIa2Ia电阻

R

R6.单叠绕组与单波绕组比较：高压、小电流电机容量为几十千瓦以下低压、大电流电机容量为几百千瓦适用范围例：今有S=100个线圈（元件），每个线圈的平均电势eav=10V，每个线圈的电阻

r=0.01Ω

,

每个线圈的电流ia=10A

，电机

的主磁极数2p=4

，试分别求出单迭绕组和单波绕组的电枢电势Ea=？电枢电流Ia=？总电阻R=？解：对于单迭绕组

Ia

=

2p×ia

=

4

×10

=

40A

例题对于单波绕组

Ia

=

2

×ia

=

2

×10

=

20A

a

a

3.

串励

Ia=I4.

复励

由两套励磁绕组组成。一套为并励绕组，另一套为串励绕组。两个励磁绕组的磁势相加，称为积复励；两个励磁绕组的磁势相减，称为差复励。一个励磁绕组与电枢的连接是先并联，称为短复励；一个励磁绕组与电枢的连接是先串联，称为长复励.。§2.4直流电机的磁势和磁场一、直流电机的励磁方式主磁极是用来建立磁场的。

这个磁场是由励磁绕组产生的。按励磁绕组与电枢绕组连接关系的不同，励磁方式分为1.他励

U与Uf

相互独立。

Ia=I2.

并励

U

=

U

=

Uf

I

=

I+If

线路电流(a)

(b)

(c)(d

)(a)他励

(b)

并励

(c)

串励

(d)

复励长复励I

IIa

Ia

Ia

I

Ia

I

If

If

UfUUUUIf④电枢磁轭⑤定子磁轭以四极直流电机空载磁场为例54二、直流电机的空载磁场当只有励磁绕组中有电流，而其他绕组中均无电流时的磁场称为空载磁场。电机的磁路{③电枢齿1.

电机的磁化曲线②空气气隙①主磁磁极21每个主磁极的磁势为Ff=IfWf=Hδδ+Htlt+Hala+Hmlm+Hjlj

Ff

≈

H

气隙磁化曲线

2

Ff

=

2

H

δ

.

δ

+

2

H

t

.

ht

+

2

H

m

.

hm

+

主磁极

由全电流定律，得每对磁极的励

Hk

.

lk+

2

H

j

.

h

j

+

2

H

a

.

ha

电枢齿

定子磁轭1).不计电枢齿的影响，在磁

极中心部分气隙小而均匀，

所以磁阻小，磁密较高。2).在极靴范围以外，气隙长度显著增加，因此磁阻增大，磁通密度迅速下降。3).在两极之间的几何中心线处

，磁密下降为零。δτBδ0

x空载时的气隙磁场分布(不计电枢影响)气隙中的小，即励磁磁

势全部消耗在气隙上。2).随铁磁材料的饱和，铁磁材料中所消耗的磁势迅速增长，磁化曲线开始弯曲，渐呈饱和状。磁化曲线与气隙线之间的

横向线段表示在产生一定的磁感应强度时铁心部分所消耗的磁势。1).磁场强度较小时磁路中铁磁材料没有饱和，铁内磁阻及磁压降均较If

0

(A)空载磁化特性

Ff

0

(

A

/

pole)

Bδ

(Wb/

m2

)膝点负载磁场

{设主极磁场为垂直方向，且为均匀磁场；则电枢磁场为水平方向。两个磁场共同作用形成合成磁场。它不是均匀磁场。电枢磁势Fa对主极磁势Ff

的影响称为电枢反应.。场场磁磁枢极电主生生产产流流电电枢磁电励

，

。

，而且电枢绕组中也有电流的流励称为负载磁场磁绕组中有电磁场不仅三、直流电机负载时的磁场及电枢反应S电枢磁场分布N

中性线几何B＝0SN.iaWy−τ/

2

τ

/

2三个元件的电枢磁势2

a

y×12×××.

.

.

i

W1.

电枢磁势和电枢磁场一个元件所消耗于气隙的电枢磁势电枢xx3

负载时电枢磁场对主磁场的影响称为电枢反应,电枢反应对直流电机的运行性能有很大的影响。电枢反应小结：电枢磁场的特点：①.

电枢磁势Fa与主极磁势Ff互相垂直；

②.

电枢表面各点的电枢磁势Fa不等；

在几何中性线处电枢磁势Fa最大，

在极轴线处电枢磁势等于零，即Fa=0。③.

电枢磁密Bax在几何中性线处的值不为零。

2.合成磁场及交轴电枢反应电枢磁场对主极磁场的影响称为交轴电枢反应。交轴电枢反应产生的结果：①

波形发生畸变，产生峰值；②

在几何中性线处，Ba+Bδ≠0；③

每极磁通下降。考虑饱和时，由于交轴电枢反应的作用，对被削弱的一半磁场影响不大，而被加强的另一半的磁场出现了饱和的情况.

电枢磁势Fa

{直轴电枢磁势Fad与主极磁势Ff

同方向时起增磁作用，

直轴电枢磁势Fad与主极磁势Ff反方向时起去磁作用。

对于发电机若电刷顺转向移，则直轴电枢磁势对主极磁势起去磁作用，若电刷逆转向移，则直轴电枢磁势对主极磁势起助磁作用。对于电动机若电刷顺转向移，则直轴电枢磁势对主极磁势起助磁作用，若电刷逆转向移，则直轴电枢磁势对主极磁势起去磁作用.。——势势磁磁的的行直平垂相相势势磁磁极极主主与与adaq直轴电枢磁势F交轴电枢磁势F3.直轴电枢反应Fa

FadFaq带负载磁场分布几何

物理中性线中性线N

S1.在有换向极的直流电机中，电刷总是严

格地放在几何中心线上，一般不出现直轴电枢反应。2.为了补偿交轴电枢反应的去磁效应，在电机主磁极上加一个串联绕阻(稳定绕组)，其中流过电流，所产生的磁通刚好补偿电枢反应的去磁效应。直流电机负载运行时，电枢反应引起每极磁

通变化，这将影响电机性能，采取以下措施：§2.5电枢电势

电磁转矩和电磁功率一、电枢电势

Armature

electromotive

force直流电机中的电枢电势是指正、负电刷之间

平均值为Bav，电枢表面的线速度为v，导体在磁场中的轴向长度为

l，则每根导体的感应电动势的平均值eav为路上感应电势之和。设导体在电枢表面均匀分布，气隙磁密的的电枢绕组感应电势的总和，也就是每条支那么一条支路的总电动势，即电枢电势Ea为电势常数

注：以上分析假设所有元件都是整距。若为短距，则总电枢电势要小些，但这种影响很小，可忽略。若电枢总导体数为N，并联支路数为2a，则每条支路中串联导体数为N/2a，

电枢表面共有N根导体，且ia=Ia/2a

则总的电磁转矩M为M

=

N

.

mav

=N

Ia

=

Cm

ΦIa转矩常数则每根导体所受到的平均电磁力fav为fav=Bav

lia产生的平均电磁转矩mav为设电枢电流为Ia，流过每根导体的电流为ia，并联支路数为2a，二、电磁转矩

Electromagnetic

torqueτ=兀Da/2p

截面积S=τl电枢直径D

a

=

2

pτ

/

兀由Ce

和Cm

知电势常数和转矩常数都决定于电机的结构数据。不变的常数，且两者之间有一固定的关系，即：

兀三、电磁功率在电磁感应作用下，由电能转换为机械能，或由机械能转换为电能的这部分功率称为电磁功率。常用PM表示。PM

=

Ea

Ia

=

Ce

Φn

.

Ia

=

Φn

.

Ia

=

Φ

Ia2兀60Ω=

ΦIa

.

Ω

=

Cm

ΦIa

.

Ω

=

MΩ

它体现了能量的互相转换作用。2兀apN

对于一台已制成的电机，电势常数和转矩常数都是恒定

机械角速度 a

m

a 一、直流电动机稳态运行时的基本方程和功率关系⒈

电动机惯例⒉

基本方程（并励）UIa=EaIa+Ia2Ra

而

MΩ=M2Ω+M0ΩP1=UI=U(If+Ia)=UIf

+(Ea

+IaRa

+2uc)Ia

=

pcuf

+pcua

+

pc

+

Pem§2.6

直流电动机Pem=P2+p0

其中P2

为输出的机械功率M=M2+M0⒊

功率关系U=Ea+IaRaI

=I

+IfU=UfIf

=Uf

/

RfEa=CeΦnM=C

ΦIΦ=f(If，Ia) 当U=UN

,If=IfN时，η=f(Ia)的关系曲线

4.效率特性①.转速特性

n=

f

(Ia)理

载

转速想空n=f

(P2)

，M=

f

(P2)

，η=f

(P2)，Θ

Ia

∞

P2:工作特性常用n=f(Ia

)，M=f(Ia

)，η=

f(Ia

)表示。二、他励