陕西师范大学《电机学》课件-第1章电机导论

第1章电机导论电机的基本概念电机的分类电机中使用的材料磁路基本定律及其计算方法磁路基本定律自感和互感磁路计算方法概述电机的地位和作用电机的发展史涡流与涡流损耗铁耗铁磁材料特性铁磁材料的磁导率磁滞与磁滞损耗磁化曲线电机中的基本电磁定律全电流定律电磁感应定律电磁力定律陕西师范大学《电机学》1.1概述1.电机的基本概念广义：电机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。狭义：电机是依据电磁感应定律和电磁力定律，由电路和磁路构成的能实现机电能量转换或信号传递与转换的装置。e=Blvf=Bli机械能电能电路磁路1.1概述2.电机的分类按运动方式分类按功能分类电机电机1.1概述3.电机中使用的材料导电材料：铜线。构成电路。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。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。电机常用绝缘材料按性能划分为A、E、B、F、H、C等6个等级。如B级绝缘材料可在130℃下长期使用，超过130℃则很快老化，但H级绝缘材料允许在180℃下长期使用。1.1.1电机的作用

能源系统的关键设备电能——电机；发电——输电——用电

各领域中有特殊要求的动力装置一、发电环节——各种电机

我国消化引进技术制造的600MW汽轮发电机现场安装的国产300MW汽轮发电机国产200MW汽轮发电机定子国产200MW汽轮发电机定子铁心现场运行的水轮发电机二、输配电环节——变压器电厂运行中的变压器连接发电机与电网的升压变压器提供厂用电的干式变压器从电厂到用户的输配电环节的变压器20kV/500kV500kV/110kV110kV/35kV35kV/10kV10kV/380V

为了把发电厂发出的电力输送到四面八方的用户，需要将发电机输出的2万伏左右的电压升高。在我国，一般升高到22万伏，或50万伏。为了输送一定大小的功率、采用高电压。三、用电环节——电动机1）各行业广泛使用电动机（能耗60%）2）在高新技术领域的新应用信息技术（雷达驱动）航天航空航海生物医学工程（多种医疗设备）。。。。。。1.1.2电机发展历程及当前状况1、历程1833发明直流电机，1885发明异步电动机，1889出现三相系统下图是至今保留在美国麻省理工学院的由爱迪逊发明的一种直流电动机2、我国目前实际应用情况汽轮发电机：消化引进，设计60万kW70万千瓦水轮发电机,三峡电站

50万伏输电线路以及相应的变压器

50万伏直流输电，西电东送运行中

40万kW燃气轮机联合循环机组引进建设

60万kW核电机组各种电动汽车。。。。。。本课程的特点及学习方法电机及拖动是一门理论性很强的技术基础课，同时又具有专业课的性质，涉及的基础理论和实际知识面广，是电磁学、动力学、热力学等学科知识的综合。用理论分析电机及拖动的实际问题时，必须结合电机的具体结构，采用工程观点和分析方法。掌握基本理论的同时，还要注意培养实验操作技能和计算方法。为了学好本门课程，必须做到以下几点：1、抓主要矛盾，有条件地略去一些次要因素；2、抓住重点，牢固掌握基本概念、基本原理和主要特性；3、要有良好的学习方法，运用对比或比较的方法，分析电机的共性和特点，加深对原理和性能的理解；4、理论联系实际，重视科学实验和工程实践；5、充分预习和复习。

1.2铁磁材料特性1.铁磁材料的磁导率磁导率的定义μ=B/H

非铁磁材料的磁导率

μ≈μ0=4π×10-7

H/m

为常数铁磁材料的磁导率μFe

μFe>>μ0（数百至数千倍，2000~6000）

μFe为非常数，随B的变化而变化存在磁饱和现象：当铁磁材料中的B达到一定的程度后，随着H的增加，B的增加逐渐变慢，因此μFe随着H的增加而减小。1.2铁磁材料特性2.磁化曲线在外磁场H作用下，磁感应强度B将发生变化，二者之间的关系曲线称为磁化曲线，记为B=f(H)。相应地，还可以描绘磁导率与磁场强度的关系曲线，记为μ=f(H),叫做磁导率曲线。铁磁材料的基本磁化曲线如图所示。（详细）1.2铁磁材料特性3.磁滞与磁滞损耗磁滞：被极化了的铁磁材料在外磁场撤除后，磁畴的排列将不可能完全恢复到原始状态，即初始随机排列不复存在，对外也就会显示出磁性。铁磁材料中这种B的变化滞后于H的变化的现象被称为磁滞。磁滞回线：铁磁材料的交变(循环)磁化过程。磁滞回线表明，上升磁化曲线与下降磁化曲线不重合，或者说，铁磁材料的磁化过程是不可逆的。不同铁磁材料有不同的磁滞回线，且同一铁磁材料，Bm愈大，磁滞回线所包围的面积也愈大。1.2铁磁材料特性3.磁滞与磁滞损耗软磁材料：磁滞回线很窄的铁磁材料叫软磁材料，在电机中常用的有硅钢片、铸铁、铸钢等等。硬磁材料：磁滞回线很宽的铁磁材料，通常称为硬磁材料或叫永磁材料。电机中常用的永磁材料有铁氧体、稀土钴、钕铁硼等。基本磁化曲线：用不同的Bm值可测出不同的磁滞回线，而将所有磁滞回线在第Ⅰ象限内的顶点连接起来得到的磁化曲线就叫做基本磁化曲线或平均磁化曲线。1.2铁磁材料特性3.磁滞与磁滞损耗磁滞损耗：铁磁材料在交变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。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V成正比。由于硅钢片的磁滞回线面积很小，而且导磁性能好，可有效减少铁心体积。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。1.2铁磁材料特性4.涡流与涡流损耗涡流：铁磁材料在交变磁场将有围绕磁通呈涡旋状的感应电动势和电流产生，简称涡流。涡流损耗：涡流在其流通路径上的等效电阻中产生的I2R损耗称为涡流损耗。涡流损耗与磁场交变频率f、厚度d和最大磁感应强度Bm的平方成正比，与材料的电阻率ρ成反比。要减少涡流损耗，首先应减小厚度，其次是增加涡流回路中的电阻。电工钢片中加入适量的硅，制成硅钢片，显著提高电阻率。1.2铁磁材料特性5.铁耗铁耗：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起来计算，并统称为铁心损耗，简称铁耗。铁耗∝fβBm2。其中1.2＜β＜1.6，β与材料性质有关。注意：铁心损耗是相对于交变磁场作用于铁磁材料而言，即对于恒定磁场无铁损。

铁磁材料的磁化特性与铁心磁路磁化曲线的关系

均匀磁路

B-H曲线Φ-i曲线：Φ＝BA及Ni=HL

1：铁磁材料的磁化曲线2：空气的磁化曲线3、4：带气隙的铁心磁路的磁化曲线

(δ3<δ4)1.3电机中的基本电磁定律1.3.1全电流定律全电流定律（安培环路定律）：磁场强度沿任意的闭合路径的线积分等于闭合路径包围的导体电流的代数和。电流是产生磁场的源。

图螺管线圈δ图带气隙的铁心磁路

δ注意：

1、电流的符号由右手螺旋法则确定；即当电流方向与积分路径方向呈右手螺旋关系时，该电流为正，反之为负。

2、积分与路径无关，只与路径内包含的导体的电流的大小和方向有关；

3、该定律是电机和变压器磁路计算的基础。1.3电机中的基本电磁定律1.3.2电磁感应定律匝数为N的线圈置于磁场中，与线圈交链的磁链为Ψ，只要Ψ发生了变化，线圈内就会感应出电动势。感应电动势倾向于在线圈内产生电流，以阻止Ψ的变化。当电动势的正方向与磁通方向符合右手螺旋法则，则楞次定律1.3电机中的基本电磁定律1.3.3电磁力定律磁场对电流的作用是磁场的基本特征之一。对于长直载流导体，若磁场与之垂直，则计算电磁力大小的公式为F=Bli。这就是通常所说的电磁力定律，也叫毕奥--萨伐电磁力定律。式中电磁力F、磁场B和载流导体l的关系由左手定则确定。普通电机中，l通常沿轴线方向，而B沿径向方向。由电磁力产生的转矩。设转子半径为r,单根导体产生的电磁转矩就是：Ts=Fr=Blir

对N匝线圈：Tc=Nlir(B1-B2)

期望最大电磁转矩：

M：总线圈个数，D为转子直径电磁转矩还可表示为：P：电机的电磁功率；Ω：电机气隙磁场旋转角速度1.3.4电磁转矩1.4磁路基本定律及其计算方法1.磁路基本定律磁路：与电路相仿，将磁通比拟为电流，则磁路是磁通行经的路径。（详细说明）磁路计算的任务：确定磁动势、磁通和磁路结构的关系。磁路欧姆定律

（推导）磁动势F=Ni磁阻

Rm=l/μAl为磁路的长度，A为铁心截面积磁路欧姆定律：

Φ=F/Rm磁路欧姆定律表明：磁动势F愈大，所激发的磁通量Φ会愈大；磁阻Rm愈大，则可产生的磁通量Φ会愈小。（磁阻Rm与磁导率μ成反比，μFe>>μ0

，表明Rmo>>RmFe,故分析中可忽略Φσ）1.4磁路基本定律及其计算方法1.磁路基本定律磁路基尔霍夫第一定律

ΣΦ=0

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通量。图示的有分支磁路：

Φ1+Φ2=Φ31.4磁路基本定律及其计算方法1.磁路基本定律磁路基氏第二定律

任一闭合磁路上磁动势的代数和恒等于磁压降的代数和。回路①：H1l1+H3l3=N1i1回路②：-H2l2-H3l3=-N2i2回路③：H1l1-H2l2=N1i1-N2i2ΣF=ΣNi=ΣHl=ΣΦRm补充：磁路中的铁心1)铁心的增磁作用结论：铁心具有增磁功能

2)串联磁路中的气隙降低铁心的增磁功能结论：在激磁磁势相同的情况下，带气隙铁心磁路只能得到较少的磁通。

3)铁心磁路使磁通在空间按一定的形状分布变压器：两个线圈交链的磁通过铁心得以增强

电机：铁心使定、转子之间的耦合场得以增强，并可以使定子内圆表面的磁感应强度按一定规律在圆周上分布

1.4磁路基本定律及其计算方法1.磁路基本定律磁路与电路的比较磁路电路磁通Φ电流i磁动势F电动势e磁阻Rm电阻R磁压降Hl电压降u磁导Λm电导G欧姆定律Φ

=F/Rm欧姆定律i=u/R基氏第一定律ΣΦ=0基氏第一定律Σi=0基氏第二定律ΣF=ΣHl=ΣΦR基氏第二定律Σe=Σu=ΣiR1.4磁路基本定律及其计算方法2.磁路计算方法给定磁通Φ求磁动势F。给定磁动势F求磁通Φ。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，一般要用迭代法确定，编程由计算机完成。1.4磁路基本定律及其计算方法3.