电机学课件(东南大学)
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东南大学《电机内的电磁场》课件--绪论
Two Forms of Maxwell’s Equations
• Integral form
– Describe EMF in a space region
• Differential form
– Describe EMF of some space point
• Integral form=Differential form+boundary conditions
• Scalars
– ρ…电荷密度 charge density C/m3
EMF Laws (1)
• 全电流定律(Total current law)
∇ × H = J c + ∂D / ∂t = J
H ⋅ dl = ∫ ( J c + ∂D / ∂t ) ⋅ ds ∫
l s
– ∇ … Hamilton operator
– Basic theory of magnetostatic field – Basic theory of time varying field
• Numerical Method of EMF
– Mathematic foundation of numerical methods – 有限差分法（Finite Difference Method, FDM） – 有限单元法（Finite Element Method, FEM）
S2
B2
EMF Laws (4)
• 高斯定律(Gauss law)
D ⋅ ds = ∫ ρdv ∫
s v
∇⋅ D = ρ
EMF Laws (5)
• 电流连续性定律(Current continuity law)
《电机学完整》课件
直流电机控制精度高，响应速度快，适用于需要精确控制速度的场合。
直流电机控制精度高，响应速度快，因此适用于需要精确控制速度的场合，如数控机床、机器人等。同时，直流电机也具有较好的过载能力和启动性能。
总结词
通过改变交流电机的输入电源频率、电压或相位，实现对交流电机启动、制动、调速的目的。
总结词
交流电机结构简单、价格便宜、维护方便，适用于大规模生产和应用。
交流电机是指输入交流电能，输出机械能的电机。
根据工作原理的不同，交流电机可以分为异步电机和同步电机两大类。
交流电机具有结构简单、维护方便、可靠性高等优点，因此在电力、冶金、化工等领域得到广泛应用。
电机的运行原理
直流电机的基本结构
01
直流电机由定子和转子组成，定子包括主磁极和励磁绕组，转子包括电枢绕组和换向器。
专业保养
可能是电源问题、电机内部故障或负载过大。需要检查电源、电机和负载情况，找出具体原因并解决。
启动困难
可能是电机过载、通风不良或润滑不足。需要检查电机的运行状态、通风情况以及润滑情况，找出具体原因并解决。
过热
可能是电机内部有故障、轴承损坏或机械不平衡作原理
02
当直流电流通过励磁绕组时，主磁极产生磁场；当电枢绕组中有电流通过时，受到磁场的作用而产生电磁转矩，从而使转子转动。
直流电机的调速与控制
03
通过改变输入到电枢绕组的电流大小或方向，可以调节直流电机的转速或转向。
交流电机分为异步电机和同步电机，异步电机主要由定子和转子组成，同步电机还包括励磁绕组和集电环。
详细描述
交流电机结构简单、价格便宜、维护方便，因此在大规模生产和应用中得到广泛应用。同时，交流电机也具有较高的效率和可靠性。
直流电机控制精度高，响应速度快，因此适用于需要精确控制速度的场合，如数控机床、机器人等。同时，直流电机也具有较好的过载能力和启动性能。
总结词
通过改变交流电机的输入电源频率、电压或相位，实现对交流电机启动、制动、调速的目的。
总结词
交流电机结构简单、价格便宜、维护方便，适用于大规模生产和应用。
交流电机是指输入交流电能，输出机械能的电机。
根据工作原理的不同，交流电机可以分为异步电机和同步电机两大类。
交流电机具有结构简单、维护方便、可靠性高等优点，因此在电力、冶金、化工等领域得到广泛应用。
电机的运行原理
直流电机的基本结构
01
直流电机由定子和转子组成，定子包括主磁极和励磁绕组，转子包括电枢绕组和换向器。
专业保养
可能是电源问题、电机内部故障或负载过大。需要检查电源、电机和负载情况，找出具体原因并解决。
启动困难
可能是电机过载、通风不良或润滑不足。需要检查电机的运行状态、通风情况以及润滑情况，找出具体原因并解决。
过热
可能是电机内部有故障、轴承损坏或机械不平衡作原理
02
当直流电流通过励磁绕组时，主磁极产生磁场；当电枢绕组中有电流通过时，受到磁场的作用而产生电磁转矩，从而使转子转动。
直流电机的调速与控制
03
通过改变输入到电枢绕组的电流大小或方向，可以调节直流电机的转速或转向。
交流电机分为异步电机和同步电机，异步电机主要由定子和转子组成，同步电机还包括励磁绕组和集电环。
详细描述
交流电机结构简单、价格便宜、维护方便，因此在大规模生产和应用中得到广泛应用。同时，交流电机也具有较高的效率和可靠性。
东南大学《交流电机统一理论》课件第三章
图解法举例
R1 C1 C2 L2 R2 R3
e1
1
i1
e2
i2
3
i3 e3
2
e4
图解法举例
i4
1
i1
G1 L1
i2
L2
2
C2 G2
3
G3
i3
3-3 机械系统的元件
三种效应
– 动能储能、位能储能和机械损耗
对应的三种元件
– 惯性元件、弹性元件和阻力元件
惯性元件
质量为m，或转动惯量为J的元件
旋转 T θ J Kθ R
3-4 机电系统的类比
机电系统相似性的依据
– 电系统
基尔霍夫电压定律 基尔霍夫电流定律
∑u = 0 ∑i = 0 ∑ ∑v = 0 ∑x = 0
– 机械系统
达朗贝尔原理 f =0 速度（或位移）连续性定律
相似性的依据
速度或位移连续性定律
v1
∑v = 0
v2 v v v = 0 1 2 3 v3
对偶关系
电压源e 变量：电流 电阻R 电感L 电容C 电流源i 变量：电压 电导G 电容C 电感L
连接：串联 方程：回路电压
连接：并联 方程：节点电流
例3-1
R1 e1 L1 C1 R2 L2 C2 R3 e2
例3-1
对偶电路
Cab a ia Ga b ic Cc Lab c
K f
R L C
uR u e
uL
uC
m
Rv
iR iL ic
dv f = m + R v v + K ∫ vdt dt
di 1 e = L + Ri + ∫ idt dt C
电机学学习课件教学课件PPT直流电动机
Electrical Machinery
一、基本方程式
（1）电流方程 （2）电势平衡式
I I f Ia
U
I
Te,n
If Ia
Ea Ra
Rf
电枢回路： U Ea Ia (Ra R )
励磁回路：
U I f Rf
U > Ea
重要的转速公式
n U Ia (Ra R ) Ce
School of Electrical and Engineering , Jiangsu University
Electrical Machinery
人为特性的几点补充
（1）考虑电枢反应时，会使机械特性上翘。影响稳定 性。通过补偿绕组改善。
（2）机械特性的确定。特殊点（n0，0），（nN，TN)
（3）通过电机的数据铭牌估算机械特性
n0
UN Ce N
,
Ce N
EaN nN
UN
I N Ra nN
School of Electrical and Engineering , Jiangsu University
Te CT
Ra
n
U Ce
Ra CeCT 2
Te
n
可得
Ra CeCT 2
机械特性是稍下降的直线， 计及饱和， 成为水平或上翘。
Te
School of Electrical and Engineering , Jiangsu University
Electrical Machinery
硬特性:从并励电动机转速随所需电磁转矩的增加而 稍有变化。
Electrical Machinery
电枢回路串电阻的人为机械特性
电枢串电阻人为特性的特点： （1）理想空载转速n0与固有机械特性的n0相同；
一、基本方程式
（1）电流方程 （2）电势平衡式
I I f Ia
U
I
Te,n
If Ia
Ea Ra
Rf
电枢回路： U Ea Ia (Ra R )
励磁回路：
U I f Rf
U > Ea
重要的转速公式
n U Ia (Ra R ) Ce
School of Electrical and Engineering , Jiangsu University
Electrical Machinery
人为特性的几点补充
（1）考虑电枢反应时，会使机械特性上翘。影响稳定 性。通过补偿绕组改善。
（2）机械特性的确定。特殊点（n0，0），（nN，TN)
（3）通过电机的数据铭牌估算机械特性
n0
UN Ce N
,
Ce N
EaN nN
UN
I N Ra nN
School of Electrical and Engineering , Jiangsu University
Te CT
Ra
n
U Ce
Ra CeCT 2
Te
n
可得
Ra CeCT 2
机械特性是稍下降的直线， 计及饱和， 成为水平或上翘。
Te
School of Electrical and Engineering , Jiangsu University
Electrical Machinery
硬特性:从并励电动机转速随所需电磁转矩的增加而 稍有变化。
Electrical Machinery
电枢回路串电阻的人为机械特性
电枢串电阻人为特性的特点： （1）理想空载转速n0与固有机械特性的n0相同；
《电机学》课件 第一章
2. 本课程与电力行业的紧密联系
a 对于电力系统自动化专业的技术人员，必然要从事电力系统 稳定性的研究，则首先要了解各电气设备的特性； b 对于从事电气工程自动化专业的技术人员，要搞清楚所控 制的对象及其各类电动机的特性，才能搞好自动控制
1-1 概述
三、学习《电机学》的什么内容
• •
电机的原理、结构、特性和应用 直流电机、变压器、异步电机、 同步电机
3、电磁力定律
载流导体在磁场中要受到力的作用—电磁力
F Bli
左手定则
1-3 基本电磁定律
电机可逆性原理
如在电机轴上外施机械功率，通过电机导体在磁场中 作用产生感应电势可输出电功率；如在电机电路中从电 源输入电功率，则载流导体在磁场作用下可使电机旋转 而输出机械功率。
任何电机既可以作为发电机运行，又可以作 为电动机运行。 不论用作发电机或电动机，感应电势和电磁 力都同时作用于导体。
1-2 磁路及磁路定律
•
2、磁路的欧姆定律
H dl Hl Ni
B /A Ni F m F L /( A ) R m
H B/
1-2 磁路及磁路定律
3、磁路的基尔霍夫第一定律 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。
1-4 铁磁材料及特性
2、铁磁材料
•
软磁材料--磁滞回线窄，HC及Br小
•
•
硬磁材料--磁滞回线宽，HC及Br大
HC及Br大，难退磁---永磁材料
1-4 铁磁材料及特性
1-4 铁磁材料及特性
1-4 铁磁材料及特性
chap3三相变压器及运行 东南大学电机学课件
磁现象。
串联运行方式及稳定性分析
串联运行方式
三相变压器串联运行是指将三台单相变压器 的次级绕组串联起来，初级绕组则各自独立 运行。
稳定性分析
串联运行可以提供较高的电压，适用于长距 离输电。但串联运行时，变压器之间的电压 差需要严格控制，否则可能导致变压器过载 或损坏。
变压器运行的经济性分析
经济性分析
整理试验数据和分析结果，编 写详细的报告，包括试验数据 、计算过程和结论。
04
三相变压器的运行方式及稳定性分析
并联运行方式及稳定性分析
并联运行方式
三相变压器并联运行是指三台或以上单相变压器的初级绕组并联在同一电压等级的网络 上，次级绕组各自独立运行。
稳定性分析
并联运行可以提高供电的可靠性，实现负载的灵活分配，同时可以减小所需变压器的额 定容量。但需要注意避免因参数匹配不当导致的环流问题，以及因负载不平衡导致的偏
详细描述
空载运行是指变压器一次绕组接上额定电压，二次绕组开路 的情况。此时，变压器的主磁通由一次绕组和二次绕组的漏 磁通组成。由于二次绕组开路，没有电流产生，因此没有附 加的磁通，所以主磁通与匝数成正比。
负载运行特性
总结词
当变压器二次绕组接上负载时的工作情况。
详细描述
负载运行是指变压器二次绕组接上负载时的工作情况。此时，二次绕组有电流通过，产生附加磁通， 与一次绕组交链。由于二次绕组中的电流和匝数成反比，因此，附加磁通与一次绕组的匝数成反比。
变压器在电力系统中的地位和作用
地位
变压器是电力系统中不可或缺的重要设备之一，是实现电能传输和分配的关键环 节。
作用
主要作用是变换电压等级，使电能能在不同电压等级的系统中传输；同时，变压 器还具有隔离不同电压系统、调节无功功率和阻抗匹配等功能。
串联运行方式及稳定性分析
串联运行方式
三相变压器串联运行是指将三台单相变压器 的次级绕组串联起来，初级绕组则各自独立 运行。
稳定性分析
串联运行可以提供较高的电压，适用于长距 离输电。但串联运行时，变压器之间的电压 差需要严格控制，否则可能导致变压器过载 或损坏。
变压器运行的经济性分析
经济性分析
整理试验数据和分析结果，编 写详细的报告，包括试验数据 、计算过程和结论。
04
三相变压器的运行方式及稳定性分析
并联运行方式及稳定性分析
并联运行方式
三相变压器并联运行是指三台或以上单相变压器的初级绕组并联在同一电压等级的网络 上，次级绕组各自独立运行。
稳定性分析
并联运行可以提高供电的可靠性，实现负载的灵活分配，同时可以减小所需变压器的额 定容量。但需要注意避免因参数匹配不当导致的环流问题，以及因负载不平衡导致的偏
详细描述
空载运行是指变压器一次绕组接上额定电压，二次绕组开路 的情况。此时，变压器的主磁通由一次绕组和二次绕组的漏 磁通组成。由于二次绕组开路，没有电流产生，因此没有附 加的磁通，所以主磁通与匝数成正比。
负载运行特性
总结词
当变压器二次绕组接上负载时的工作情况。
详细描述
负载运行是指变压器二次绕组接上负载时的工作情况。此时，二次绕组有电流通过，产生附加磁通， 与一次绕组交链。由于二次绕组中的电流和匝数成反比，因此，附加磁通与一次绕组的匝数成反比。
变压器在电力系统中的地位和作用
地位
变压器是电力系统中不可或缺的重要设备之一，是实现电能传输和分配的关键环 节。
作用
主要作用是变换电压等级，使电能能在不同电压等级的系统中传输；同时，变压 器还具有隔离不同电压系统、调节无功功率和阻抗匹配等功能。
《电机学完整》课件
近年来，随着电力电子技术、控制理 论和信息技术的发展，电机学不断涌 现出新的理论和技术，如永磁同步电 机、开关磁阻电机和智能电机等。
02
电机类型与工作原理
Chapter
直流电机
直流电机是指依据电磁感应定律实现 电能转换或传递的一种电磁装置。
直流电机有定子和转子两大部分组成 ，定子上有励磁绕组，转子上有励磁 极，励磁极上有铁心。
未来电机技术的前景展望
新型电机材料
随着新材料技术的发展，新型电机材料如碳纤维、纳米材料等将为 电机的发展带来新的机遇和挑战。
数字化电机
数字化电机的应用将进一步提高电机的性能和可靠性，实现更加智 能化的控制和管理。
新能源电机
随着新能源技术的不断发展，新能源电机如太阳能电机、风力电机等 将得到广泛应用，为可再生能源的开发利用提供有力支持。
集成化
集成化电机能够减小体积、降低 成本，提高电机的可靠性和稳定 性，满足各种小型化设备的需求 。
01 02 03 04
智能化
随着人工智能和物联网技术的发 展，电机的智能化成为新的发展 方向，能够实现远程监控、故障 诊断等功能。
可持续性
随着环保意识的提高，电机的可 持续性发展成为重要挑战，需要 研发更加环保、节能的电机技术 。
步进电机有多种类型，如永磁式、反应式和混合式等， 每种类型都有其特点和适用范围。
步进电机的工作原理基于磁阻效应，即当磁场改变方向 时，铁心会因为磁阻的变化而产生旋转力矩。
步进电机的转速与输入脉冲频率和电机极数有关，可以 通过调节输入脉冲频率来控制电机的旋转速度。
03
电机设计与制造
Chapter
电机设计基础
01
03
交流电机的转速与电源频率、磁极对数和电机极数有 关，其计算公式为：n=60f/p，其中f为电源频率，p
02
电机类型与工作原理
Chapter
直流电机
直流电机是指依据电磁感应定律实现 电能转换或传递的一种电磁装置。
直流电机有定子和转子两大部分组成 ，定子上有励磁绕组，转子上有励磁 极，励磁极上有铁心。
未来电机技术的前景展望
新型电机材料
随着新材料技术的发展，新型电机材料如碳纤维、纳米材料等将为 电机的发展带来新的机遇和挑战。
数字化电机
数字化电机的应用将进一步提高电机的性能和可靠性，实现更加智 能化的控制和管理。
新能源电机
随着新能源技术的不断发展，新能源电机如太阳能电机、风力电机等 将得到广泛应用，为可再生能源的开发利用提供有力支持。
集成化
集成化电机能够减小体积、降低 成本，提高电机的可靠性和稳定 性，满足各种小型化设备的需求 。
01 02 03 04
智能化
随着人工智能和物联网技术的发 展，电机的智能化成为新的发展 方向，能够实现远程监控、故障 诊断等功能。
可持续性
随着环保意识的提高，电机的可 持续性发展成为重要挑战，需要 研发更加环保、节能的电机技术 。
步进电机有多种类型，如永磁式、反应式和混合式等， 每种类型都有其特点和适用范围。
步进电机的工作原理基于磁阻效应，即当磁场改变方向 时，铁心会因为磁阻的变化而产生旋转力矩。
步进电机的转速与输入脉冲频率和电机极数有关，可以 通过调节输入脉冲频率来控制电机的旋转速度。
03
电机设计与制造
Chapter
电机设计基础
01
03
交流电机的转速与电源频率、磁极对数和电机极数有 关，其计算公式为：n=60f/p，其中f为电源频率，p
电机资料(PPT)
La Uc Ic
Ra
TL
Ea M
Ω
J
EE
东南大学电气工程系电机教研室
Chapter 1
设： TL = 0
Servo Motor
dΩ K T ic = J dt 2 Ra J dΩ La J d Ω + + KT Ω uc = 2 K T dt K T dt Ra J La d 2 Ω Ra J dΩ uc + 2 +Ω = 2 2 K T Ra dt K T dt KT d 2Ω dΩ τm τe 2 + τm + Ω = K Ω uc = Ω 0 dt dt Ra J τm = 2 机电时间常数 KT La 电磁时间常数 τe = Ra
Ea ( s ) ′ Ke
设TL=0，则可简化为
EE
东南大学电气工程系电机教研室
Chapter 1
U c ( s ) − Ea ( s ) U c ( s) + − Ea ( s )
Servo Motor
Ω( s ) U c ( s) Ω( s ) KΩ τm τe s 2 + τm s + 1
KT ( Ra + sLa ) Js ′ Ke Ω( s ) = U c ( s) 1 +
EE
东南大学电气工程系电机教研室
Chapter 1
Servo Motor
§ 1-2 DC Servo Motor
¾ 结构与分类 传统型直流伺服电动机 其结构与普通进流电动机基本相同，它可以再分为电磁 式和永磁式两种；
定子铁心冲片
电枢冲片
EE
东南大学电气工程系电机教研室
Chapter 1
东南大学电机学课件4
a0 3 a b c
( (
) )
例题
1. 设有一不对称三相电压
ua = 2 ⋅100 cos(ωt + 30°) ub = 2 ⋅ 80 cos(ωt − 60°) uc = 2 ⋅ 50 cos(ωt + 90°)
将其分解为对称分量。
显然，各相大小不等，相位差也不相同，为不对称电压。 ɺ 表示为复数形式： U a = 100∠30° = 100(cos 30° + j sin 30°) = 86.6 + j 50 V ɺ U a = 80∠ − 60° = 80(cos 60° − j sin 60°) = 40 − j 69.3 V ɺ U c = 50∠90° = 50(cos 90° + j sin 90°) = 0 + j 50 V 分解为对称分量： 1 ɺ ɺ ɺU + U a + = (U a + αU+bUα)2U c ) U 2ɺ ɺ +ɺ cα ɺ − 0 b b 3 1 = ((86..6 + jj50 ) + ( − 1 − j 69.)() + (0 j+ j 50)+ − 1 + j 23 (0 + j 50) 86 6 + 50 + ( 40 + 23 3 40 − 69.3) ) 2 − 2 3 = 56.6.2 + 31.43 V −12 + j 10 23 42 2 j8 33
A-
B逆时针
性质：每相大小相等，彼此相位差120 120， 性质 ： 每相大小相等 ， 彼此相位差 120 ， 相 序为a >c->b。 序为a->c->b
( (
) )
例题
1. 设有一不对称三相电压
ua = 2 ⋅100 cos(ωt + 30°) ub = 2 ⋅ 80 cos(ωt − 60°) uc = 2 ⋅ 50 cos(ωt + 90°)
将其分解为对称分量。
显然，各相大小不等，相位差也不相同，为不对称电压。 ɺ 表示为复数形式： U a = 100∠30° = 100(cos 30° + j sin 30°) = 86.6 + j 50 V ɺ U a = 80∠ − 60° = 80(cos 60° − j sin 60°) = 40 − j 69.3 V ɺ U c = 50∠90° = 50(cos 90° + j sin 90°) = 0 + j 50 V 分解为对称分量： 1 ɺ ɺ ɺU + U a + = (U a + αU+bUα)2U c ) U 2ɺ ɺ +ɺ cα ɺ − 0 b b 3 1 = ((86..6 + jj50 ) + ( − 1 − j 69.)() + (0 j+ j 50)+ − 1 + j 23 (0 + j 50) 86 6 + 50 + ( 40 + 23 3 40 − 69.3) ) 2 − 2 3 = 56.6.2 + 31.43 V −12 + j 10 23 42 2 j8 33
A-
B逆时针
性质：每相大小相等，彼此相位差120 120， 性质 ： 每相大小相等 ， 彼此相位差 120 ， 相 序为a >c->b。 序为a->c->b
东南大学《交流电机统一理论》课件第六章
功率
• 由于
3 2 ctc = 0 0 0 0 3 0 2 0 3
– 所以
3 3 P = u d i d + u q i q + 3u 0i 0 2 2
功率
3 3 P = u d i d + u q i q + 3u 0i 0 2 2
• 解释：
– 变换为磁势不变，而非功率不变
ψF = MaF[ia cosθ + ib cos( θ −120°) + ic cos( θ +120°)]+ LFiF + MFDiD 3 = MaFid + LFiF + MFDiD 2
dq0系统的转子磁链
• 直轴阻尼绕组D的磁链
3 ψD = MaDid + LDiD + MFDiF 2
dq0系统的转子磁链
气隙储能变化率
电磁转矩
• 电磁转矩
Tm = Pm / Ω = pPm / ω 3 = (ψ d i q − ψ q i d ) 2
电磁转矩
• 转矩方程
Tm + Tmec
d θ dθ = J 2 + RΩ dt dt
2
6-2 同步电机标么值方程
• 标么值
– 常用于同步的暂态分析 – 简化计算 – 有助于判定电机的工作状态
同步电机的标么值
• 定子各物理量基值定义
– 电压： – 电流： – 阻抗：
u b = 2u φN i b = 2i φN ub Zb = ib
同步电机的标么值
ωb = 2πf b = 2πf1 ωb – 角速度： Ω b = p Zb – 电感： L = b ωb
东南大学电机内的电磁场课件第五章
×
×
u1
u
2
p1
p2
3 × 0 ×
4
0
×
×
×
5
6
× 0 × 1 .0 0× 0 ×
u
3
u4
u
5
=
p3
p4
u
0
u6 p6
7
8
0 × ××
∑ ∑ [ ] [ ] Ne
∂W∆e
=
Ne
(
k eU −
p
)
e=1 ∂U
e =1
= [K ][U ]− [P]= 0
[K ][U ]= [P]
Assembly of Element Matrix
1
i jm
n
OM
M
M
N
i
j
L L
kii k ji
kij k jj
kim L k jm L
m
L N
kmi M
kmj M
kmm M
L O
n
K
pi
pj
pm
P
Equal-band 1-D Store
1
×
2
×
×
3
× 0 ×
4
0
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升压变压器 电网 发电机 汽轮机/水轮机
第一节
降压变压器
电动机
燃煤
水力
绪论…
第一节
现代工农业生产中需要大量的电动机
机械 冶金 化学 轻纺 交通运输 农业 特定用途的要求： 防爆，防腐蚀（石油，煤矿） 防尘，防潮（轻纺） 防碱酸（化工）
绪论…
特定性能的要求
不同容量（几mW~几千MW） 不同电压 不同启动性能 不同调速性能
电：能量的一种形式 电机：能量转换的一种装置 19世纪初 奥斯特、法拉第发现电磁感应现象
电机和电力工业的研究开发开始起步
绪论…
电能的优越性
第一节
大量生产 集中管理 远距离传输 自动控制
电机工业的地位
电力工业 工矿企业 国防 农业 交通运输 日常生活
电力工业以电机制造业的发展为基础
发电与用电过程
绪论…
第五节 电机的制造材料
材料的功用：导电，导磁 ，绝缘，散 热和机械支撑
绪论…
导电材料：铜和铝
第五节
20oc时铜的电阻率为17.24×10-9 Ω.m 20oc时铝的电阻率为28.2×10-9 Ω.m
集电环的材料：黄铜，青铜和钢
绪论…
导磁材料：
钢铁
第五节
电工钢片：含硅，电阻大，导磁率高，可 减小铁芯中的涡流损耗 标准厚度0.35, 0.5, 1mm， 高频时0.2, 0.15,0.1mm
绪论…
第四节
磁通：通过磁场某一面积的磁感应线数， 穿过一平面的磁通 φ = BS cos θ 穿过任意曲面的磁通
φ=
n
∫ B cos θ ds = ∫ Bds
s s
B
θ
S
绪论…
第四节
磁通连续性定理 穿过任意封闭曲面的磁通为零 磁密
B = φ/S
磁通密度即为磁感应强度
T = Wb / m
2
绪论…
绪论…
认识深化
第六节
50年代，D.C.White和H.H.Woodson机电能 量转换理论将电机理解为机电能量或信号转 换的装置 60年代，现代控制理论以系统的观点理解电 机为一种时变的分布参数、多输出多输入的 非线性系统
绪论…
剖析现状
第六节
电机的外延拓宽了 电机数学模型的精度提高 电机性能发生了优化和异化，电机与 控制融为一体
绪论…
第二节
1937年 100MVA/空冷 150MVA/3000rpm/氢冷 1956年 208MVA/定水转氢 1960年 1000MVA 设计、工艺、绝缘、结构材料 超导技术
绪论…
第二节
电机技术和经济指标不断改进 计算机辅助设计(CAD)，优化技术 新工艺和新的测试方法 应用范围不断扩大 特定用途电机 潜水，防爆，船舶，纺织，矿用，林 业等
第三节
按照速度来分
直流电机 无固定同步速 变压器 静止设备
绪论…
第三节
异步电机 电动机运行：速度小于同步速 发电机运行：速度大于同步速 同步电机 速度等于同步速 交流换向器电机： 速度可在大范围内调节
绪论…
第三节
发电机和电动机只是同一电机的 不同运行方式
发电机
电动机
绪论…
第四节
第四节
电机的基本作用原理
电和磁 构成了电机的两大要素 磁场和磁感应强度
磁场：运动电荷（电流〕周围一种特殊物 质 洛仑磁力
F = BIL
绪论…
磁感应线和磁通量
磁感应线（磁力线〕： 切线方向为B的方向 疏密程度表示B的大小
第四节
i
绪论…
第四节
磁感应线的特性 磁感应线的回转方向与电流的方向遵守右 手定则 磁感应线不相交 磁感应线无起点和终点
磁场强度、磁导率
表征磁场性质的一个矢量 H ，单位
第四节
A/m
B = H
为介质的磁导率 真空磁导率
o = 4π × 10 H / m
7
绪论…
第四节
电机中有铁磁和非铁磁物质 非铁磁 = 0如空气、铜、铝、绝缘材料 等 铁磁 >> 0如铁、镍合金等 相对导磁率 r 导磁率与真空导磁率之比 = r 0 铁磁材料 r = 103 ~ 105 磁通趋向于从高导磁率材料中通过
绪论…
B Bm Br
第四节
-Hm
Hc O Hm H
-Bm
绪论…
铁芯损耗
铁芯损耗： 磁滞损耗 涡流损耗
第四节
B(交变）
导体
涡流
绪论…
磁场储能
体积能量密度 ω m 总能量 Wm Wm 对线性介质:
第四节
= ω m V = V ∫ HdB
ωm =
∫ HdB
1 ωm = BH 2 W m = B 2 /( 2 ) = B 2 /( 2 r 0 )
绪论…
数学公式: ∫l H dl = ∑ IN 磁压 u = H dl l IN 磁动势（磁势〕： 沿着磁场中任一闭合回路， 其总磁压等于总磁势
第四节
安培环路定律 （磁路基尔霍夫第二定律）
∫
∑
U1
U2
φ
IN
U3
∑ U = ∑ IN
i
U4
绪论…
磁路，磁路参数
磁阻 ( H 1 ) : 磁导 Λ ( H ) : Λ 磁路的欧姆定律：
电机的基本作用原理：电磁感应定律 旋转电机
定子，转子和气隙——能量转换的场所
绪论…
按照电机在应用中的职能来分
第三节
发电机：机械功率转换为电功率 电动机：电功率转换为机械功率 其 它：电功率转换为另一形式的电功率 变压器 变流器 变频器 移相器 微型控制电机
绪论…
按照电流的种类来分：
直流电机和交流电机
绪论…
第二节
3 单相交流电的应用： 1876年 交流电被应用于照明装置 1884年 闭合磁路的变压器的制成 4 三相交流电的应用： 1885年 二相交流异步电机的模型 1889～1897年 三相电动机和三相变压 器
绪论…
电机的发展趋势
第二节
单相容量不断提高 电机重量、材料、损耗、造价与容量 不成正比 1900年 5MVA 1920年 25MVA/3000rpm 6MVA/1000rpm
绪论…
感应电势的方向： 右手定则
第四节
φ
i
φx
e
绪论…
第四节
分类：根据磁链变化的方式的不同 变压器电势：磁通本身随时间变化 运动电势: 线圈与磁场有相对运动引起 线圈中磁链的变化 B～
R V
B－
绪论…
电磁力、电磁转矩 电磁力： F e = Bli
第四节
电磁力的方向：左手定则 电磁转矩： T = Blir
第四节
= l /( S )
= 1/
= U/φ
绪论…
第四节
磁路与 电路有本质上的不同： 电流是带电粒子的真实运动；而磁通只是 一种描述方法；直流电流通过电阻时会有 能量损失，而恒定磁通通过磁阻不会产生 任何损耗。
绪论…
磁路的基尔霍夫第一定律
第四节
依据：磁通连续性原理 流入任一磁路节点磁通代数和为零
绪论…
第五节
绝缘材料的等级： O(90)，A(105)，B(120)，E(130)， F(155)，H(180)，C(>180) 变压器油： 作用：绝缘和散热 支撑材料： 机座，端盖， 轴，轴承，螺杆
绪论…
第六节
第六节 电机学科的回顾和展望
回顾历史
1833年，诞生了第一台电机 电机以优异的能量转换机制，向大自然攫 取能量供人类使用
N1
φσ2
互感
M M
21
N 2φ ψ 21 = = Ι1 Ι1
21
=
N 2Λ
12
N 1I1
I1
= Λ
12
N 1N N 1N
2
12
N 1 φ 12 N 1 Λ 21 N 2 I 2 ψ 12 = = Λ = = I2 Ι2 Ι2
21
2
绪论…
I1
U1
第四节
φ 21
N1
φ 12
N2 N1
I2 N2
U2
φ σ1
绪论…
电感
第四节
定义：单位电流所产生的磁链 自感： L = ψ / I = N φ / I = N Λ F / I = N Λ IN / I = Λ N 2 分类：自感和互感
I
φ
N
U
U
I Nx
N
φ
φx
ψ = N x φ x + Nφ
绪论…
I1
U1
第四节
φ 21
N1
φ 12
N2
I2
N2
U2
φ σ1
学习方法
掌握基本原理 弄清基本概念 学会分析问题 不断思考总结
绪论… 习题： 1-4, 1-5, 1-6, 1-7
习题
φσ2
漏感
L L
σ1
ψ σ1 ψ = = Ι1 ψ σ2 ψ = = Ι2
11
ψ Ι1 ψ Ι2
21
σ 2
22
12
绪论…
电磁感应定律
第四节
定义： 当线圈中的磁链发生变化时，线圈中有感 应电动势产生 公式：e = dψ / dt 或 e = Ndφ / dt 线圈中的感应电动势倾向于阻止线圈中磁链 的变化
E
绪论…
第四节
不论导体用作发电机或电动机，感应电 势和电磁力都同时作用
感应电势>外部端电压，外界输入机械功 率，作发电机运行 外部端电压>感应电势，外电源输入电功 率，作电动机运行
绪论…
第四节
任何电机既可作为发电机运行，也可 作为电动机运行
第一节
降压变压器
电动机
燃煤
水力
绪论…
第一节
现代工农业生产中需要大量的电动机
机械 冶金 化学 轻纺 交通运输 农业 特定用途的要求： 防爆，防腐蚀（石油，煤矿） 防尘，防潮（轻纺） 防碱酸（化工）
绪论…
特定性能的要求
不同容量（几mW~几千MW） 不同电压 不同启动性能 不同调速性能
电：能量的一种形式 电机：能量转换的一种装置 19世纪初 奥斯特、法拉第发现电磁感应现象
电机和电力工业的研究开发开始起步
绪论…
电能的优越性
第一节
大量生产 集中管理 远距离传输 自动控制
电机工业的地位
电力工业 工矿企业 国防 农业 交通运输 日常生活
电力工业以电机制造业的发展为基础
发电与用电过程
绪论…
第五节 电机的制造材料
材料的功用：导电，导磁 ，绝缘，散 热和机械支撑
绪论…
导电材料：铜和铝
第五节
20oc时铜的电阻率为17.24×10-9 Ω.m 20oc时铝的电阻率为28.2×10-9 Ω.m
集电环的材料：黄铜，青铜和钢
绪论…
导磁材料：
钢铁
第五节
电工钢片：含硅，电阻大，导磁率高，可 减小铁芯中的涡流损耗 标准厚度0.35, 0.5, 1mm， 高频时0.2, 0.15,0.1mm
绪论…
第四节
磁通：通过磁场某一面积的磁感应线数， 穿过一平面的磁通 φ = BS cos θ 穿过任意曲面的磁通
φ=
n
∫ B cos θ ds = ∫ Bds
s s
B
θ
S
绪论…
第四节
磁通连续性定理 穿过任意封闭曲面的磁通为零 磁密
B = φ/S
磁通密度即为磁感应强度
T = Wb / m
2
绪论…
绪论…
认识深化
第六节
50年代，D.C.White和H.H.Woodson机电能 量转换理论将电机理解为机电能量或信号转 换的装置 60年代，现代控制理论以系统的观点理解电 机为一种时变的分布参数、多输出多输入的 非线性系统
绪论…
剖析现状
第六节
电机的外延拓宽了 电机数学模型的精度提高 电机性能发生了优化和异化，电机与 控制融为一体
绪论…
第二节
1937年 100MVA/空冷 150MVA/3000rpm/氢冷 1956年 208MVA/定水转氢 1960年 1000MVA 设计、工艺、绝缘、结构材料 超导技术
绪论…
第二节
电机技术和经济指标不断改进 计算机辅助设计(CAD)，优化技术 新工艺和新的测试方法 应用范围不断扩大 特定用途电机 潜水，防爆，船舶，纺织，矿用，林 业等
第三节
按照速度来分
直流电机 无固定同步速 变压器 静止设备
绪论…
第三节
异步电机 电动机运行：速度小于同步速 发电机运行：速度大于同步速 同步电机 速度等于同步速 交流换向器电机： 速度可在大范围内调节
绪论…
第三节
发电机和电动机只是同一电机的 不同运行方式
发电机
电动机
绪论…
第四节
第四节
电机的基本作用原理
电和磁 构成了电机的两大要素 磁场和磁感应强度
磁场：运动电荷（电流〕周围一种特殊物 质 洛仑磁力
F = BIL
绪论…
磁感应线和磁通量
磁感应线（磁力线〕： 切线方向为B的方向 疏密程度表示B的大小
第四节
i
绪论…
第四节
磁感应线的特性 磁感应线的回转方向与电流的方向遵守右 手定则 磁感应线不相交 磁感应线无起点和终点
磁场强度、磁导率
表征磁场性质的一个矢量 H ，单位
第四节
A/m
B = H
为介质的磁导率 真空磁导率
o = 4π × 10 H / m
7
绪论…
第四节
电机中有铁磁和非铁磁物质 非铁磁 = 0如空气、铜、铝、绝缘材料 等 铁磁 >> 0如铁、镍合金等 相对导磁率 r 导磁率与真空导磁率之比 = r 0 铁磁材料 r = 103 ~ 105 磁通趋向于从高导磁率材料中通过
绪论…
B Bm Br
第四节
-Hm
Hc O Hm H
-Bm
绪论…
铁芯损耗
铁芯损耗： 磁滞损耗 涡流损耗
第四节
B(交变）
导体
涡流
绪论…
磁场储能
体积能量密度 ω m 总能量 Wm Wm 对线性介质:
第四节
= ω m V = V ∫ HdB
ωm =
∫ HdB
1 ωm = BH 2 W m = B 2 /( 2 ) = B 2 /( 2 r 0 )
绪论…
数学公式: ∫l H dl = ∑ IN 磁压 u = H dl l IN 磁动势（磁势〕： 沿着磁场中任一闭合回路， 其总磁压等于总磁势
第四节
安培环路定律 （磁路基尔霍夫第二定律）
∫
∑
U1
U2
φ
IN
U3
∑ U = ∑ IN
i
U4
绪论…
磁路，磁路参数
磁阻 ( H 1 ) : 磁导 Λ ( H ) : Λ 磁路的欧姆定律：
电机的基本作用原理：电磁感应定律 旋转电机
定子，转子和气隙——能量转换的场所
绪论…
按照电机在应用中的职能来分
第三节
发电机：机械功率转换为电功率 电动机：电功率转换为机械功率 其 它：电功率转换为另一形式的电功率 变压器 变流器 变频器 移相器 微型控制电机
绪论…
按照电流的种类来分：
直流电机和交流电机
绪论…
第二节
3 单相交流电的应用： 1876年 交流电被应用于照明装置 1884年 闭合磁路的变压器的制成 4 三相交流电的应用： 1885年 二相交流异步电机的模型 1889～1897年 三相电动机和三相变压 器
绪论…
电机的发展趋势
第二节
单相容量不断提高 电机重量、材料、损耗、造价与容量 不成正比 1900年 5MVA 1920年 25MVA/3000rpm 6MVA/1000rpm
绪论…
感应电势的方向： 右手定则
第四节
φ
i
φx
e
绪论…
第四节
分类：根据磁链变化的方式的不同 变压器电势：磁通本身随时间变化 运动电势: 线圈与磁场有相对运动引起 线圈中磁链的变化 B～
R V
B－
绪论…
电磁力、电磁转矩 电磁力： F e = Bli
第四节
电磁力的方向：左手定则 电磁转矩： T = Blir
第四节
= l /( S )
= 1/
= U/φ
绪论…
第四节
磁路与 电路有本质上的不同： 电流是带电粒子的真实运动；而磁通只是 一种描述方法；直流电流通过电阻时会有 能量损失，而恒定磁通通过磁阻不会产生 任何损耗。
绪论…
磁路的基尔霍夫第一定律
第四节
依据：磁通连续性原理 流入任一磁路节点磁通代数和为零
绪论…
第五节
绝缘材料的等级： O(90)，A(105)，B(120)，E(130)， F(155)，H(180)，C(>180) 变压器油： 作用：绝缘和散热 支撑材料： 机座，端盖， 轴，轴承，螺杆
绪论…
第六节
第六节 电机学科的回顾和展望
回顾历史
1833年，诞生了第一台电机 电机以优异的能量转换机制，向大自然攫 取能量供人类使用
N1
φσ2
互感
M M
21
N 2φ ψ 21 = = Ι1 Ι1
21
=
N 2Λ
12
N 1I1
I1
= Λ
12
N 1N N 1N
2
12
N 1 φ 12 N 1 Λ 21 N 2 I 2 ψ 12 = = Λ = = I2 Ι2 Ι2
21
2
绪论…
I1
U1
第四节
φ 21
N1
φ 12
N2 N1
I2 N2
U2
φ σ1
绪论…
电感
第四节
定义：单位电流所产生的磁链 自感： L = ψ / I = N φ / I = N Λ F / I = N Λ IN / I = Λ N 2 分类：自感和互感
I
φ
N
U
U
I Nx
N
φ
φx
ψ = N x φ x + Nφ
绪论…
I1
U1
第四节
φ 21
N1
φ 12
N2
I2
N2
U2
φ σ1
学习方法
掌握基本原理 弄清基本概念 学会分析问题 不断思考总结
绪论… 习题： 1-4, 1-5, 1-6, 1-7
习题
φσ2
漏感
L L
σ1
ψ σ1 ψ = = Ι1 ψ σ2 ψ = = Ι2
11
ψ Ι1 ψ Ι2
21
σ 2
22
12
绪论…
电磁感应定律
第四节
定义： 当线圈中的磁链发生变化时，线圈中有感 应电动势产生 公式：e = dψ / dt 或 e = Ndφ / dt 线圈中的感应电动势倾向于阻止线圈中磁链 的变化
E
绪论…
第四节
不论导体用作发电机或电动机，感应电 势和电磁力都同时作用
感应电势>外部端电压，外界输入机械功 率，作发电机运行 外部端电压>感应电势，外电源输入电功 率，作电动机运行
绪论…
第四节
任何电机既可作为发电机运行，也可 作为电动机运行