电机学完整版

《电机学》 第一章 导论
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最大转矩
电磁转矩
Tc Nlir ( B1 B2 )
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
Tem Tcj M NBliD
j 1
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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
上海电机厂
•四川： 德阳 东方电机厂
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电动势和磁通相位关系
m sin t
e eT Nm cost Em sin(t 90 )
Em N m E 2fN m 4.44 fN m 2 2
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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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※ 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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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
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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
H dl I
L
i1
dl
i2
i3
L
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， i取正号，否则取负号。
H
H dl i
L
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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。 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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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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Байду номын сангаас 13
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 低电压，供给用电设备；
B 0 H
图1-6 铁磁材料的磁化曲线（p16）
a H
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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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其中 N
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d e N 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 动
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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
m sin t
e eT Nm cost Em sin(t 90 )

Em N m
感应电动势有效值：
Em N m E 2fN m 4.44 fN m 2 2
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非铁磁材料磁导率接近真空磁导率μ
μ 0=4π ×10-7
0
H/m
Fe要比非铁磁材料磁导率μ 0大得多
铁磁材料的磁导率μ （μ Fe>>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μ Fe=(2000～6000)μ 0
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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※ 铁磁材料具有的特点 它的磁化曲线具有饱和性，磁导率μ 随H的变化而变化。
1.
2. 3.
Fe不是常数，且
变化 总体非线性 存在饱和特性
H
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B
c
B f (H )
b
Fe f ( H )
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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二、电机的主要类型 据速度、电流分
静止的电气设备——变压器
直流发电机 电机 旋转电机 同步电机 交流电机 异步电机 直流电机 直流电动机 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
F Bli
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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 Fr Blir
Tc Nlir( B1 B2 )
——匝数为N的线圈
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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 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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实验台
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※ 参考教材
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 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
电动机 使用中的变压器
汽轮发电机组
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1.
运动电动势
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） 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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2.
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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μ 0。
M
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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 功率关系求得电磁转矩
P Tem
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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
i2 i3
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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。
d d e N dt dt
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μ
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Fe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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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
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2．电机的近代发展及趋势
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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。 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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f ( x, t )
d e N dt
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d dt dx t x
e N Nv eT ev t x
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e N Nv eT ev t x
变压器电动势
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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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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。
《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
《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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※ 课程要求 1. 认真听课 2. 独立完成作业
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单机容量不断增加 如汽轮发电机：
1900
5MVA
1956水内冷
208MVA
1920 1937空气冷却 氢气冷却
25MVA 1960 100MVA 目前 150MVA
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 应用范围扩大
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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。
e N Nv eT ev t x
e Blv
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