第1章电机学基础知识汇总

＋ u －
i
Φ
Φ 磁 路
漏磁通
变压器磁路
电机磁路
电机中的典型磁路
1. 安培环路定律 沿空间任意条闭合回路，磁场强度H 的线积分 等于该闭合回路所包围的电流的代数和。

l
H dl i
H
i1
i2
i3
l
dl
正方向规定：若i与l符合右手螺旋关系， 取正号， 否则取负号 。 •若均匀磁场（H，A，材料），闭合回线所包围的总 电流是由通有电流的N匝线圈提供的： HL Ni
电机与拖动基础
自动化系
陈燕
☆本课程的性质、任务和内容
性质：电气自动化和自动化专业的专业基础课 任务： ◆ 掌握电机的基本结构、工作原理和主要特性； ◆ 掌握电力拖动系统的分析计算； ◆ 培养分析和解决问题的能力，为今后学习和工作 打下坚实的基础。 内容： ◆电机学：直流电机、变压器、异步电机、同步电机、 控制电机 ◆电力拖动：电动机的起动、调速和制动方法
其他（散热、冷却、润滑材料）
二、铁磁材料的重要特性
1. 高导磁性 μ＞＞μ0
● 铸钢：
≈1000 0 硅钢片： ≈ ( 6 000~7 000) 0 玻莫合金： 比 0 大几万倍。
● 磁性物质内部存在着很多很小的“磁畴”。
磁畴（磁化前）
磁畴（磁化后）
● 铁磁材料的高导磁性被广泛应用于变压器
ΒdA
A
磁通连续性定理——通过任意封闭 曲面的磁通量总和必等于零。


A
BdA 0
3Leabharlann Baidu 磁场强度 H (单位：A/m) 矢量
●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。
4. 磁导率μ
B μ= H 单位：H / m 真空中的磁导率: μ0 = 4π×10－7 H / m
●电感：
L=

i
i
＋ u e －
Φ
●电压方程
u = Ri－e = Ri+ L di dt ● 电抗： X = ωL = 2πf L
●相量方程
U =(R+j X) I
五、电磁力定律
载流导体与磁场垂直的情况下， 若导体中电流为i，导体长度为l， 导体所在处的磁通密度为B，则 电磁力为：
f＝ B l i 正方向：电磁力方向由左手定则决定
【例 2】 图示磁路由硅钢制成。磁动势 F1 =
解：由磁路基尔霍夫 定律可得 3－2－1 = 0 Um1＋Um3 = F1 Um2＋Um3 = F2 已知： F1 = F2 ，l1 = l2 可得： Um1 = Um2
I1
Φ1
Φ2
I2 N2
N1
Φ3
l1 N1 A1 l3 A3
l2
N2
A
2
即
因此
【例 1】 图示磁路是由两块铸钢铁心及它们之间的
一段空气隙构成。各部分尺寸为：l0/2 = 0.5 cm ， l1 = 30 cm ，l2 = 12 cm ，A0 = A1 = 0.1 cm2 ， A2 = 0.8 cm2 。 线圈中的电流为直流电流。要使空气隙处的磁感应强度 达到 B0 = 1 T，问需要多大的磁动势？
和电机中。
2. 磁饱和性 B = H （ ≠常数） ● B 与H 的关系称为B ~ H 曲线或磁化曲线。
B
c
d
B = f ( H)
b a
O
H
起始磁化曲线
磁化曲线
3. 磁滞性
剩 磁 矫顽磁力
B Bm Br H
O
B
－ Hm － Hc
H
O 基本磁化曲线
HC
－Br
－Bm
Hm
磁滞回线
● 按磁滞回线的不同，铁磁材料可分为：
六、电机的可逆性原理
f O
i
f
B
O
电动机：通电→电磁力 →转矩→旋转→带动机械负载
电机的可逆性原理——任何电机既可以作为发电 机运行，又可以作为电动机运行。
O
e
B
O
发电机：原动机→旋转→感应电动势→发电
1.3 电机的制造材料
一、电机的主要制造材料 导电材料（铜、铝） 绝缘材料（隔离电、磁系统） 导磁材料（钢铁，如硅钢片、铸铁等） 结构材料（将电机的部件组合在一起）
☆本课程的特点、学习方法
特点： ◆理论性很强，涉及面广(电磁学、动力学、热力学)。 ◆实践性强，用理论分析电机及拖动的实际问题时， 必须结合电机的具体结构，采用工程观点和分析方法。
学习方法和要求： 1、抓住重点，牢固掌握基本概念、基本原理和主要 特性； 2、要有良好的学习方法，运用对比或比较的方法， 分析电机的共性和特点，加深对原理和性能的理解； 3、抓主要矛盾，有条件地略去一些次要因素； 4、理论联系实际，重视科学实验和工程实践； 5、充分预习和复习。
1
B3 =
3
A3
=
0.002 －4 T = 1 T 20×10
由磁化曲线查得： H1 = 6.5 A/m H2 = 3 A/m 最后求得 F1 = F2 = Um1＋Um3 = H1l1＋H3l3 = (6.5×30＋3×10) A = 225 A
三、电磁感应定律
当与线圈交链的磁链 =N 发生变化时，线 圈中将产生感应电动势。
常用分类方式： ◆按功能分，有发电机、电动机、变压器和控制电机 四大类。 ◆按电机结构及电源性质分，有变压器和旋转电机。
两种方法归纳如下：
变压器 直流电机
直流发电机 直流电动机
同步电机 同步发电机
电机
交流电机
异步电机 控制电机
同步电动机 异步发电机
异步电动机
1.2 电机的基本原理
电系统
耦合磁场
机械系统
Em 2πfN m 4.44 fN m 有效值 E 2 2
相量形式： E =－j4.44 f NΦm
◆运动电动势
导体切割磁感线则导体中感 应的电势为运动电势
e =B l v
运动电势的方向用右手定则确定。
四、线圈的电路方程
1. 电磁关系 d 励磁：u → i →N i →Φ →e =－N dt
磁场交变的频率
ph = V f ∮ H dB
磁滞损耗系数
磁滞回线的面积 铁心的体积
= Kh f BmαV
最大磁密
※ 电工钢片: α = 1.6 ~ 2.3
4. 铁心损耗 (2) 涡流损耗Pe
● 铁心既是导磁体又是导电
Φ
体，交变磁场在铁心中感应 的电动势将在铁心中引起涡 流，产生损耗。 ● 减涡流损耗的方法： ① 增大铁心的电阻率，加 硅， 减小涡流及其损耗 ； ② 用很薄的硅钢片叠成铁心， 0.50mm 增大电阻，减小涡流及其损 0.35mm 耗。 0.30mm
3. 磁路基尔霍夫第一定律
穿出或进入任何一闭合面的总磁通恒等于0 Φ3－Φ1－Φ2 = 0 任一闭合面： Φ = 0
Φ1
闭合面
Φ2
i1
Φ3
l1 l3 l2
i2
磁位差Um Um = Hl Um = F
4. 磁路基尔霍夫第二定律
•沿任何闭合磁路的总磁动势等于各段磁 位降的代数和。 I I
l1 A1 A2
110kV/35kV
35kV/10kV
10kV/380V
连接发电机与电网的升压变压器 连接发电机的 封闭母线 与电网相连 的高压出线端
◆ 用电环节——电动机
1）各行业广泛使用电动机
2）在高新技术领域的新应用
☆ 信息技术（雷达驱动） ☆ 航天航空航海 ☆ 生物医学工程（多种医疗设备）
绪 论 2. 电机的分类
5. 磁场储能 ◆ 磁场中能量密度
1 B wm BH 2 2
旋转电机中气隙的磁感应强度约为(0.4~0.8)T，铁 心中的磁感应强度约为(l.0~1.8)T。旋转电机的磁 场能量主要储存在空气隙中。
2
二、磁路及其基本定律
主磁通
磁通的路径称为磁路。在 工程中，通常将磁场问题 简化为磁路问题。
电机(电磁装置)的要素
一、 磁场的基本概念
电流→ 磁场 1. 磁感应强度 B （单位：T） 矢量 用磁感 线的疏 密程度 描述B 的大小 回转方向与电流方向 符合右手螺旋法则
I
磁感线闭合，无 头无尾
任一点的磁感线不会相交， 磁感应强度唯一
B
2. 磁通Φ与磁通连续性定理 磁通量Φ —— 垂直穿过某截面积的磁感 线总和。单位：Wb
物质按磁导率分类：非磁性物质、磁性物质。
◆ 非磁性物质
μ≈μ0 1） 顺磁物质(如空气) : μ 略大于μ0 。 2） 反磁物质(如铜) ：μ 略小于μ0 。
◆
磁性物质—— 高导磁性
μ＞＞μ0
铸钢： ≈1000 0 硅钢片： ≈ ( 6 000~7 000) 0 玻莫合金： 比 0 大几万倍。
l0/2
l2
F Ni H1l1 H2l2 H0l0 1Rm1 2 Rm2 20 Rm0
• 注意：磁路与电路相似，但性质上是不同的： – 电路中，有电流，就有损耗； 磁路中，有磁通，不产生损耗。 – 电路中，电流只流经导体，导体外无电流。 磁路中，磁通流经铁心内外。 – 电路中，电阻率为常数； 磁路中，磁导率不为常数（与磁路的饱和程 度有关） – 线性电路，可以应用叠加原理。 铁心磁路，不可以叠加（磁路饱和时为非线 性）
◆ 发电环节——各种发电机
引进600MW汽轮发电机
国产300MW汽轮发电机
现场运行的水轮发电机
◆
输配电环节——变压器
为把发电厂发出的电力输送到四面八方的用户，需 要将发电机输出的 20 kV 左右的电压升高。在我国， 一般升高到220kV或500kV。 20kV/500kV(220kV)
500kV(220kV)/110kV
= 7 960 A/cm

I
l1
I
A1 A2
l2
由磁化曲线查得： H1 = 9.2 A/cm H2 = 14 A/cm
(4) 各段磁路的磁压降 Um0 = H0 l0 = 7 960×1 A = 7 960 A Um1 = H1 l1 = 9.2×30 A = 276 A l0/2 Um2 = H2 l2 = 14×12 A = 168 A (5) 磁动势 F = Um0＋Um2＋Um2 = ( 7 960＋276＋168 ) A = 8 404 A
d d e N dt dt
e
正方向规定：线圈的磁通与电动势符合右 手螺旋关系。
◆ 变压器电动势
若线圈和磁场相对静止，感应电动势纯粹是由于和 线圈交链的磁通随时间的变化而产生的。 主磁通
m sin t
d e N N m cos t Em sin( t 90) dt
由于
H1 l1 = H2 l2 H1 = H2 B1 = B2 1 = 2
I1 N1
Φ1
Φ2
I2 N2
Φ3
1 = 2 =
3
N1
l1 l3 A3
l2 N2 A A2
2
所以
2 0.002 = Wb 2 = 0.001 Wb
A1
0.001 B1 = = －4 T = 1.25 T A1 8×10
电机与拖动
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
1.1 电机的基本功能与主要类型
一、电机的作用与分类 ☆ 电机——实现机电能量转换和信号传递 的电磁装置。（旋转电机、变压器）
☆ 能源系统的关键设备
发电——输配电——用电
☆ 各领域中有特殊要求的动力装置
(1) 硬磁物质: B ~ H 曲线宽，Br 大、Hc 大。 用于制造永磁铁。 (2) 软磁物质： B ~ H 曲线窄， Br 小、Hc 小。 用于制造变压器、电机等电器的铁心。 (3) 矩磁物质： B ~ H 曲线形状接近矩形， Br 大、Hc 小。 用于计算机中，作记忆单元。
4. 铁心损耗
(1) 磁滞损耗Ph 铁磁材料置于交变磁场中时，材料被反复交 变磁化，磁畴相互摩擦造成能量的消耗。
2. 磁路欧姆定律
Hdl HL Ni
L
l, A,
B ∵H ,
∴
HL l Ni A
A
B A
i
＋ u －
N
Φ
Ni F Ni l l Rm A
上式改写为：
F Rm E IR
磁路中：磁导率不为常数（与磁 路的饱和程度有
关），磁阻也不为常数。 电路中：电阻率为常数，电阻也为常数。
I
l1
I
A1 A2
l2
气隙长度只有总磁 路长度的2.3%,其磁 压降则占94.7％！
N1 I1 = F2 = N2 I2 ，线圈的绕向及各量的方向如图示。磁路 左右对称，具体尺寸为： A1 = A2 = 8 cm2 ，l1 = l2 = 30 cm ， A3 = 20 cm2 ， l3 = 10 cm 。若已知 3 = 0.002 Wb，问两 个线圈的磁动势各是多少？
解：(1) 磁路中的磁通 = B0A0 = 1×0.001 Wb = 0.001 Wb (2) 各段磁路的磁感应强度 l0/2 B0 = 1 T 0.001 B1 = = T= 1T A1 0.001
I
l1
I
A1 A2
l2
0.001 B2 = = T = 1.25 T A2 0.008
(3) 各段磁路的磁场强度 B0 1 H0 = = A/m 7 4×10 0 l0/2 = 796 000 A/m