电机基础知识

电机与拖动根底——电机学局部电机学局部简介

ElectricMachinery电机学从电、磁、机械三个方面入手，分析电机内部的电磁过程，介绍变压器、异步电机、同步电机和直流电机的类型、结构、工作原理、工作特性和工况。

学习电机学局部的目的是让学生掌握从事电能生产、传输、分配和利用中有关电机能量转换和运行特性方面的根本理论和知识。其主要任务是：使学生了解电气工程和动力工程中常用的电机类型和结构；掌握各种电机的工作原理和运行特性；了解电机铭牌的参数含义，能够对其性能进行分析、计算，并合理选择和使用各种电机。第1章电机学根底知识电机的根本功能与主要类型电机的根本原理—磁路电机的制造材料1.1电机的根本功能与主要类型电机是实现能量转换和信号传递的电磁装置。2、变压器〔变流器、变频器、移相器〕的作用：传输、分配电能。

1、发电机的作用：生产电能。

4、控制电机：伺服电机(用于控制系统〕，自整角机(用于同步联络系统〕，感应调压器和移相器(用于试验室中〕等。3、电动机的作用：驱动作用。电机分类：变压器直流电机伺服电动机、步进电动机、测速发电机回转变压器、自整角机、直线电动机电力变压器：升压变压器、降压变压器动力电机微特电机感应电机同步电机感应电动机感应发电机交流电机同步电动机同步发电机同步补偿机直流电动机直流发电机旋转电机静止电机特种变压器：自耦、三绕组、互感器二滩水电站火电站全国装机容量最大的新疆达板城风电厂太阳能电站地热电站核电站潮汐电站波浪能发电站变频器电力变压器磁悬浮列车大型车床电机的功能〔续2〕2、驱动生产机械信号传递-直流伺服电动机

将控制信号转换为机械信号作电源用-直流发电机

将机械能转化为直流电能电机的功能〔续3〕盲人引路车爬行机器人3、控制各种自动设备同步发电机定子各种微电机电机的功能〔续4〕４、电机的开展状况大型和超小型方向开展主要类型按功用分发电机

电动机电力机械

变压器和变频器

控制电机

电力机械变压器

旋转电机直流电机

交流电机同步电机

异步电机1.2电机的根本原理—磁路B（单位T或特斯拉）iBi磁场的根本概念磁感应强度B〔磁密〕与磁感线特点：右手螺旋法那么，不相交的闭合曲线，疏密程度。uiΦ磁通Φ磁路局部电路局部磁通量:穿过某一截面的磁感应强度

ABΦ=BA〔单位Wb〕磁场强度：H=B/μ〔单位A/m〕垂直均匀磁场韦伯和麦克斯韦之间的换算：1Wb=108Mx磁导率μ：磁场中介质的导磁能力。真空磁导率μ0=4π×10-7H/m非磁性物质如空气、塑料、铜、铝、橡胶等。这些物质的磁导率均与真空的磁导率非常接近，它们的相对磁导率均约等于1。非磁性物质的磁导率可认为是常量。铁磁性物质如铁、镍、钴、钢及其合金等。铸铁磁导率μ≈200～400μ0

；铸钢磁导率μ≈500～2200μ0

；硅钢的μ≈7000~10000μ0

；坡莫合金的μ≈20000~200000μ0

。铁磁物质的磁导率不是常量，随外部条件变化。磁场储能：体能密度磁导率为常数时：对旋转电机，气隙的B≈0.4~0.8T，铁心的B≈1.0~1.8T。μ0＜＜μ，故磁场能主要存储在气隙中，又称耦合磁场。经铁心闭合的Φ为主磁通i2i1ΦΦ2σΦ1σ

X1定子N励磁绕组A1S转子SA2N定子绕组X1

ΦΦσ磁路及根本定律同步发电机磁路经空气等非铁磁材料闭合的Φσ为漏磁通。安培环流定律〔全电流定律〕i2i1i3Hdl设n根载流导体被任何闭合路径l所包围，那么磁场与建立它的电流之间有下述关系：磁场强度矢量H沿空间任意闭合路径的线积分等于该回路所包围导体的电流代数和。符合右手〔H〕螺旋法那么时，电流〔拇指〕为正，相反为负。

磁路欧姆定律

AlΦiN无分支磁路磁路的平均长度匝数磁阻H-1=1A/Wb磁导H=1Wb/A磁势A

注：磁阻不是常数

磁路的基尔霍夫第一定律l1A1μ1Φ1l2A2μ2Φ2l3A3μ3Φ3iN闭合面磁路的基尔霍夫第二定律∑F=Ni=∑Hklk=Φ∑Rmk对闭合面，穿入的磁通=穿出的磁通∑Φ=Φ2－Φ1－Φ3=0材料或截面各段不同的无分支磁路，通过各截面的磁通相等。计算步骤：Φ

↔各段B

k=Φ/A

k↔

在磁化曲线上查H

k

↔

ΣHkl

k=Ni=FAlΦiNiΦ2000匝l1A1H1l4A4H4l2A2H2l3A3H3l5A5H5例1-1铁心叠压因数kFe=0.94，A=0.8×10-3m2，l1=0.08m，l2=0.1m，l3=0.037m，l4=0..037m，l5=0.1m，δ=0.006m，μFe=1900μ0，要到达Φ=1×10-3Wb，求i。解:电磁感应定律——变压器电动势iΦeNi→ΨL=NΦ瞬时值：e=－NdΦ/dt=－NωΦmcosωt

=

Emsin(ωt-90)º设Φ=Φm

sinωt磁链eL=－dΨL/dt线圈的电路方程iΦeN

铁心线圈的Lm>>空心线圈的Lo。L=ΨL/i=NΦ/i=N(Ni/Rm)/i=N2λmeL=－Ldi/dtΨL=Li右手定那么运动电动势e=Blv左手定那么F=Bli电磁转矩T=2Blir导体转动半径导体有效长度导体运动速度电机的制造材料绝缘材料：隔开导电体和非导电体，或隔开不同点位导体。用绝缘漆，合成树脂，纤维纸层等。导电材料：铜，铝，电刷材料导磁材料：稀土永磁材料、电工钢片或硅钢片〔厚0.23mm，0.35mm，0.5mm，1mm〕绝缘材料7等级绝缘等级YAEBFHC允许工作温度90105120130155180>180℃电机的绝缘等级与电机的使用温度有关。在使用温度确定后，往往会使用至少同级或较高的绝缘材料，以提高电机的使用寿命。比方，常用的B级电机，其内部的绝缘材料往往是F级的，而铜线可能使用H级甚至更高的，来提高其质量。一般为提高使用寿命，往往规定高级绝缘要求，低一级来考核。比方，常见的F级绝缘的电机，做B级来考核，即其温升不能超过120度〔留10度作为余量，以防止工艺不稳定造成个别电机温升超差〕。表1-1绝缘材料的等级其中，E、B、F级应用较普遍。此外，变压器油是一种特种矿物油，在变器中同时起绝缘和散热两种作用。

主要材料(续3)结构材料：铸铁，钢板。散热材料、冷却材料、润滑材料

电机的绝缘：导线绝缘、槽绝缘、层绝缘、相间绝缘、端板绝缘、包扎绝缘、引线绝缘、绝缘漆和浇注绝缘。

多用E或B级，例Y系列异步电机为B级绝缘。起重或冶金常采用F或H级。电机工作时产生的损耗，最后均转化为热能，使电机升温，假设不加措施会使电机绝缘老化，缩短工作寿命甚至短时间内烧毁。电机虽然效率很高，一般均在85％以上，但鉴于其本身容量巨大，损耗的绝对值十分可观，散热是电机的一个重要研究课题。中小型电机可利用增大机壳的外表积来帮助散热；大中型电机用空心导体，铁心中埋管子通以水或氢气来散热称为内冷式。机内由轴上装设的风扇运送空气或氢气在机内专设的风道中流通来帮助散热。散热材料主要材料(续4)主要是铝合金、钢板制成机座、端盖、转轴和轴承。铁心槽口要用槽楔封闭。一般用非磁性材料制成，加固转子绕组用的绑线亦用非磁性钢。当钢的成分中含有25％镍或l2％锰时，即可使其失去磁性。机械支撑材料主要材料(续6)

铁磁材料内部往往有相邻的几百个分子电流圈流向一致，这些分子电流产生的磁场叠加起来，就形成了一个个天然的小磁性区域—磁畴。不同铁磁物质内部磁畴的数量不同。

通常铁磁材料内部磁畴排列杂乱无章，磁性相互抵消，对外不显磁性。

铁磁材料之所以具有高导磁性。是因为在其内部具有一种特殊的物质结构—磁畴。它相当于一个个小磁铁。常用的铁磁材料及特性有外磁场作用时磁畴在外界磁场的作用下，均发生归顺性转向，使得铁磁材料内部形成一个很强的附加磁场。高导磁性铸钢：μ≈1000μ0，硅钢片：μ≈(6000~7000)μ0磁滞回线中H为零时B并不为0的现象说明铁磁材料具有剩磁性。B

为零时H并不为零的现象说明铁磁材料具有矫顽磁力。BH0cba起始磁化曲线oa段是线性段ab段是上升段bc段是磁化曲线的膝部C点以后是饱和段起始磁化曲线反映了什么？起始磁化曲线的ab段反映了铁磁材料的高导磁性；c点以后说明铁磁材料具有磁饱和性。磁滞回线中B的变化总是落后于H的变化说明铁磁材料具有磁滞性。铁磁材料反复磁化一周所构成的曲线称为磁滞回线。〔2〕铁磁材料的磁饱和性、磁滞性和剩磁性软磁材料具有磁导率很高、易磁化、易去磁的显著特点，适用于制作各种电机、电器的铁心。软磁材料铁磁材料的分类和用途硬磁材料的磁导率不太高、但一经磁化能保存很大剩磁且不易去磁，适用于制作各种永久磁体。硬磁材料矩磁材料磁导率极高、磁化过程中只有正、负两个饱和点，适用于制作各类存储器中记忆元件的磁芯。矩磁材料BH0软磁性材料磁滞回线包围的面积很小。BH0硬磁性材料磁滞回线包围的面积很宽大。BH0

高导磁性(续4)蜂腰形狭长型肥胖型长方形退化型不对称型铁芯损耗

根据电流的热效应原理，涡流通过铁芯时将使铁芯发热，显然涡流增加设备绝缘设计的难度，涡流严重时会造成设备的烧损。φ在交变磁场作用下，整块铁芯中产生的旋涡状感应电流称为涡流。为减小涡流损耗，常用硅钢片叠压制成电机电器的铁芯。(1)磁滞损耗

铁磁材料反复磁化时，内部磁畴的极性取向随着外磁场的交变来回翻转，在翻转的过程中，由于磁畴间相互摩擦而引起的能量损耗称为磁滞损耗。磁滞损耗使铁芯发热。(2)涡流损耗※减小铁损耗的方法：①使用软磁材料；②增大铁心的电阻率，减小涡流及其损耗

；③用很薄的硅钢片叠成铁心，减小涡流及其损耗

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