第1章 电机学基础

第一章电机学基础知识目录1.1电机的基本功能与主要类型1.2电机的基本原理1.3电机的制造材料第一章电机学基础知识2/991.1电机的基本功能第一章电机学基础知识3/99电机（包括变压器和旋转电机）是实现能量转换和信号传递的电磁装置。电机是一种机电能量转换或信号转换的电磁机械装置。电机是实现能量转换和信号转换的电磁装置。电机泛指所有实施电能特性变换的机械装置。电气工程学科关注的电机，研究限于依据磁场耦合实现机电能量转换和信号传递与转换的装置（电磁式电机）。thedevicesusedintheinterconversionofelectricandmechanicalenergy.Emphasisisplacedonelectromagneticrotatingmachinery,bymeansofwhichthebulkofthisenergyconversiontakesplace.However,thetechniquesdevelopedaregenerallyapplicabletoawiderangeofadditionaldevicesincludinglinearmachines,actuators,andsensors.1.1电机的类型第一章电机学基础知识4/99按功能分，有发电机、电动机、变压器和控制电机四大类。按电机结构及电源性质分，有变压器和旋转电机。1.2电机的基本原理第一章电机学基础知识5/99电机(电磁)能量转换过程电功率ui电气损耗机械损耗机械功率TΩ1.2电机的基本原理第一章电机学基础知识6/991)磁场基本概念磁场：由电流或永磁体产生。磁感应强度B（单位：特斯拉T）。用于表征磁场的强弱和方向，矢量。用磁感线的疏密程度描述B的大小。无头无尾，不相交。1.2电机的基本原理第一章电机学基础知识7/991)磁场基本概念同性相斥、异性相吸。铁磁材料性质。1.2电机的基本原理第一章电机学基础知识8/991)磁场基本概念磁通量Φ（单位：韦伯Wb

）垂直穿过某截面的磁感线总和。磁通连续性定理—通过任意封闭曲面的磁通量等于零。1.2电机的基本原理第一章电机学基础知识9/991)磁场基本概念磁场强度H（单位：安培每米A/m

）H∝I，与介质无关；B与电流大小和介质性质都有关。磁导率μ（单位：亨利每米H/m

）介质导磁能力。

0=4×10－7H/m磁化强度M（单位：安培每米A/m

）表明介质磁化状态和磁化程度（又称磁化矢量）1.2电机的基本原理第一章电机学基础知识10/991)磁场基本概念物质按磁导率分类：非磁性物质、磁性物质。非磁性物质μ

≈μ0

。顺磁物质如空气：μ

稍大于μ0

。反磁物质如铜：μ

稍小于μ0

。磁性物质—高导磁性μ

>>μ0

。铸钢

≈1000

0；硅钢片

≈7000

0；玻莫合金

≈20000

0。磁场能量密度1.2电机的基本原理第一章电机学基础知识11/992)磁路及基本定律安培环路定律（全电流定律）—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。1.2电机的基本原理第一章电机学基础知识12/992)磁路及基本定律磁路欧姆定律磁动势F=Ni（单位安匝At）

磁阻Rm

=l/(μA)（单位每亨H-1）1.2电机的基本原理第一章电机学基础知识13/992)磁路及基本定律基尔霍夫第一定律基尔霍夫第二定律1.2电机的基本原理第一章电机学基础知识14/992)磁路及基本定律磁路电路磁通路径-磁路电流路径-电路磁通=磁动势/磁阻电流=电动势/电阻磁通Φ

(Wb)电流I(A)磁动势NI(At)电动势E

(V)磁阻Rm=l/(μA)(At/Wb)电阻R=lρ

/A=l/(σA)(Ω)磁导=1/磁阻(H)电导=1/电阻(S)磁密B=Φ/A(Wb/m2)电密J=I/A(A/m2)磁场强度H=NI/l(A/m)电场强度E=V/d(V/m)1.2电机的基本原理第一章电机学基础知识15/992)磁路及基本定律磁路电路磁通并不流动，但建立磁化对齐。电流是电子定向运动。磁性材料磁导率大于非磁性材料。导体电导率远远大于绝缘体。磁阻不是常数，磁导率会跟随磁感应强度显著的改变。电阻一般认为是常数，随温度轻微变化。一但磁通建立，即使其流过磁阻，也不再消耗能量。电流流过电阻会消耗能量，变成热量耗散。1.2电机的基本原理第一章电机学基础知识16/992)磁路及基本定律气隙磁阻例，环形铁心1m，1mm气隙；200匝绕组1A电流；相对磁导率500；计算磁通密度B。解，NI=ΦRmRm=Rmc+Rm0=lc/(μcAc)+l0/(μ0A0)

A0=Ac,μc=μrμ0=2000μ0>>μ0,

Rmc>>Rm0

因此，由于气隙的存在，如果保持相同的磁通，需要增大磁动势F（励磁电流）。

N

I=B

A

(

lc/(μ0μrAc)+l0/(μ0A0))2000

1=B

(0.1/(2000

4π

10-7)+0.001/(4π

10-7))B=200/835.35=0.239Wb/m2

1.2电机的基本原理第一章电机学基础知识17/99例1-1磁路由电工钢片叠压而成，铁心叠压系数为kFe=0.94,各段铁心截面积相同，A=0.8×10-3m2，各段磁路的长度分别为l1=0.08m,l2=0.1m,l3=0.037m,l4=0.037m,l5=0.1m,δ=0.006m,已知μFe=1900μ0,N=2000，如要求铁心中ϕ=1×10-3Wb,求需要多大的励磁电流。解：铁心

Ak

=kFeA=0.94×0.8×10-3m2=0.752×10-3m2

1.2电机的基本原理第一章电机学基础知识18/99例1-1磁路由电工钢片叠压而成，铁心叠压系数为kFe=0.94,各段铁心截面积相同，A=0.8×10-3m2，各段磁路的长度分别为l1=0.08m,l2=0.1m,l3=0.037m,l4=0.037m,l5=0.1m,δ=0.006m,已知μFe=1900μ0,N=2000，如要求铁心中ϕ=1×10-3Wb,求需要多大的励磁电流。解：气隙总磁动势及电流1.2电机的基本原理第一章电机学基础知识19/993)电磁感应定律动生电动势导体相对切割磁感线；右手定则。1.2电机的基本原理第一章电机学基础知识20/993)电磁感应定律变压器电动势（感生电动势）线圈和磁场相对静止；磁通随时间变化产生。1.2电机的基本原理第一章电机学基础知识21/994)线圈电路方程直流线圈U→I→N

I→

→

I=U/RP=I2R电磁吸力F在动铁心吸合后，

→磁阻变小→磁通增加→吸力变大；电阻不变→电流不变→电功率不变。Φ＋U－SNNSIF

1.2电机的基本原理第一章电机学基础知识22/994)线圈电路方程交流线圈u→i→Ni→

→e=-Nd/dt→

→e

=-L

di/dtL=Ψ/i=N2/Rmu=Ri－e=Ri+Ldi/dtX=ωL=2πfLUE=4.44fNm电磁吸力F在动铁心吸合后，

→磁阻变小→磁通幅值不变，→平均吸力不变；→电流有效值变小，→电阻不变→电功率变小。Φ＋u－iFe

eσ

1.2电机的基本原理第一章电机学基础知识23/995)电磁力定律载流导体在磁场中，左手定则。1.2电机的基本原理第一章电机学基础知识24/996)电机可逆性原理任何电机既可以作为发电机运行，也可以作为电动机运行。电动机->施加电流->电磁力->电磁转矩->旋转->驱动机械负载->输出机械功率。发电机->施加转矩->旋转->感应电动势->输出电流->驱动电气负载->输出电功率。1.2电机的基本原理第一章电机学基础知识25/996)电机可逆性原理机电能量转换过程发电机->

Wmec=Pmec+Pfe+Pcu+We电动机<-

Wmec+Pmec+Pfe+Pcu=We电能-机械能-磁场能-热能电气连接机械系统Wmec电

机储能增量Wm铁损Pfe电磁力F耦合磁场/气隙磁场感应电动势E电气系统We传动机构1.3电机的制造材料第一章电机学基础知识26/991)电机的主要制造材料导电材料：铜线。构成电路。导磁材料：硅钢片。构成磁路。结构材料：铸铁、铸钢和钢板等。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。其它材料（散热、冷却、润滑材料）。1.3电机的制造材料第一章电机学基础知识27/992)铁磁材料特性高导磁率

>>

0(

r>>1)磁性物质内部存在着很多很小的“磁畴”。铁磁材料的高导磁性被广泛应用于变压器和电机中。将磁感线约束在特定的路径中（磁路）；使用尽可能小的励磁电流产生更大的磁场（磁感应强度）。磁畴（磁化前）磁畴（磁化后）1.3电机的制造材料第一章电机学基础知识28/992)铁磁材料特性磁饱和

B=H（

不是常数）磁滞非线性1.3电机的制造材料第一章电机学基础知识29/992)铁磁材料特性磁滞硬磁材料（永磁体）Br大、Hc大，BH曲线宽；软磁材料（电器的铁心）Br小、Hc小，BH曲线窄；矩磁材料（记忆单元）Br大、Hc小，BH曲线接近矩形。剩磁Hm－Hm矫顽磁力－HcHcBHOBr－Br磁滞回线BHO基本磁化曲线1.3电机的制造材料第一章电机学基础知识30/992)铁磁材料特性磁滞1.3电机的制造材料第一章电机学基础知识31/992)铁磁材料特性磁滞损耗1.3电机的制造材料第一章电机学基础知识32/992)铁磁材料特性涡流损耗铁心导磁，同时导电。交变磁场在铁心中产生环形感应电动势；产生环形漩涡状的感应电流。降低涡流的方法增大铁心电阻率，掺杂硅，硅钢；减小涡流截面积，增大环路路径上的电阻，使用叠片结构，片。1.3电机的制造材料第一章电机学基础知识33/992)铁磁材料特性铁心损耗涡流损耗磁滞损耗铁损综合确定其中m铁心质量。Bm一般可取1T-1.8T。1.3电机的制造材料第一章电机学基础知识34/993)永磁材料特性退磁曲线剩磁Br矫顽力Hc磁能积曲线最大磁能积(BH)max性能参数回复线局部磁滞回线很窄，用直线代替-回复线回复磁导率1.3电机的制造材料第一章电机学基础知识35/993)永磁材料特性直线型退磁曲线回复线与退磁曲线重合；永磁材料的工作点在退磁曲线上；有拐点的退磁曲线，工作点如在拐点下P点，回复线是过P点与退磁曲线平行的直线。大多数稀土永磁材料为直线型退磁曲线。内禀退磁曲线内禀磁感应强度Bi（磁极化强度J）J=μ0M（M-磁化强度）内禀矫顽力-Hcj反映永磁体抗去磁

能力，越大稳定性越好。1.3电机的制造材料第一章电机学基础知识36/993)永磁材料特性热稳定性可逆损失-温度系数不可逆损失IL-温度回复后，磁性能不能回复。居里温度TC-磁性能消失的温度临界值。最高温度-长时间保持某温度，回复到室温后保证IL<5%。1.3电机的制造材料第一章电机学基础知识37/993)永磁材料特性磁稳定性表示在外磁场干扰下永磁材