完整电机学课件

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《电机学》 第一章 导论
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1.1 概述
一、电机的定义
广义： 实施电能生产、传输、使用和电能特性变换的机械 和装置。
狭义： 电机是基于电磁感应定律、电磁力定律（能进行电 磁感应），由电路和磁路所构成，能进行机电能量 转换或信号变换的电磁机械装置。
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EmNm
感应电动势有效值：
E E 2 m N 2m 2f N m 4 .4f4 N m
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电动势和磁通相位关系
msi nt
e e T N m ct o E m s si t 9 n )0 (
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E E 2 m N 2m 2f N m 4 .4f4 N m
《电机学》
汤蕴璆 机械工业出版社
《电机学》
胡虔生 中国电力出版社
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《电机学》 第一章 导论
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※ 课程要求 1. 认真听课 2. 独立完成作业
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《电机学》 第一章 导论
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第一章 导论
1.1 概述 1.2 电机发展简史 1.3 电机中的基本电磁定律 1.4 铁磁材料特性 1.5 磁路基本定律及计算方法
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△ 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附近。
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二、磁滞与磁滞损耗
1、磁滞回线
剩磁:去掉外磁场之后，铁磁材料内仍然保留的磁通 密度。
矫顽力:要使B值从减小到零，必须加上相应的反向外 磁场，此反向磁场强度称为矫顽力。
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e N d
dt
正电动势产生正电流—— 电流正方向 正电流产生正磁通 —— 右手螺旋定则
图1-2 电磁感应定律
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磁通变化原因
在变压器和电机的绕组中，磁通的变化可以是磁通随 时间脉动
或磁通不变，而线圈在转动。 对特种电机还可以是磁通随时间脉动，而线圈也在转
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基本磁化曲线： 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
H
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2、铁磁材料
HC—矫顽力 Br—剩余磁感应强度 铁磁材料：
HC Br
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
2. 磁通本身不随时间变化，但由于线圈与磁场间有相 对运动而引起线圈中磁链的变化，这样产生的电势 称为运动电势或速度电势
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① 变压器电势
若线圈不动，穿过线圈的磁通随时间变化，则线圈中 感应的电动势——变压器电势
msi nt
e e T N m ct o E m s si t 9 n )0 (
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二、电机的主要类型
据速度、电流分
电机
静止的电气设备——变压器
直流发电机 直流电机
直流电动机
旋转电机 交流电机
同步电机 异步电机
同步发电机 同步电动机
异步发电机 异步电动机
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据能量转换分
发电机——将机械功率转换为电功率 电动机——将电功率转换为机械功率 变压（流、频、相位）器——将电功率转换为另一种
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② 运动电动势 若磁场恒定，构成线圈的导体切割磁力线，使线圈交
链的磁链随时间变化，导体中的感应电动势——运动 电动势。
eN tN v xeTev
eBlv
感应电动势的方向_右手定则
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③ 电磁力定律
载流导体在磁场中要受到力的作用——电磁力。 左手定则
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l和l’，两积分路径结果相同：
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2. 电磁感应定律
闭合回路中的磁通量随时间发生变化，该线圈中必然 有感应电势产生，称这种现象为电磁感应。
线圈中的感应电势将倾向于阻止线圈中磁链的变化。
edNd dt dt
其 中 N
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在同样大小的电流作用下，铁芯线圈的磁通比空心线 圈的磁通大得多
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考虑：为什么铁磁材料具有很高的导磁性能?
图1.5 铁磁材料中的磁畴
在铁磁物质未放入磁场之前，磁畴杂乱无章排列，其磁 效应互相抵消，对外不呈现磁性。
将铁磁物放入磁场。在外磁场的作用下，磁畴的轴线趋 于一致。形成一个附加磁场，叠加在外磁场上，使合成 磁场大为增强。
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Bm
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B
B
H H
软磁材料的磁滞曲线
硬磁材料的磁滞曲线
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3、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。
N
i
A,l
u
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分析磁化曲线，分四段
在oa段：当H增大→B增大，但B 增大速度较慢
在ab段：当H增大→B增大，B增 大速度快；
在bc段：B随H增大的速度又较慢； 在cd段：为磁饱和区（又呈直线
段）。其中拐弯点b称为膝点；c 点为饱和点。 过了饱和点c，铁磁材料的磁导 率趋近μ0。
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一、磁导率 1、定义
μ=B/H
B：磁通密度、磁感应强度 H：磁场强度
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非铁磁材料磁导率接近真空磁导率μ0 μ0=4π×10-7 H/m
铁磁材料的磁导率μFe要比非铁磁材料磁导率μ0大得多 （μFe>>μ） 铁磁物质:铁、镍、铝及其合金 电机中常用的铁磁材料的磁导率μFe=(2000～6000)μ0
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※ 电机学课程的特点 ① 综合性 ② 实际性 ③ 统一性
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※ 电机学的基本分析方法
方程式、相量图和等效电路的分析方法 归算算法 ——标么制 凸极处理法——凸极隐极 对称分量法——不对称 实验分析法——实验 ……
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※ 铁磁材料具有的特点
它的磁化曲线具有饱和性，磁导率μFe不是常数，且 随H的变化而变化。
1. 变化 2. 总体非线性 3. 存在饱和特性
H
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B
c
Bf(H)
b
Fef(H)
a
B0H H
图1-6 铁磁材料的磁化曲线（p16）
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FBli
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④ 电磁转矩
在旋转电机中，作用在转子载流导体上的电磁力将使转 子受到一个力矩（等于力乘转子半径）——电磁转矩。
Ts FrBlir T cN(lB 1ir B 2) ——匝数为N的线圈
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最大转矩
电磁转矩 T cN(lB 1ir B 2)
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全电流定律 Hdl i l
HlNi
i H l N
电源供给线圈的瞬时功率 pui
电磁感应定律 ueNd
dt
＝BA
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※ 怎样学好电机学
认真听课
精读教材 熟练掌握基本电磁规律
实验台
掌握各物理量及其参数之间的关系
物理意义、适用范围、主要因素、公式
习题和实验是学好电机学的重要保证（重要的30％）
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※ 参考教材
《电机学》
辜承林 华中科技大学出版社
《电机学》第三版 许实章 机械工业出版社
铁磁材料的磁导率要比非铁磁材料大得多。
铁磁材料的磁导率μFe不是常数。
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2、磁化曲线
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， 得到曲线B=f(H)。
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线圈两侧边处磁场大小恒相等、极性恒相反
B2 B1
线圈总个数M，转子直径D，B大小处处相等。电机最大 可能电磁转矩
M
Tem Tcj MNBliD j1
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电磁转矩是电机实现机电能量转换的重要物理量。
电动机：电磁转矩——驱动性质 电能——机械能
发电机：电磁转矩——制动性质 机械能——电能
动
f(x,t) dd tdx
t x
e N d
dt
eNtN v xeTev
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eN tN v xeTev
变压器电动势
运动电动势
1. 磁通本身就是由交流电流所产生，也就是说磁通本 身随时间在变化着，这样产生的电势称为变压器电 势。（线圈与磁场相对静止）
低电压，供给用电设备； 生产机械的拖动——由各种电动机实现； 控制系统中的信号转换——由各种控制电机完成。
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•我国老牌电机厂： 哈尔滨电机厂 上Байду номын сангаас电机厂
•四川： 德阳 东方电机厂
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2．电机的近代发展及趋势
单机容量不断增加 如汽轮发电机：
1900 1920 1937空气冷却
氢气冷却
5MVA 1956水内冷 25MVA 1960 100MVA 目前 150MVA
208MVA 320MVA >1000MVA
中小型电机技术与经济指标不断改进 新的设计方法（CAD）、工艺、材料、测试手段
功率关系求得电磁转矩
Tem
P
P ：电磁功率（输入、输出） Ω：电机气隙磁场旋转角速度
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1.4 铁磁材料特性
电机主要由两大系统组成：电路系统和磁路系统。铁 磁材料是组成磁路的主要部分。
所谓铁磁材料是指导磁性能好的材料，如：铁、镍、 钴等以及它们的合金。
形式的电功率 控制电机——电气机械系统中调节、放大和控制作用
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实物图
使用中的变压器
电动机
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汽轮发电机组
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水轮发电机
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三、电机中所用材料
1. 电电路导电材料及绝缘材料
导电材料：紫铜、铝线
绝缘材料：聚脂漆、云母片 按耐热能力高低分六个等级 A—105º E—120º B—130º F—155º H—180º C180º
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请观察电力系统示意图，找到系统中使用的电机？
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1.2 电机发展简史
1．电机的发展初期 F＝Bli——1821年 Faraday 电磁感应定律的发现——1831年 Faraday 直流发电机——1831年 Pixii 1876年 单相交流电的应用——远距离传输 1885年 交流电动机 1889年 三相制——三相交流电的应用 三相电机
应用范围扩大
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1.3 电机中磁路基本定律
1. 全电流定律—安培环路定律
LH dl I
i1 dl
式中，若电流的正方
向与闭合回线L的环行方 向符合右手螺旋关系时，
H
i取正号，否则取负号。
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i2 i3
L
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LH •d l i1 i2 i3
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2、磁磁路导磁材料硅钢片、铸钢等
导磁材料：铁磁材料
3、力结构材料铸钢、铸铁、钢板等
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四、电机作用和地位
电能生产——由同步发电机生产； 高压输电——由升压变压器将发电机发出的电压升高
到输电电压再输送； 降压用电——由降压变压器将输来的高压电降为所需
磁滞现象：B的变化总是滞后H的变化 磁滞回线：磁场强度H缓慢地循环变化，B－H曲线封
闭曲线
磁滞现象是铁磁材料的另一个特性。
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B Bm
a
b
Br
Hm
Hc c
Hc
H
f Hm
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e
d
Bm
图1-7 铁磁材料的磁滞回线
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