电机学课件 01电机学－概论

1、电机学主讲教师：许伯强Itsmygreatpleasuretostudy ElectricMachinery.Togetherwithofyou.主讲教师：许伯强之简介主讲教师：许伯强之简介主讲教师：许伯强之简介主讲教师：许伯强之简介分别于1994年、1997年、2003年在华北电力大学获工学学士、硕士、博士学位。2003年2005年在清华大学从事博士后研究工作。1997年任教于华北电力大学电机教研室。2004年晋升副教授。科研领域：异步电动机状态监测与故障诊断异步电动机初发故障在线检测仪Motor Incipient Failure On-lineDetector MIFODor觅方达联系方

2、式：电话752210613931369357 HYPERLINK mailto: 电子信箱概论电机的作用及主要类型概论电机的作用及主要类型0-1概论电机的作用及主要类型概论电机的作用及主要类型0-1最主要的能源，并对人类文明的发展起到重要推动作用。是国民经济各行各业中的关键性设备，并且与我们的日常生活密切相关。我们学习、理解、掌握电机的原理、特性，非常必要。间相互转换的机械。 电机表示发电机运行表示电动机运行电系统 图电机能量转换示意图电机的分类按电流形式分类直流电机（Directcurrentmachine）电机输入或输出的能量为直流电能。交流电机（Alternatingcurrentmac

3、hine）电机输入或输出的能量为交流电能。主要包括：变压器（Transformer）交流电机同步电机(Synchronous machine)异步电机(Asynchronous machine)电机的分类按用途分类将某一等级的交流电压与电流转变成另一等级的交流电压与电流的静止电器。发电机（Generator）将机械能转换成电能的机。电动机（Motor）将电能转换成机械能的旋转电机。控制电机（Controlling machine）主要用途是为了执行如测速电机、光驱马达、机器人关节电机。变压器直流发电机直流电动机直流电机电机同步电机同步电机交流电机 同步发电机 同步电动机 异步发电机异步电机异步

4、电动机注：发电机和电动机是同一电机的两种不同运行方式，其基本原理是一致的。力系统全部负荷中，所占比例超过60%。概论概论概论电机中所用材料和铁磁材料的特性概论电机中所用材料和铁磁材料的特性0-2电机研究领域的新进展超导、纳米等新材料技术的飞速发展，电机研究领域也取得诸多卓越成果。高性能的新型电机不断涌现。开关磁阻电机、（超）电机、（超）大容量发电机。高性能的异步电动机调速系统，变频调速、串级调速。电机状态监测与故障诊断。在线监测电机相关运行参数（如电压、电流、磁通、转速、温度、振动、噪声、局部放电），并采用适当方法评估电机当前运行状态；若处于故障状态，则确定故障类型、发生部位、严重程度及发展趋

5、势。电机是一种以磁场为媒介，按照电磁感应原理实现能量转 换的换能机械，所以在电机中必须具有引导磁通的铁心磁路和 引导电流的良导体电路。为了把带电部分分隔开以构成电路， 带电导体之间及导体与铁心之间还应有绝缘物质。电机在运行 中要产生热量，为了保证电机在允许温度下正常运行，必须有 但却是构成电机整体所必须的结构部分。概论电机中所用材料和铁磁材料的特性概论电机中所用材料和铁磁材料的特性0-2概论电机中所用材料和铁磁材料的特性概论电机中所用材料和铁磁材料的特性0-2电机主要由以下五部分材料构成导电材料：用来构成电路。为了减少电阻损耗，电机线圈常用 紫铜线和铝线制成。导磁材料：用来构成磁路。为了增加磁

6、路的导磁性能，使在一定的励磁电流下产生较强的主磁场，电机主磁路一般采用导磁性能较高和铁心损耗较小的硅钢片制成；在直流单向磁路且兼作结构支撑的部分，常采用导磁性能较高的钢板或铸钢制成。绝缘材料：要求介电强度高，耐热性能好。常用的绝缘材料有 A、E、B、F、H、C等级。冷却材料：用来冷却电机和变压器，要求热容量和导热能力大。常用气体冷却材料（如氢气、空气等）和液体冷却材料（如油、水等）两类。结构材料：主要要求机械强度好。常用的结构材料有铸铁、铸钢和钢板。一、磁导率很大物质按磁性能分，可分为：顺磁性物质磁导率略大于真空磁导率0，如铝、铬、锰、氧等。抗磁性物质磁导率略小0 ，如铜、银、铅、铋、氢等。

7、铁磁性物质磁导率fe 00 4 107 H / m (2000 6000)0在工程计算中，除了铁磁物质外，其余物质的磁导率都认为与真空的磁导率相同。一、磁导率很大铁磁性物质的磁导率很大的原因：NS(a) 未被磁化(b) 稍微磁化(c) 完全磁饱和 2铁磁物质磁化的磁畴理论铁磁物质的特性二、磁通密度B与磁场强度H呈饱和曲线关系磁通密度（magnetic flux density）B与磁场强度（magnetic filed strength）H的关系曲线称为磁化曲线（magnetization curve）。0BB0BB0cba0H0BfeH非铁磁物质(b)铁磁物质0-3磁化曲线和磁导率曲线铁磁物

8、质的特性二、磁通密度B与磁场强度H呈饱和曲线关系对于铁磁材料，开始磁化时fe最大值以后又减小下来。愈饱和，磁导率愈小。为了充分利用铁磁材料，并使磁路具有较高的fe值，使磁把B值选择在b点（称为膝点）附近。铁磁物质的特性磁滞回线：磁化曲线可以用实验测取。在实验中，当H由零上升到某个最大值Hm后再逐渐减小，过零后继续反向磁化，直到磁场强度为-Hm，之后又磁化到Hm，如图0-4所示。该闭合曲线称为铁磁材料的磁滞回线。注：不同的铁磁材料有不同的磁滞回线形状。对于同一铁磁材料，Hm愈大，则磁滞回线的面积愈大。HcBbBbBrBm-Hmc0HmH铁磁物质的特性三、存在磁滞现象基本概念：磁滞：从磁滞回线可以

9、看出，上升磁化曲线与下降磁化曲线不重合。下降时，B的变化总是滞后于H的变化，当H下降到零时，B没有下降到零而是下降到某一数值Br，这种现象称为磁滞。Br称为剩余磁通密度；对应于B=0的磁场强度Hc称为矫顽力。HBbBbBrBm-Hmc0Hm图0-4铁磁材料的磁滞回线平均磁化曲线：同一铁磁材料在不同的Hm值下有不同的磁滞回线，因此按不同的Hm值可测出许多不同磁滞回线，把所有磁滞回线的顶点连接起来，所得到的磁化曲线称为铁磁材料的基本磁化曲线或平均磁化曲线。 工程上所用的磁化曲线就是这种曲线。铁磁物质的特性形成磁滞现象和剩余磁通密度，即剩磁的原因：磁滞现象的产生是由于铁磁材料中的磁畴在外磁场作用下，

10、发生扩大和倒转时，彼此之间产生“摩擦”，由于这种“摩擦”的存在，当外磁场停止作用后，与外磁场排列方向一致的部分磁畴被保留下来，不能恢复原状，因此形成了磁滞现象和剩磁。铁磁物质的特性四、存在磁滞损耗和涡流损耗磁滞损耗：若把铁磁材料放在交变磁场中，它将按照磁滞回线规律反复变化，在反复磁化过程中，由于磁畴不停地转动，互相“摩擦”，要消耗能量， 因此导致损耗，称为磁滞损耗。m单位重量的磁滞损耗为：ph=hfBW/kg经验公式m式中：h称为斯坦梅茨系数或磁滞损耗系数，它取决于材料的性质。 称为斯坦梅茨指数。对于常用硅钢片，当Bm1.01.6Wb/m2时，2注：由于硅钢片的磁滞回线面积较小，因而磁滞损耗较

11、小，所以电机铁心一般采用硅钢片叠成。铁磁物质的特性涡流四、磁滞损耗和涡流损耗涡流涡流损耗：当铁心中的磁通发生变化时，根据电磁感应定律，铁心内将产生漩涡状的涡流，如图0-5所示。涡流在铁心中引起的损耗称为涡流损耗。单位重量的涡流损耗为：pe=ef2B2mW/kg 式中：e称为涡流损耗系数，它和硅钢片材料性 质及厚度有关。铁磁物质的特性四、磁滞损耗和涡流损耗铁耗：为简便起见，在电机中，通常把磁滞损耗和涡流损耗合在一起， 统称为铁耗。单位重量的铁耗为：p=pe+ph =hefB2mW/kg对于某一频率和Bm时，单位重量的铁耗为：p=p1/50(f/50)B2mW/kgp1/50称为铁耗系数或比损耗，

12、是在Bm1Wb/m2,f=50Hz时1kg铁磁材料的铁耗。 介于一次和二次方之间。对于硅钢片，1.21.6。电机和变压器的总铁耗为：pfep.Gfe式中：Gfe 为铁心重量，kg。概论研究电机常用的电磁定律概论研究电机常用的电磁定律0-3概论研究电机常用的电磁定律概论研究电机常用的电磁定律0-3电路定律i 0基尔霍夫第二定律u e 0 ZU 注：电压降方向指电压降落方向；电动势方向指电动势升高方向。电路定律IU RZ式中：ZRjX为电路的复阻抗，X为电抗，则：0-7I UR z U z 或 R R 2X2R 2X2z zIIR tg 1XR图0-8相量图关于相量图主要用以反映各个物理量之间的相

13、位关系而非数值关系， 不必苛求准确，但需合理。回顾、熟悉复平面、相量及其加法、乘法的几何概念。角度规定正方向：逆时针方向。磁路定律 02a31S2a31S根据磁通连续性原理，如图0-9，对节点a作一闭合面，则123，0当规定磁通流出闭合面为正时，则流入闭合面为负。图0-9基尔霍夫磁路第一定律磁路定律I1I1I2I3ldl设空间有多根载流导体，如图0-10，导体中电流分别为I1，I2，I3，则磁场强度沿任意闭合回路的线积分等于该闭合回路所包围的导体电流的代数和（简称全电流），即l I若电流与积分路径方向符合右手螺旋关系，则电流取正，反之为负。若在一磁路上绕上几个线圈，各线圈中有电流通过，则根据全电流定律图0-10全电流定律l wI磁路定律磁路基尔霍夫第二定律如图0-11磁路上绕了两个线圈，其匝数