电机学基础知识

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电机与电力拖动的发展概况
随着自动控制系统和计算机装置的发展，在一般旋
转电机的理论基础上，又发展了许多种可靠性，高
精度、快速响应的控制电机，成为电机学科的一个 独立的分支。
我国的电机工业在建国以来发生了巨大的变化。现
在已建立了自己的工业体系，有统一的国家标准、 统一的电机、变压器系列，能生产成套的大、小型
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随着电子技术的不断发展，无触点控制系统已被大量 采用，从分离元件到集成电路，直到近几年来的微机 处理系统。 由于有触点控制系统有其独特的优点，目前仍被广泛 采用。 建国以来，电力拖动自动化系统技术的发展有了很大 的成绩，建立了一些有一定电力拖动自动化水平的工 厂，建立了一批科研与设计机构，自行设计和制造了 一批具有一定水平的生产自动线。但与先进国家相比 差距较大； 控制电机方面，由于我们起步较晚，差距更大。
第 1 章 电机学基础知识
1.1 电机的基本功能与主要类型 1.2 电机的基本原理 1.3 电机的制造材料
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1.1 电机的基本功能与主要类型
电机定义：是指依据电磁感应定律实现电能的转 换或传递的一种电磁装置。 一、按照能量转换和信号传递所起的作用分类 1. 发电机 将机械能转换为电能。 2. 电动机 将电能转换为机械能。 3. 变压器、变流器、变频机、移相器 变换电压、电流、频率、相位。 4. 控制电机 作为自动控制系统的控制元件，起检测、放大、 执行和校正作用。
用的基本技能。
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五、教学内容 变压器 直流电机 动力电机 交流电机 机 控制电机 异步电机 同步电机
电
电机： 发电机和电动机。
电动机 磁场 发电机
电能
机械能
水能 热能 风能 原子能
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1820年丹麦的奥斯特从实验室中发现了电流对磁针 有力的作用，揭开了电学理论新的一页； 同一年德国的安培确定了通过有电流的线圈其作用 与磁铁相似，这指出了磁现象的本质问题； 1826年德国的欧姆在通过实验而得出欧姆定律； 1831年英国 的法拉第发现 电磁感应定律， 为研制各种电 机奠定了重要 的理论基础；
由实验可测得：真空的磁导率为：
0 4π 107 H/m
真空磁导率是一个常数，将其它物质的磁导率和它 比较是很方便的。
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磁场的基本物理量
相对磁导率 r：
任一种物质的磁导率 和真空的磁导率0的比值。
H B r 0 0 H B0
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磁场的基本物理量
三、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。 是计算磁场时所引用的一个物理量，通过它来确定 磁场与电流之间的关系。 磁场强度H的单位 ：安培/米（A/m) H 与 B 的区别 ① H ∝I，与介质的性质无关。 ② B 与电流的大小和介质的性质均有关。
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四、本课程的性质和任务
专业技术基础课程。
了解各类电机的基本结构。
理解电机中的能量转换关系。
掌握电机稳态运行时的分析方法和运行性能。 理解电机稳态运行时各种参数的物理意义，并 能熟练应用等效电路和相量图。 通过实验，掌握电机的基本实验方法和电机使
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磁场的基本物理量
均匀磁场: 各点磁感应强度大小相等，方向相同的
磁场，也称匀强磁场。 二、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 说明: 如果不是均匀磁场，则取B的平均值。 磁感应强度B在数值上可以看成为与磁场方向垂 直的单位面积所通过的磁通,故又称磁通密度。 磁通 的单位:韦[伯](Wb) 1Wb =1T· m2
1885 年，费那里斯发现了两相电流能产生旋转 磁场。 1886 年，特斯拉研制出两相异步电动机。
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特斯拉与他发明的两相异步电动机 weipeiyu制作
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电机工程得以飞跃发展是与俄罗斯杰出的工程师 多里沃－多勃罗沃尔斯基的工作分不开的，他是三
火力和水力发电设备，基本上能生产满足国民经济
生产需要的各种电机。
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2．电力拖动的发展概况 最初电动机拖动代替了蒸汽或水力的拖动； 当时电动机拖动生产机械的方式是通过天轴来实 现的，称为“成组拖动”。 即由一台电动机拖动一组生产机械，从电动机到 各种生产机械的能量传送以及在各生产机械之间的能 量分配完全用机械的方式，靠天轴及机械传动来实现。 电动机远离车间，车间内有大量的天轴、长皮带 和皮带轮等，能量在传递过程中损耗大、效率低、易 出事故，若电动机发生故障，成组的生产机械将停产， 这是一种落后的拖动方式。
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1.2 电机的基本原理
1.2.1 磁场的基本物理量 一、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
H B/
于是
Ni lB / l /( S )
F Rm
W
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电机中常用的基本定律
三、磁路的基尔霍夫定律 1. 磁路的基尔霍夫第一定律
1 2 3 0
Φ1
闭合面
或
Φ2
0
i2
i1
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磁场的基本物理量
四、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：
磁导率 的单位：亨/米（H/m）
B μH
W b/m 2 V s Ωs H μ的单 位 A/m Am m m
HL i F
F称为磁动势
二、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
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电机中常用的基本定律
磁通量Φ等于磁通密度乘以面积
BdS BS
磁场强度等于磁通密度除以磁导率
也即当磁场媒质是某种物质时某点的磁感应强度B 与在同样电流下真空时该点的磁感应强度B0之比的 倍数。 自然界的所有物质按磁导率的大小，大体上可分为磁 性材料和非磁性材料。
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1.2.2 磁路及其基本定律
磁通所通过的路径称为磁路。
主磁通
＋ u －
i
Φ
Φ 磁路
漏磁通
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电机中常用的基本定律
一、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
Hd l i
L
如果在均匀磁场中，沿着回线 L
磁场强度H处处相等，则
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二十世纪以来，生产机械上广泛采用“单电机拖动 系统”，即一台生产机械由一台单独的电动机拖动； 电动机与生产机械在结构上密切配合，从而进一步 简化机构容易实现生产机械运动的全部自动化。 用一台电动机拖动具有多个工作机构的生产机械， 则机械内部仍保留着复杂的机械传动机构； 从上世纪三十年代起，广泛采用了“多电机拖动系 统”，即每一个工作机构用单独电机带动，这样生产 机械结构大大简化； 例对铣床来说共有3台电机即主轴电机、进给电机 和冷却电机。
Φ3
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电机中常用的基本定律
2. 磁路的基尔霍夫第二定律
Wi H k lk H1l1 H 2l2 H 1Rm1 2 Rm2 Rm
相电路系统的创始者；
他在1889年相继发明和制造出三相异步电动机和 三相变压器，并首先采用了三相输电线，使电机基 本定型。 一个多世纪以来，电机的基本结构似乎并没有多大
的变化，但电机的类型有了很大的发展，在运行性
能、经济指标等方面都有了很大的改进和提高。
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法拉第与最早的发电机 —— 法拉第盘 weipeiyu制作
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1832年皮克斯在电磁感应理论的指导下，制造了 第一台发电机； 1833年楞次建立了确定 感应电流方向的原则； 其后他致力于电机理论的研 究并阐明了电机的可逆性原 理。 1834年雅比克制造出世界 第一台电动机，从而证明了 实际应用电能的可能性。
磁极是用永久磁铁制造的。
1866 年，德国科学家西门子制成的第一台自激式 发电机，标志着制造大容量发电机技术的突破，具 有划时代的意义。
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Siemens 和他的自激式发电机
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二、按运动方式及电源性质分类 静止电机-----------------变压器 直流电机 电机 旋转电机 交流电机 直流发电机 直流电动机 异步电动机 异步电机 异步发电机 同步电机 控制电机
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皮克斯发明的直流发电机 weipeiyu制作
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雅可比发明的世界上第一台电动机模型与实用电动机
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1838 年，俄国人用一台直流电动机拖动轮船， 以 4 km/h 的速度逆流而上和顺流而下，这是最早 的实用电动机。 1845年用电磁铁代替了永久磁铁，此前电机中的
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电机与电力拖动的发展概况
随着生产机械的发展，对上述单机、多机拖动系统 提出了更高的要求： 要求提高加工精度与工作速度，要求快速起动、制 动及反转。 实现在宽广范围内调速及整个生产过程自动化等。 完成这些任务，除电动机外，还需有其他装置，组 成自动化的电机拖动系统。 随着电机及电器制造工业及各种自动化元件的发展， 自动电力拖动系统得到不断的更新发展。 最初采用的控制系统是继电器—接触器型的。属于 有触点断续控制系统。
同步发电机 同步电动机
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电机与电力拖动的发展概况
三、电、电机与电力拖动的发展史 1. 电与电机的发展概况 在公元585年，泰勒斯发现了摩擦起电； 1672年格里凯解释了摩擦起电； 1746年荷兰的莫伸布洛克在莱顿镇制造了莱顿瓶； 1752年美国的富兰克林解释了雷和电的关系。 十八世纪末和十九世纪初，由于生产发展的需要， 在电磁方面的研究工作发展的很快。 1785年库仑首先从实验室中确定了电荷间的相互作 用力，即库仑定律，使电荷的概念开始有了定量的意 义。