电机学1 绪论

控制设备
电动机
传动机构
生产负载
0.2 本课程的性质、任务和内容
本课程是电气及其自动化、电气技术和供用电技术等专业 的一门专业基础课。 本课程的任务是让学生掌握电机的基本结构和工作原理，以及 拖动系统的运行性能、分析计算、电机选择及试验方法，为电力拖 动学课的分析和解决问题的能力打下坚实的基础。 本课程的内容有直流电机、变压器、三相异步电动机、同步 电机和微控电机、电动机的选择几个部分。
ph fB
2 m
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。 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。
pe f B
0
又称磁路的并联定律。
4．磁路的基尔霍夫第二定律 定律背景:磁路计算时，总是把整个磁路分成若干段， 每段为同一材料、相同截面积，且段内磁通密度处 处相等，从而磁场强度亦处处相等。 定律内容:沿任何闭合磁路的总磁动势恒等于各段磁 路磁位降的代数和。 公式:
Ni H k lk 1Rm1 2 Rm 2 3 Rm3
1.3
2 m
3．铁心损耗
定义: 铁心中磁滞损耗和涡流损耗之和。 表达式:
pFe ph pe
pFe f B d / Re
2 2 m 2
铁心损耗与频率的平方,磁通密度的平方和铁 心重量成正比。
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第一章 磁 路 1.1磁路基本定律
一、磁路的概念 1、两种常见的磁路 2、主磁通和漏磁通 二、磁路基本电磁定律 1.全电流定律—安培环路定律
按功能分，有发电机、电动机、变压器和控制电机四大类； 按电机结构或转速分，有变压器(静止)和旋转电机。
两种方法归纳如下：
变压器 直流电机
直流发电机
直流电动机
同步电机 同步发电机 同步电动机 异步发电机 异步电动机
电机
交流电机
异步电机 控制电机
电机拖动系统是用电动机来拖动机械运行的系统。包括： 电动机、传动机构、生产机械、控制设备和电源五个部分。 它们之间的关系如下 电源
0.3 本课程的特点及学习方法
电机及拖动是一门理论性很强的技术基础课，同时又具有 专业课的性质，涉及的基础理论和实际知识面广，是电磁学、 物理学等学科知识的综合。用理论分析电机及拖动的实际问题 时，必须结合电机的具体结构，采用工程观点和分析方法。掌 握基本理论的同时，还要注意培养实验操作技能和计算方法。 为了学好本门课程，必须做到以下几点： 1、抓主要矛盾，有条件地略去一些次要因素； 2、抓住重点，牢固掌握基本概念、基本原理和主要特性； 3、要有良好的学习方法，运用对比或比较的方法，分析电机的共 性和特点，加深对原理和性能的理解； 4、理论联系实际，重视科学实验和工程实践； 5、充分预习和复习。
H dl I
L
2、磁路欧姆定律：
F Rm
l Rm S
铁磁材料的 Rm 不为常数。 3.磁路的基尔霍夫第一定律： 0 说明磁通是连续的。 4.磁路的基尔霍夫第二定律： Hl NI 5.电路中的两个基本定律 ①基尔霍夫第一定律： i 0 ②基尔霍夫第二定律： e u
软 磁 材 料
A)
B
H
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
硬 磁 材 料
B
B)
H
四、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。 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。
6.电磁感应定律 变压器电动势：同上； 运动电动势： e Blv 判断方向：右手定则 7.电磁力定律： f Bil 判断方向：左手定则（主要用于分析旋转 电机的电磁转矩）
d d e N dt dt
1.2常用铁磁性材料及其特性 一、铁磁物质的磁化 铁磁材料：铁、镍、钴及其合金 二、磁化曲线 B f (H ) 1.磁化曲线：特性：①具有高的导磁性能； ②磁化曲线呈非线性（饱和特性） 2.磁滞回线 磁滞现象：B的变化总是滞后H的变化； H 0 时 B 的值，称为剩磁 B r
Basic types of electrical machine:
电力拖动 电动机拖动生产机 械运动称为电力拖动。
电力拖动系统的发展 从最初 的成组拖动,经过单电机拖动 直至现代电力拖动的基本形 式---多电机拖动。 电力拖动系统主要分为直流 和交流拖动系统两大类。
1.generator 2.motor 3.transformer 4.micro-controlled motor An electric drive is a system consisting of one or several electric motors and of the entire electric control equipment designed to govern the performance of these motors.
§1-2 本课程学习常用的物理概念和定律 PHYSICAL CONCEPTS and LAWS
一 磁的基本物理量(Fundamental conceptions of magnetism) 磁感强度(magnetic flux density ) B 磁通(magnetic flux ) Φ 磁场强度(magnetic field intensity) H = B / μ 磁动势(magnetomotive force ) F = I × N 磁阻(magnetic resistance ) Rm = l / (μ× S )
二 磁性材料(Magnetic material) 磁导率 (permeability )μ 真空磁导率(space permeability ) μ0 = 4π× 10 -7 (H/m) 相对磁导率(Relative permeability ) μr = μ/μ0 磁性材料的磁导率很高,远大于真空磁导率。 非磁性材料，磁导率几乎等于真空磁导率。
电机 能够进行能量传递与变 换的电磁机构,称为电机。
电机按其功能分类：
发电机 电动机 变压器 微控电机
Electrical machine is any powergenerating or power-driven machine , such as generator or electric motor .
电机学 electrical machinery
电机与拖动基础 Basis of Electrical Machines
and Drives
绪论 第一章 磁路 第二章 直流电机 第三章 变压器 第四章 交流绕组及其电动势和磁动势 第五章 异步电动机 第六章 控制电机
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0.1 概述
电机是利用电磁感应原理工作的机械。 电机常用的分类方式有两种：
铁磁材料的磁化曲线 Saturation curve The flux increases in direct proportion to the exciting current, as shown by the linear portion Oa of the saturation curve. However, as we continue to raise the exciting current, the iron in the field and the armature begins to saturate. A large increase in the mmf is now required to produce a small increase in flux, as shown by portion bc of the curve. The machine is now said to be saturated. Saturation of the iron begins to be important when we reach the so-called “knee” ab of the saturation curve.
主磁路：主磁通所通过的路径。 漏磁路：漏磁通所通过的路径。 励磁线圈：用以激励磁路中磁通的载流线圈。 励磁电流：励磁线圈中的电流。 直流磁路 磁路 例如:直流电机 交流磁路 例如:变压器
二、磁路的基本定律
1．安培环路定律 定律内容:沿任何一条闭合回线，磁场强度的线积 分值恰好等于该闭合回线所包围的总电流值（代数 和）。 公式:
三、铁磁材料 软磁材料： μ高， Br小，磁滞回线窄 而长，如：铸钢、硅钢、坡莫合金， 制作电机铁心； 硬磁材料：μ不高，Br大，磁滞回线宽 而胖，制造永久磁铁； 四、磁滞损耗和涡流损耗 ①磁滞损耗：磁畴之间产生摩擦而产生的， 2 ph fBm ②涡流损耗：涡流与铁心电阻相作用产生 的损耗， 2 pe f 1.3 Bm ③铁损：磁滞损耗+涡流损耗， 2 2 2
2．磁滞回线 示意图: 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 B 。
r
B
Bm
b
a
矫顽力:要使B值从减小 到零，必须加上相应的 反 向外磁场，此反向 磁场强度Hc称为矫顽力。
Br
c Hc f Hm
Hm 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。 磁滞现象是铁磁材料的 另一个特性。
第一章 磁路 ※ 磁路重点
1、磁路的基本定律; 2、铁磁材料的特性及基本磁化曲线; 3、铁心损耗.
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.见图１－１。
主磁通：由于铁心的导磁性能比空气要好得多， 所以绝大部分磁通将在铁心内通过,这部分磁通称 为主磁通。
漏磁通：围绕载流线圈、部分铁心和铁心周围的 空间，还存在少量分散的磁通，这部分磁通称为 漏磁通。
2 磁饱和性Saturation curve Oa 段外磁场H较弱， 主要是与外磁场同方向的磁畴边界增大的 过程，B增加缓慢。 ab 段，外磁场H较强， 主要是磁畴沿外磁场方向的转动过程， B迅速增大。 bc 段，外磁场增大时，沿外磁场方向转动的磁畴越来越少 了， B的增加逐渐变慢,出现磁饱和。 c 点为饱和点，过了饱和点，磁导率趋于真空磁导率。
k 1
3
又称磁路的串联定律。 附图1-5
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例 题
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。
二、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. 曲线附图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ab附近。
附图1-2,有:
2．磁路的欧姆定律 附图1-3a 定律内容:作用在磁路上的磁动势等于磁路内 的磁通量乘以磁阻。
公式: 式中：
B
F Rm
l Rm S
l l F S
1 Rm
为磁路的磁导
Ni

3．磁路的基尔霍夫第一定律
附图1-4 定律内容:穿出(或进入)任一闭和面的总磁通 量恒等于零(或者说,进入任一闭合面的磁通 量恒等于穿出该闭合面的磁通量),这就是磁 通连续性定律。 公式:
H
e
d
Bm
图1-8 铁磁材料的磁滞回线
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。
B
基 本 磁 化 曲 线
H
图1-9 基本磁化曲线
三、铁磁材料 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。
pFe f Bm d / Re
小 提 示 :
本章内容已结束, 及时复习可以巩 固学习效果。
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Introduction
电机及电力拖动系统ELECTRICAL MACHINE and ELECTRIC DRIVES
电机学 Electrical Machinery 电机与拖动基础 Basis of Electrical Machines and Drives