电机学课件-到12.5ch1绪论

目录电机在国民经济中的作用12电机的分类3课程性质和学习方法4电机学中常用的电工定律5磁路及其基本定律0绪论电机在国民经济中的作用电机的分类电机学课程性质和学习方法电机学中常用的电工定律0.1电机在国民经济中的作用电能是现代社会最主要的能源，并对人类文明的发展起到了重要的推动作用。电机是和电能的生产、输送与利用密切相关的能量转换机械。电机不仅是国民经济各行业中的重要或关键设备，而且在人们日常生活中的应用也越来越广泛。电机的用途电机（Machine）发电机(Generator)电动机(Motor)变压器(Transformer)实物图使用中的变压器水轮发电机电动机汽轮发电机组发电机的用途火电厂：将燃料燃烧的热能转换为电能。水电厂：将水流的势能转换为电能。核电厂：将原子核裂变的原子能转换为电能。风电场：将风能转换为电能。用于发电厂用于独立系统中的发电机。火力发电厂原理图火力发电厂原理图火力发电厂原理图发电环节——各种电机

引进600MW汽轮发电机

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世界上最大的水轮发电机定子柴油发电机变压器的用途主要用于各级变电站中。改变交流电能的电压，实现交流电能的经济输送和合理分配。

连接发电机与电网的升压变压器连接发电机的封闭母线

与电网相连的高压出线端电力系统示意图电动机的用途作为原动机，拖动各种机械设备。据统计，我国电动机的耗电量约占发电量的60%。工业农业交通运输业航天、航空、航海行业国防、文化教育、医疗卫生、IT等行业日常生活各种生产机械和装备的动力设备电动机的用途工业机床、机器人、轧钢机、纺织机、造纸机、风机、水泵、压缩机、吊车、卷扬机、传送带等。

农业电力排灌设备、脱粒机、碾米机、榨油机、粉碎机等。交通运输业电气机车、磁悬浮列车、城市轨道列车、无轨电车、电动汽车等。电动机的用途航空和航海业有特殊要求的航空电机、船用电机和推进电机等。日常生活电风扇、洗衣机、吸尘器、空调、电冰箱、微波炉、DVD播放机、电动按摩器、电动工具等。电机中所用材料电电路导电材料及绝缘材料

导电材料：紫铜、铝线绝缘材料：聚脂漆、云母片按耐热能力高低分六个等级A—105ºE—120º

B—130ºF—155ºH—180ºC180º2、磁磁路导磁材料硅钢片、铸钢等导磁材料：铁磁材料3、力结构材料铸钢、铸铁、钢板等电机作用和地位电能生产——由同步发电机生产；高压输电——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；降压用电——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；生产机械的拖动——由各种电动机实现；控制系统中的信号转换——由各种控制电机完成。我国老牌电机厂：哈尔滨电机厂上海电机厂四川：德阳东方电机厂请观察电力系统示意图，找到系统中使用的电机？311.2电机发展简史1．电机的发展初期F＝Bli——1821年Faraday电磁感应定律的发现——1831年Faraday直流发电机——1831年Pixii1876年单相交流电的应用——远距离传输1885年交流电动机1889年三相制——三相交流电的应用三相电机2．电机的近代发展及趋势单机容量不断增加如汽轮发电机：中小型电机技术与经济指标不断改进新的设计方法（CAD）、工艺、材料、测试手段应用范围扩大19005MVA1956水内冷208MVA192025MVA1960320MVA1937空气冷却100MVA目前>1000MVA氢气冷却150MVA电机的新发展与微电子技术、计算机技术、自动控制技术、电力电子技术和超导技术等的发展相结合。原材料性能和制造工艺水平的提高。

电力电子技术永磁材料蒸发冷却技术电机的新发展新原理、新结构、高性能的电机不断被研究开发出来：开关磁阻电机横向、径向、轴向永磁电机高速电机高性能交流调速系统等☆新能源技术风力发电波浪发电：波浪发电的原理主要是将波力转换为压缩空气来驱动空气透平发电机发电。波浪能电站外景

波浪能电站内景

☆新能源技术

据估算，世界海洋中的波浪能达700亿千瓦，占全部海洋能量的94％，是各种海洋能中的“首户”。

☆机电一体化

如果用正在发展的新型永磁无刷直流电动机代替普通电动机,效果如下： 电冰箱：>1000万台/年，电量少15%洗衣机：>1100万台，噪音降低10分贝，节省电能50%，节水20%

永磁直流无刷直流电动机外形图我国目前实际应用情况☆

汽发：消化引进，设计600MW

☆水发：三峡电站，700MW☆400MW燃气轮机联合循环机组

☆引进建设：600MW核电机组

☆主要500kV输电线路以及相应的变压器

500kV直流输电，西电东送运行中（西电研制出750kV，70万千伏安单相自耦电力变压器）（向家坝-上海±800千伏特高压直流示范工程）

（“晋东南-南阳-荆门”1000千伏超高压交流试验示范工程运转成功）

☆各种电动汽车目前，我国正在研究的项目☆

航天超声波电机☆

高速发电的发电机☆

人工肌肉直线电机

☆

超导电机☆

电动机故障诊断☆

舰船驱动用电动机☆

智能型电力电子变压器电机的定义电机学中讨论的电机，是指依靠电磁感应作用而运行的电磁机械，用于机械能和电能之间的转换或者不同形式电能之间的变换。性质任何一种电机的输入、输出能量中，至少有一方必须为电能，或者双方都是电能。电机本身不是能源，而只是转换或传递能量的机械装置。要从电机输出能量，必须先给电机输入能量，其能量转换或传递过程遵从能量守恒定律。性质电机是以电磁感应为基本作用原理来运行的。利用其它原理（光电效应、热电效应、化学效应等）产生电能的装置通常不包括在电机的范围内。

0.2电机的分类按照能量转换或传递的功能及用途电机发电机——将机械能转换为电能。电动机——将电能转换为机械能。变压器——改变交流电能的电压。控制电机——主要用于执行控制任务，而不是传递能量。电机的分类按照结构特点及电源种类分电机变压器旋转电机交流电机直流电机同步电机异步电机0.3电机学课程性质课程地位

是电气工程及其自动化专业的重要专业基础课，为后续相关专业课程坚实的理论基础。分析的对象是工程实际中使用的具体电机。物理概念多，有较强的理论性。涉及的条件和因素比较复杂，具有较强的专业性和综合性。内容特点课程学习要求电机学以变压器和旋转电机的基本概念、基本电磁关系、基本分析方法、运行特性等内容为核心。要求：逐步建立并牢固掌握电机学的基本概念；熟悉和掌握电机基本理论和基本分析方法；学习分析工程实际问题的思路和方法；提高分析和解决实际问题的能力。

※怎样学好电机学认真听课精读教材熟练掌握基本电磁规律掌握各物理量及其参数之间的关系物理意义、适用范围、主要因素、公式习题和实验是学好电机学的重要保证（重要的30％）实验台0.4电机学中常用的电工定律电路定律基尔霍夫电流定律基尔霍夫电压定律电机学中常用的电工定律1.

磁感应强度B

表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。基本电磁定律磁场、磁感应强度

用磁场中载流导体受到的洛仑兹力确定其存在和性质B是矢量,即：既有大小，又有方向用磁力线上每点的切线方向规定B的方向用磁力线的疏密程度表示B的大小电机学中常用的电工定律磁感应强度B的方向:

与电流的方向之间符合右手螺旋定则。磁力线(1)磁感应线的回转方向和电流方向之间的关系遵守右手螺旋法则(2)磁场中的磁感应线不相交，每点的磁感应强度的方向确定唯一(3)载流导线周围的磁感应线都是围绕电流的闭合曲线电机学中常用的电工定律磁感应强度B的大小:磁感应强度B的单位:

特斯拉(T)，1T=1Wb/m2

均匀磁场:

各点磁感应强度大小相等，方向相同的磁场，也称匀强磁场。电机学中常用的电工定律2磁通（量）穿过垂直于B方向的面积S中的磁力线总数。

说明:

若不是均匀磁场，则取B的平均值。在均匀磁场中=BS或

B=/S磁感应强度B在数值上可以看成为与磁场方向垂直的单位面积所通过的磁通,故又称磁通密度。单位:韦[伯](Wb)1Wb=1V·s

磁通连续性原理磁感应线是闭合的，因此对任意封闭曲面来说，进入该闭合曲面的磁感应线，一定等于穿出该闭合曲面的磁感应线。如规定磁感应线从曲面穿出为正，穿入为负，则通过任意封闭曲面的磁通量总和必等于零

电机学中常用的电工定律3.

磁场强度H介质中某点的磁感应强度B

与介质磁导率

之比。磁场强度H的单位：安培/米（A/m)电机学中常用的电工定律真空的磁导率为常数，用

0表示，有：4磁导率

表示磁场媒质磁性的物理量，衡量物质的导磁能力。相对磁导率

r：

任一种物质的磁导率和真空的磁导率0的比值。单位：亨/米（H/m）磁场强度H、导磁率μ磁导率，决定于介质性质，H／m。变化范围很大。真空磁导率0=4×10-7H／m

非铁磁物质如空气、铜、铝和绝缘材料等，近似等于真空磁导率铁磁物质如铁、钴、镍及其合金，磁导率远大于真空磁导率达数千甚至上万倍。通常以相对磁导率r表示铁磁物质的磁导率比真空磁导率增大的倍数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1.1磁路的基本定律

凡是电流方向与闭合回线围绕方向之间符合右螺旋定则的电流作为正,反之为负。

磁场强度矢量H沿任一闭合路径的线积分等于穿过该闭合路径的限定面积中流过电流的代数和。安培环路定律电流正负的规定：1.安培环路定律（全电流定律）线圈匝数与电流的乘积NI

，称为磁通(动)势，用字母F表示，则有F=NI磁通由磁通势产生，磁通势的单位是安[培]。SxHxIN匝安培环路定律将电流与磁场强度联系起来。

在均匀磁场中

Hl=IN

1.1磁路的基本定律2.磁路的欧姆定律F－磁路的磁通势，F＝Ni，即为作用在铁心上的安匝数，单位为A为磁路的磁阻，单位为A/Wb1.1磁路的基本定律磁路与电路的比较磁路磁通势F磁通磁阻电路电动势E电流密度J电阻磁感应强度B电流INI+_EIR磁路和电路的比拟仅是一种数学形式上的类似、而不是物理本质的相似。

电路磁路电流I磁通Φ电动势E磁动势F电压降IE磁压降ΦRm电阻R磁阻Rm电导g＝1/R磁导Λm=1/Rm基尔霍夫第一定律Σi＝0基尔霍夫第一定律ΣΦ＝0基尔霍夫第二定律ΣU＝Σe基尔霍夫第二定律ΣHl＝ΣNI欧姆定律I＝U/R欧姆定律Φ＝Um/Rm1）电路中有电流I时，就有功率损耗；而在直流磁路中，维持一定量的磁通量时，铁心中没用功率损耗。2）电路中可以认为导线外无电流，但磁路中铁心外却有漏磁通。即没有绝对的磁绝缘体。3）电路中的电阻率在一定温度下时不变的，磁导率却随铁心的饱和程度有关。4）对电路，当为线性电路时可以应用叠加原理。但对铁心磁路（非线性）不可应用叠加原理。磁路与电路的性质

单相变压器电机中的典型磁路N1N2电能i1输入电能电能i2输出电能磁场

旋转电机转子定子绕组定子铁心磁场电能机械能磁路:磁通所走的路径。旋转电机横截示意图面磁路的基尔霍夫定律（1）磁路的基尔霍夫第一定律穿出或进入任何一闭合面的总磁通恒等于零，即磁通连续性定律。1.1磁路的基本定律

（2）磁路的基尔霍夫第二定律

沿任何闭合磁路的总磁动势恒等于各段磁位降的代数和。1.1磁路的基本定律基尔霍夫第一定律（电流定律）:在电路中任一节点上，电流的代数和恒等于零，即

Σi=0

基尔霍夫第二定律（电压定律）:在电路中，对任一回路，沿回路环绕一周，回路内所有电动势的代数和等于所有电压降的代数和，即

∑e=∑u

电机中电动势平衡方程式的理论依据.电机学中常用的电工定律基本电磁定律法拉第电磁感应定律当电动势与磁链的参考方向满足右手螺旋定则时，电动势可表达为变压器电动势运动电动势e的方向用右手定则判断。变压器电势（电动势EMF）

若线圈和磁场相对静止，感应电势(InducedElectromotiveForce)纯粹是由于和线圈交链的磁通随时间的变化而产生,仅有变压器电势(TransformerEMF)，即

若导线切割磁力线的速度为，导线处的磁感应强度为，且不随时间变化时，假设磁力线、导线与导线运动方向三者垂直，则导线中感应电势为运动电势（MotionalElectromotiveForce），其大小为运动电势的方向习惯用右手定则确定，如图所示。

运动电势(MEMF)右手定则：右手伸开，大拇指与其他四指成90°，若磁力线指向手心，大拇指指向导体运动方向，则其他四指的指向就是导体中感应电动势的方向。电磁感应的右手定则载流导体在磁场中的安培力左手定则：左手伸开，大拇指与其他四指成90°，若磁力线指向手心，其他四指指向导体中电流的方向，则大拇指的指向就是导体受力的方向。电磁力定律

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，我们称之为电磁转矩(ElectromagneticTorque)。电磁转矩是电机实现机电能量转换的重要物理量。电机的运行与分析基础电磁感应定律全电流定律磁路定律电路定律电磁力定律…※电机学的基本分析方法方程式、相量图和等效电路的分析方法归算算法——标幺制凸极处理法——凸极隐极对称分量法——不对称实验分析法——实验……1.2铁磁材料及其特性铁磁材料的磁导率铁磁材料放入磁场后，磁场会大大增强，其磁导率Fe为真空磁导率0（0＝4×10－7H/m）的数十倍乃至数万倍。铁磁性物质的磁导率Fe与它所在磁场的强弱及物质磁状态的历史有关，不是常数。在电机中，要求产生较强的磁场，需要采用磁导率大的铁磁材料。电机中常用的铁磁材料的磁导率在（2000～8000）0之间。1.2铁磁材料及其特性1、铁磁材料的磁化

铁磁物质包括铁镍钴以及它们的合金。铁磁材料在外磁场中呈现很强的磁性，此现象称为铁磁物质的磁化。

磁畴示意图1-6。

1.2铁磁材料及其特性2、磁化曲线和磁滞回线（1）起始磁化曲线

定义:将一块尚未磁化的铁磁材料进行磁化，当磁场强度H由零逐渐增大时，磁通密度B将随之增大，曲线B=f(H)就称为起始磁化曲线.

曲线图1-7.分析:起始磁化曲线基本上可分为四段,如下起始磁化曲线oa段ab段膝点bc段饱和cd段1.2铁磁材料及其特性

铁磁材料磁化曲线见示意图1-7.应用:

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磁通密度选择在膝点附近。铁磁材料及其特性1.2铁磁材料及其特性（2）磁滞回线

示意图如图1-8。剩磁：去掉外磁场之后，铁磁材料内仍然保留的磁通密度Br

。矫顽力：要使B值从减小到零，必须加上相应的反向外磁场强度Hc称为矫顽力。磁滞：铁磁材料所具有的这种磁通密度B的变化滞后于磁场强度H变化的现象。（3）基本磁化曲线

定义: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,再将各磁滞回线的顶点联接起来，所得的曲线。附示意图1-9。

1.2铁磁材料及其特性铁磁材料的两个重要特性：

磁化

铁磁材料内部的磁畴在外磁场的作用下能够取向一致性。

磁滞现象

铁磁材料具有磁通密度B的变化滞后于磁场强度H的变化的现象。1.2铁磁材料及其特性3、铁磁材料

铁磁材料的作用：①加强磁场；②磁场导向（1）软磁材料

定义:

磁滞回线窄、剩磁和矫顽力都很小的材料。

附图1-11a

常用软磁材料:铸铁、铸钢和硅钢片等。

软磁材料的磁导率较高,故用以制造电机和变压器的铁心。1.2铁磁材料及其特性（2）硬磁(永磁)材料

定义:磁滞回线宽、剩磁和矫顽力都很大的铁磁材料称为硬磁材料，又称为永磁材料。

附图1-11b

磁性能指标剩磁，Br矫顽力，Hc最大磁能积，|BH|max1.2铁磁材料及其特性永磁材料种类铸造型铝镍钴粉末型铝镍钴铁氧体稀土钴钕铁硼种类示意图

4、铁心损耗

（1）磁滞损耗

定义:

铁磁材料置于交变磁场中时，磁畴相互间不停地摩擦、消耗能量、造成损耗，这种损耗称为磁滞损耗。

公式:应用:由于硅钢片磁滞回线的面积较小，故电机和变压器的铁心常用硅钢片叠成。1.2铁磁材料及其特性

（2）涡流损耗

涡流:当通过铁心的磁通随时间变化时,根据电磁感应定律,铁心中将产生感应电动势,并引起环流,环流在铁心内部围绕磁通作旋涡状流动，称为涡流。示意图1-12。

定义:涡流在铁心中引起的损耗。

公式:应用:为减小涡流损耗，电机和变压器的铁心都用含硅量较高的薄硅钢片叠成。1.2铁磁材料及其特性（3）铁心损耗

定义:

铁心中磁滞损耗和涡流损耗之和。

表达式:

铁心损耗与频率的1.3次方,磁通密度的平方和铁心重量成正比。1.2铁磁材料及其特性※注意在恒定磁场中的静止导磁体内是不会引起能量损耗的。铁芯损耗均转化为热能使铁芯温度升高，为防止电机过热，采用硅钢片以减小铁芯损耗，采取散热降温措施。1、直流磁路的计算磁路计算时，先给定磁通量Ф，然后计算所需要的励磁磁动势F。(正问题)对于少数给定励磁磁动势求磁通量（逆问题）由于磁路的非线性，需要进行试探和多次迭代，才能得到解答。

1-3磁路的计算

1）简单串联磁路

定义:不计漏磁影响，仅有一个磁回路的无分支磁路。

附图1-13.

点击书本进入例题1-2例题[例1—2]

若在例l—l的磁路中，开一个长度的气隙，问铁心中激励1T的磁通密度时，所需的励磁磁动势为多少?已知铁心截面积，。考虑到气隙磁场的边缘效应，在计算气隙的有效面积时，通常在长、宽方向务增加δ值。

解用磁路的基尔霍夫第二定律来求解。铁心内的磁场强度:气隙中的B:气隙中的H:铁心磁位降:气隙磁位降:励磁磁动势:返回2)简单并联磁路

定义:指考虑漏磁影响，或磁回路有两个以上分支的磁路。

点击书本进入例题1-３例题[例1―3]

图1―15a所示并联磁路，铁心所用材料为DR530硅钢片，铁心柱和铁轭的截面积均为，磁路段的平均长度,气隙长度励磁线圈匝数匝。不计漏磁通，试求在气隙内产生=1.211T的磁通密度时，所需的励磁电流i。

解：画出图l―15b所示模拟电路图。由于两条并联磁路是对称的，故只需计算其中一个磁回路即可。根据磁路基尔霍夫第一定律，得

根据磁路基尔霍夫第二定律，

由图1―15a可知、中间铁心段的磁路长度左、右两边铁心段的磁路长度均为

(2)中间铁心段的磁位降磁通密度为(1)气隙磁位降中间铁心段的磁位降为（H3=1950A/m）左、右两边铁心段的磁位降为（H1=215A/m）（3）左、右两边铁心的磁位降,磁通密度为

(4)总磁动势和励磁电流返回2、直流电机的空载磁路和磁化曲线

1)空载磁路及其计算

定义:直流电机的空载磁场是指励磁绕组内通有直流励磁电流时由励磁磁动势单独激励的磁场。

2)直流电机的磁化曲线

曲线示意图1-16。电机的磁化曲线体现了电机磁路的非线性，这种非线性使电机运行特性的数学表达复杂化。工程分析中，常用线性分析加上适当修正的办法来考虑非线性的影响。

3、交流磁路的特点

1)交流磁路中，激磁电流是交流，因此磁路中的磁动势F及其所激励的磁通Ф均是交变的，但每一瞬时仍和直流磁路一样，遵循磁路的基本定律；

2)就瞬时值而言，通常情况下，可以使用相同的基本磁化曲线；

3)磁通量Ф和磁感应强度B均用交流的幅值表示，磁动势F和磁场强度H则用有效值表示。交变磁通的效应:

(1)磁通量Ф随时间交变，必然会在激磁线圈内产生感应电动势IEMF；

(2)磁通量Ф随时间交变，必然会在铁心中产生铁心损耗。

(3)磁饱和现象会导致电流、磁通和电动势波形的畸变。

电感磁链Ψ磁通Φ磁导Λ电感L自感互感漏电感电抗电感性质电感与线圈匝数的平方成正比，和磁场介质的磁导亦成正比关系，而和线圈所加的电压、电流或频率无关。

电机的电感（电抗）与电机磁路的饱和有关

电机的电感(电抗)与电机的电、磁结构有关对应不同的磁通需引用多种不同的电抗

磁场储能磁场是一种特殊形式的物质，磁场中能够储存能量，在磁场建立过程中，能量由外部能源转换而来。电机——通过磁场储能来实现机、电能量转换体积能量密度磁场能量主要存储在气隙中能量守恒定律电机在进行机电能量转