电机的基础理论与制造工艺培训

O
H
减少磁滞损耗的措施： 选用磁滞回线狭小的磁性材料制作铁心。变压器和电机中使用 的硅钢等材料的磁滞损耗较低。
选择适当的磁感应强度值以减小铁心饱和程度。
4.2. 涡流损耗（pwh）
涡流：交变磁通在铁心内产生感应电动
势和电流，称为涡流。涡流在垂直于磁
通的平面内环流。
涡流损耗: 由涡流所产生的功率损耗。
Br•
铁心中的磁感应强度。
例如: 永久磁铁的磁性就是由剩磁产 生的；自励直流发电机的磁极，为
了使电压能建立，也必须具有剩磁。
• O •Hc H •
磁滞回线
几种常见磁性物质的磁化曲线
B/T 1 2 3 4 5 6 7 8 9
1.8
1.6
1.4 1.2 c
b 1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
a
O 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 a 铸铁 b 铸钢 c 硅钢片
1.3 磁场强度
磁场强度H ：表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。 磁场强度H的单位 ：安培/米（A/m)
1.4 磁导率
磁导率 ：表示磁场媒质磁性的物理量，衡量物质的导磁能力。
它与磁场强度的乘积就等于磁感应强度，即：
B μH
磁导率 的单位：亨/米（H/m）
二、磁路及其基本定律
磁路：磁通所通过的路径。
电磁转矩为： Te CT I a
Ct : 转矩常数；ф：每极总磁通量：Ia：电枢电流
为了减少电枢感应电动势和电磁转矩的脉动，实际电枢绕组由许多线圈串联而成
1.1 转子（又称电枢） 由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。
1.2 定子 定子的分类： 永磁式：由永久磁铁做成。 励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中 通过直流电，形成电磁铁。
B BJ曲线和B0直线的纵坐标相 加即磁场的 B-H 磁化曲线。
B
b •
B
a •
BJ
B0
O
磁化曲线 H
3.2.3、磁滞性
磁性材料在交变磁场中反复磁化，其B-H关系曲线是一 条回形闭合曲线，称为磁滞回线。
磁性材料中磁感应强度B的变化总是滞后于外磁场变化的性质。
B
剩磁感应强度Br (剩磁) ： 当线圈中电流减小到零(H=0)时，
主磁通
＋i
Φ
u
Φ
磁路
－
漏磁通
2.1 全电流安培环路定律
沿任何一条闭合回线L，磁场强度H的线积分等于该闭合回 线所包围的电流的代数和
L Hdl i
如果在均匀磁场中，沿着回线 L 磁场强度H处处相等，则
HL i F F称为磁动势
2.2 磁路的欧姆定律
作用在磁路上的磁动势 F 等于磁路内的磁通量Φ乘以磁阻 Rm
• 1834~1870年间，凸极式的T形绕组被分布绕组替代，且 发电机和电动机合二为一；
• 1880年，爱迪生提出采用叠片铁心； • 1882年，台勃莱兹把米斯巴哈水电站发出的2KW的直流
电，用一根长57KM的输电线送到了慕尼黑；
二、交流电机的形成和发展时期
• 1885年，弗拉利斯制作了一台两相感应电机； • 1889年，多利伏-多勃罗夫斯基设计制作出三相感应电机； • 19世纪80年代的末期出现高速的原动机； • 电机理论方面， • 1893年左右，开始利用复数和相量来分析交流电路； • 1894年，海兰提出“多相感应电机性能图解确定法”，同
定义：无论何种原因使的与闭合线圈交链的磁链ψ随着时间t
变化时，线圈中将会 产生感应电动势e
e d N d
dt
dt
切割（运动）电动势
当磁场和线圈导体之间有相对运动时，使得穿过线圈的磁通随
着时间的变化而变化。
此时的e叫做运动电动势 方向由右手定则判定。
e=Blv
2.5 电磁力定律
载流导体在磁场中要受到力的作用，方向用左手定则判定。 f=Bil
组）和辅绕组（也称起动绕组
成副绕组）。 主绕组接交流电源，辅绕组串
W
接离心开关S或起动电容、运行
A
电容等之后，再接入电源。
转子为笼型铸铝转子，它是
将铁心叠压后用铝铸入铁心的
绕组
槽中，并一起铸出端环，使转
子导条短路成鼠笼型。
ST
定子
A'
X
X'
转子
2.1.2单相电机工作原理
由于单相绕组产生的是脉振磁场，当定子绕组产生的合 成磁场增加时，根据右手螺旋定则和左手定则，可知转子 导条左、右受力大小相等方向相反，所以没有起动转矩。
• 1920~1940年间，寄生转矩，噪声，震动被提出研究；
• 1954年，柯伐煦提出空间向量法，1965年，计算机开始 被引入电机工程领域；
• 20世纪70年代，“矢量变换控制”理论提出，同时涌现一 大批可控制电机；
• 80年代以后，永磁无刷电机和开关磁阻电机等新型电机得 到了较快发展；
• 90年代以后，一种场路结合的有限元-状态空间耦合时步 法得到应用；
电机工作原理
自 然 界 的 运 动 都 是 趋 向 相 对 稳 定 的。
一、直流电动机 电刷
注意：换向片和电源固
+
N I
定联接，线圈无论怎样
U
转动，总是上半边的电 流向里，下半边的电流
I
向外。电刷压在换向片 上。
–
S
换向片
工作原理：上下两片电刷静止不动，电压加在电刷上，电流总是从正极性 的上电刷流入，经过换向片，到达处于N极下的导体；再经S极下的导体， 由负极性的下电刷流出；故当导体轮流交替处于N极和S极下时，导体中的 电流将随其所处磁极的改变而同时改变其方向，从而使电磁转矩保持不变。
F Rm
2.3、磁路的基尔霍夫定律 2.3.1 磁路的基尔霍夫第一定律
1 2 3 0
或
0
Φ1 闭合面 Φ2
i1
i2
Φ3
2.3.2 磁路的基尔霍夫第二定律
3
Wi Hklk H1l1 H2l2 H 1Rm1 2Rm2 Rm k 1
2.4、电磁感应定律
简单的说电磁感应定律就是变化的电场附近会产生变化的磁 场，而变化的磁场附近会产生变化的电场。
10 103 H/(A/m)
c b
a H/(A/m) 1.0103
按磁性物质的磁性能，磁性材料分为三种类型：
铁磁材料
软磁材料
代表 性能 铸铁指、标铸钢、 名硅钢称片
特点
磁滞回线 窄，剩磁 Br和矫顽 力Hc都小
硬硬磁磁材料材料
代表
特点
矩磁材料
代表
特点
铝镍钴剩、磁铁B氧r，矫顽磁力滞H回c和线最宽大，磁剩能积【BH】max
在旋转电机中，作用在转子载流导体上的电磁力将使转受 到一个力矩（等于力乘以转子半径），这个力矩称之为电 磁转矩。
2.6 电路定律
(1)欧姆定律：u=iR (2)基尔霍夫第一定律（电流定律） ∑i=0 (3)基尔霍夫第二定律（电压定律）
在电路中，对任一回路，沿回路环绕一周，回路内所有元件的电压代数和等于零， 即 ∑u=0。
铁氧体
Hc很高，抗去磁能力强，价格便宜，比重较 小，不需要进行工作稳定性处理
Br不大，温度对磁性能影响较大，不适用温度 变化大而要求温度稳定性高的场合
稀土钴
综合磁性能好，很强的抗去磁能力，磁性的 温度稳定性较好，其允许工作温度可高达
200~250度
除电加工外，不能进行其他机械加工，另外材 料的价格较贵，制造成本亦高
显示出磁性。
3.2.2 磁饱和性
磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强
而无限的增强。
当外磁场增大到一定程度时，磁性物质磁畴的磁场方向全部 都转向与外部磁场方向一致，磁化磁场的磁感应强度将趋向 某一定值，如图。
BJ 磁场内磁性物质的磁化磁场 的磁感应强度曲线；
B0 磁场内不存在磁性物质时的 磁感应强度直线；
体、稀土钴、 磁Br和矫顽力 镁锰铁氧体
优点铝铁硼
Hc都大
缺点
具有较大的矫顽磁力 和较大的剩磁，磁滞 回线接近矩形，稳定
性良好。
常用的几种硬磁材料 铸造型铝 镍钴
磁性能较高，稳定性较好，价格较便宜
材料硬而脆，除磨削和电加工外，无法进行其 他机械加工
粉末型铝 镍钴
尺寸较精确，表面很光，可大批量生产
磁性能较前者低，且价格较贵；
三、制造电机所用的材料
3.1 概述
制造材料主要包括： 铁磁材料、导电材料、绝缘材料、结构材料、 散热材料、冷却材料、润滑材料等。
导电材料：铜、铝。 铁磁材料：各种成分的铸钢（电工钢片）。 绝缘材料：各种绝缘纸、油性玻璃漆布、
有机硅玻璃粘带、酚醛玻璃纤维压塑料······
绝缘等级
YAEBFH C
容许工作温度/℃ 90 105 120 130 155 180 ＞180
电机基本原理和材料
一、 磁场的基本物理量
1.1 磁感应强度 磁感应强度B
表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。
磁感应强度B的方向
与电流的方向之间符合右手螺旋定则。
磁感应强度B的大小
B
F Il
磁感应强度B的单位: 特斯拉(T)，1T = 1Wb/m2
1.2 磁通
磁通 ：穿过垂直于B方向的面积S中的磁力线总数。 在均匀磁场中 = B S 或 B= /S 磁通 的单位:韦[伯](Wb) 1Wb =1T·m2
3.2 铁磁材料及其特性
3.2.1 高导磁性
磁性材料的磁导率通常都很高，即 r 1 (如坡莫合金， 其 r 可达 2105 ) 。
磁性材料能被强烈的磁化，具有很高的导磁性能。
磁性物质具有高导磁性是由于内部有很多被强烈磁化的 小磁铁。这些小磁铁叫做“磁畴”。