电机学 绪论(第一章)

面向21世纪课程教材电机学汤蕴璆史乃编著李仁定主审机械工业出版社绪论§0.1电机在国民经济中的作用

电机是一种机电能量转换或信号转换的电磁机械装置。电机一般分为两大类：（一）发电机——将电能转换为机械能的一种电机；

（二）电动机——将电能转换为机械能的一种电机；（三）变压器——将一种形式的电能转换为另一种形式的电能的静止的电器。

由于电能有易于产生、能够传输、方便使用等特点，所以电机广泛应用于工农业生产和人们日常生活中。（就各种电机举例说明）§0.2我国电机工业发展概况

解放前，我国的电机工业极端落后，只能小规模地生产小容量电机。解放后，我国电机工业得到快速发展。已成功研制出300MW和600MW的水氢氢冷的汽轮发电机，300MW的双水内冷和全氢冷的汽轮发电机，650MW的核电机组；700MW的水轮发电机。电力变压器的最大容量已达840MVA，电压最高为1000kV。此外还研制出许多小型的特种电机，广泛应用于自动控制系统。电动机容量也已达几十MW根据全面建设小康社会的奋斗目标，预计到2020年，我国用电需求将达到7.7万亿千瓦时，发电装机将在2008年基础上翻一番，达到16亿千瓦左右。即使如此，我国2020年人均用电量也仅相当于经济合作组织国家2007年水平的一半，电力工业发展的任务还相当艰巨。2006年我国总装机容量6.24亿千瓦，年发电总量达2.85万亿千瓦时，发电量居世界第二。2009年装机:火电74.6%，水电22.5%，核电1.0%，风电1.8%，大机组70万kW（水），100万kW（火）。非水可再生电源，如清洁风电开发，将以“建设大基地、融入大电网”的方式进行规划和布局，分别在河北、内蒙古、吉林、甘肃、新疆、江苏等省区建设多个千万千瓦级风电基地。电动机是最大的用电户美国占工业用电70％，中国占全国发电量的60％现代动力机械：蒸气机、内燃机、电动机比较在功率、力矩、速度、可用行、可靠性、可维护性等方面电机都无与伦比。现代社会的生产和生活离不开电机

电机永在

电气化交通特点：高效、节能、低碳排放方式：电气化铁路、电动汽车、

地铁与轻轨、磁悬浮与直线电机驱动由电力机车或动车组牵引的列车行驶的铁路电力机车单轴功率1600千瓦动车组单机功率600千瓦逆变器功率3000千伏安以上多台电机的同步驱动控制铁路系统的列车运行控制电气化铁路电动汽车纯电动汽车、混合动力汽车、氢燃料电池汽车汽车发展观有益于社会发展观清洁汽油汽车（好）油电混合动力汽车（更好）天然气汽车（最好）氢燃料电池汽车（最终）技术：电池高能密度、长放电时间、低价格电机高功率密度驱动电源和控制器、能量管理系统、智能及快

速充电技术一体化电机§0.3本课程任务学习本课程后，应达到下列基本要求：（1）对磁路的计算方法及交流铁芯线圈的性能有基本了解。（2）对变压器和三种主要电机的基本结构要有一定认识。（3）对各种电机正常稳态运行时的分析方法和运行性能，要牢固掌握.（4）对电机的能量关系、感应电动势、磁场储能、电磁转矩和机电能量转换过程，以及机电能量转换的条件有一个基本了解。

（5）对同步电机的不对称运行和交流电机在动态情况下的分析方法和相应的参数要有基本的了解；对一些典型的运行方式和动态过程，能作出正确的分析。（7）了解与电机有关工程问题，各种电机的应用范围，电机的额定值，电机的各种性能指标等。（6）初步了解用计算机来计算电机稳态和动态问题的方法。（8）通过实验，熟练地掌握电机的基本实验方法和操作技能。能对实验结果进行分析和评定，并初步具有检查电机故障的能力。本课程内容：异步电机

变压器2.交流电机：1.直流电机：直流发电机；直流电动机

同步电机电机学在电气工程及其自动化专业中的地位特点：难教难学第一章磁路电机的工作原理是以电磁感应原理为基础的，以电场和磁场作为藕合场的。所以磁场的强弱和分布不仅关系到电机的性能而且还将决定电机的体积和重量，所以磁场的分析和计算，对认识电机是很重要的。本章说明磁路的基本定律；介绍常用铁磁材料及其性能；说明磁路的计算方法定子铁心定子绕组转子铁心转子绕组漏磁通主磁通漏磁通(a)变压器的磁路主磁通漏磁通(b)两极直流电机的磁路§1.1磁路的基本定律一.磁路的概念

磁路——磁通所通过的路径。如图所示，图a是变压器的磁路，图b是两极直流电机的磁路。

就电流产生的磁通而言，绝大部分磁通将沿铁芯形成闭合回路，称其为主磁通。还有少量的磁通沿载流线圈、部分铁芯和铁芯周围的空间形成闭和回路，这部分磁通称为漏磁通。主磁通和漏磁通所通过的路径分别构成主磁路和漏磁路。用以激励磁路中磁通的载流线圈称为励磁线圈（励磁绕组）其中所通电流称为励磁电流（激磁电流If）。

1.安培环路定律

沿任意闭和回线L，磁场强度H的线积分恰好等于闭和回线所包围的总电流(代数和），这就是安培环路定律。i1i2i3LdlH.二.磁路的基本定律R螺线管solenoid

若电流方向与闭和回路L的方向符合右手螺旋关系，则电流i取正号，否则取负号。

若沿着回线L，磁场强度H，沿着切线方向其大小处处相等，且闭和回线的总电流是由通有电流i的N匝的线圈所提供的。2.磁路欧姆定律

一个无分支铁芯磁路，铁芯上绕有N匝线圈，线圈中通有电流I铁芯截面积为A，各截面磁通密度均匀且垂直于各截面，磁路的平均长度为l，材料的磁导率为则磁通量将等于磁通密度乘以面积，即：得：

式中F=Ni为作用在铁芯磁路上的安匝数，称为磁路的磁动势；Rm为磁路的磁阻,其单位为A/Wb；Λ=1/Rm为磁路的磁导。

作用在磁路上的磁动势F等于磁路内的磁通量乘以磁阻Rm，此关系称为磁路欧姆定律。

它与电路欧姆定律相似，对应关系为：F---E；Φ---I；Rm---R；Λ---G磁路可以用模拟的电路图来分析。

磁阻Rm的计算公式与电阻R的计算公式相似，但应注意在磁路中由于铁磁材料的磁导率

μ

不是常数，所以磁阻不是常数，这种情况称为非线性。3.磁路的基尔霍夫第一定律或：

穿出任意闭和面的磁通总量恒等于零，这就是磁通连续性定律。与电路中的基尔霍夫第一定律相似，称为磁路的基尔霍夫第一定律。

电机和变压器的磁路总是由数段不同截面、不同铁芯组成，在磁路计算过程中，若沿着磁回路回线L，磁场强度H，在回线的某些段内（l1、l2、l3等，共n段）沿着切线方向其大小处处相等，且闭和回线的总电流是由几个（共m个）通有电流ij的Nj匝的线圈所提供的，则可简写成：4.磁路的基尔霍夫第二定律需要指出，磁路和电路的比拟只是一种数学上的类似，而不是物理本质的相似。式表明：沿任意闭合磁路的总磁动势等于各段磁路磁位降的代数和。这比拟与电路中的基尔霍夫第二定律，所以称为磁路的基尔霍夫第二定律。§1.2常用的铁磁材料及其特性一.铁磁物质的磁化铁磁物质包括铁、镍、钴等以及它们的合金。铁磁材料在外磁场中会呈现很强的磁性，此现象称为铁磁物质的磁化。这是因为：如下图H二.磁化曲线和磁滞回线

铁磁材料的磁导率μFe较分磁性材料的磁导率μ0大的多。（μFe=2000~6000μ0）1、磁化曲线起始磁化曲线：

铁磁材料的B和H之间是曲线关系,我们将B=f（H）曲线称为磁化曲线，当磁场强度H由零逐渐增加时磁通密度B将随之增大，曲线B=f（H）称为起始磁化曲线。BHcbaod起始磁化曲线可以分为四段：oa段——起始段；ab——线形段；bc段——拐弯段（b点为拐弯点即膝点）；cd段——饱和段。由于铁磁材料的磁化曲线不是一条直线，所以μFe=B/H也随H的变化而变化，如图所示μFe=f（H）。通常把铁芯的工作点磁通密度设计在膝点附近。磁滞回线

dBBmHmBrHcH-Hmabcefo

若将铁磁材料进行周期性磁化（如激磁电流随时间按正弦规律变化），Ｂ和Ｈ之间的关系曲线就会变成图中曲线abcdefa所示，称此为磁滞回线。由图可见，当Ｈ＝０时Ｂ值并不等于零，而等于Ｂr，称此为剩余磁通密度，简称剩磁。

要使Ｂ值从Ｂr减小到零，则应反向加外磁场，当Ｈ＝Ｈc时Ｂ＝０,称Ｈc为矫顽力。

Ｂr，Ｈc为密度B变化滞后于磁场强度H的变化的现象称为磁滞现象，呈现磁滞现象的B—H的闭和回线，称为磁滞回线如图（1-8）所示。磁滞现象是铁磁材料的另一个特性。基本磁化曲线

对于铁磁材料选择不同的Hm进行反复磁化可以得到不同大小的磁化曲线，将各磁滞回线的顶点连接起来所的曲线就是基本磁化曲线。电机磁路计算时所用磁化曲线都是基本磁化曲线.如上图ob线所示。三.铁磁材料

按照磁滞回线形状的不同，铁磁材料可分为软磁材料和硬磁材料两大类。

磁滞回线形状较窄，Br和Hc较小的铁磁材料。如铸铁、铸钢、硅钢片等，其磁导率较大用来制造电机和变压器的铁芯。

磁滞回线较宽，Br和Hc较大的铁磁材料。由于剩磁Br较大可以作成永久磁铁因而硬磁材料也称为永磁材料。永磁材料的种类很多。软磁材料硬磁（永磁）材料四.铁芯损耗

磁滞损耗

铁磁材料放于交变磁场中时，材料被反复磁化小磁畴不断地发生偏转，小磁畴之间不停地摩擦所消耗的能量，造成的损耗称为磁滞损耗。分析表明：磁滞损耗的大小于交变磁场的交变频率、铁芯的体积V和磁滞回线的面积有关。

Ch

为磁滞损耗系数，其大小决定于材料的性质；实验证明：涡流损耗

由于铁芯也是导电的，交变磁通穿过铁芯时，根据电磁感应定律铁芯中将产生感应电势，并引起环流。环流在铁芯内部围绕磁通作旋涡状，称其为涡流，造成的损耗称为涡流损耗。分析表明：涡流损耗大小于磁通交变的频率ƒ，磁通密度大小，铁芯电阻率铁芯体积等有关。经推导可知：

Ce是涡流损耗系数，其大小决定于材料的电阻率；Δ为钢片的厚度电机和变压器的铁芯都用含硅量较高的硅钢片（0.35mm—0.5mm）叠成。称：

对于一般硅钢片，在正常磁通密度工作范围内（1T—1.8T），上式可以近似写成：

CFe为铁芯损耗系数；G为铁芯重量。上式表明：铁芯损耗于频率的1.3次方、磁通密度的平方和铁芯重量成正比。铁芯损耗铁芯中磁滞损耗和涡流损耗之和。§1.3磁路的计算

磁路计算通常是给定磁通量，计算所需要的励磁磁动势。若给定磁动势求磁通量的逆问题，由于磁路的非线性，须进行多次试探和迭代，才能得到答案。

简单串联磁路

在磁路中若不计漏磁通影响，仅有一个主磁通形成的回路，而无分支磁路，此时通过各磁路的磁通是相同的，磁路计算比较简单（各段磁通密度不一定相同），但它却是磁路计算的基础。（举例说明）一.直流磁路的计算二.直流电机的空载磁路和磁化曲线直流电机的空载磁场是指励磁绕组内通有直流电流时，由励磁磁动势单独激励的磁场。空载磁路及计算简单并联磁路

若考虑漏磁的影响，或磁回路有两个以上的分支。电机和变压器的磁路大多属于这一类。（举例说明）一台四极直流电机的空载磁场分布。主极呈N、S、N、S交替排列，所以整个电机的磁场分布与磁极中心线对称。励磁电流所产生的磁通分为主磁通和漏磁通，主磁通Φ

穿过气隙同时匝链定转子绕组；漏磁通Φσ仅与