华北电力大学电机学课件(全1)

§0.2 电机中的能量转换与磁路 （ Energy Conversion and Magnetic Circuit
in Electrical Machines ）
➢电机中能量转换的两个实例（ Two examples ） ☆变压器 (Transformers)
Core type transformer
在发电机中，机械能转换为电能，一个重要条件也是因 为其中存在一个耦合磁场(Coupled magnetic field )。
变压器与发电机磁路的形成（ Magnetic Circuit ）
电机、变压器磁场最重要的一个物理量是磁通。 磁通所通过的路径就是磁路。 (Magnetic Circuit is the path for magnetic flux to pass through) 磁路主要由铁磁材料构成，称为铁心磁路。
Core of Stator 定子铁心
Winding of Stator 定子绕组
Core of Rotor 转子铁心
Winding of Rotor 转子绕组
N
n
S Schematic Diagram of Generator Main Part
0.2.2 能量转换装置中的磁场与磁路(Magnetic
同步电机机械能到电能转换过程 (Energy Conversion Procedure of
Synchronous Generator)
发电机主体部分的示意图
(Schematic Diagram of Generator Main Part)
励磁绕组中有直流电流流过，在发电机运行时， 转子轴由于外力的驱动而旋转，从定子绕组出线端就 可以向外部电路输出电能。
有线圈没有铁心时不构成磁路
有线圈有铁心才能构成磁路 发电机磁极单独存在时不构成磁路 发电机磁极与定子铁心构成的磁路
§0-3. 与电机磁路相关的基本电磁定律
（ Basic Physics Law Related to Magnetic Circuit ）
0.3.1 与磁路相关的基本物理量
(Physical Quantities Related to Magnetic Circuit)
描述磁场强弱及方向的物理量。 单位(Unit)：特斯拉（T）[T,Gs] ， 1Gs=10-4T
c. 磁通量φ (Magnetic Flux)
(垂直)穿过截面S的磁力线根数。 B.dS S
在均匀磁场，且B 与S垂直时，有 B
S
单位：韦伯（Wb）[ Wb, Mx ]
1Mx=10-8Wb
d. 磁导率μ( Magnetic Permeability )
机械端口
电端口
定子铁心
(Mechanical port) (Electric port) (Stator core)
旋转电机耦合场 (Coupled Field of Rotating Machine)
机械能
Mechanical Energy
机械 磁
电 气
承力 部件
场
回 路
电能
Electric Energy
l1
i
螺线管
solenoid
1) 简化形式的全电流定律
N i H 2 R
R
全电流定律：
磁场强度与回线长度的乘积等于该
回线所包围的总安匝数 。
l1
i
螺线管
注意条件：
solenoid
沿回线长度各点磁场强度相等，且方向与回线方
向相同。
上式实际上只适合于回线正方向为顺时针的情况！
简化形式的全电流定律--- Ni=Hl (Simple form of Ampere Circuital Theorem)
磁导率μ表示物质导磁能力的大小。
B H
μ为磁导率，其单位为 H/m
磁场强度的单位为 A/m
真空的磁导率 0 4 107 H/m
铁磁物质：铁、钴、镍及其合金 (Ferromagnetic Materials: iron, cobalt, nickel and their alloy ） 非铁磁物质：空气、水、油、铜、铝 ( Nonferrous Materials )
Field and Magnetic Circuit )
单相变压器 (Single-phase Transformer)
输入电能 Input Energy
i1
输出电能
W1 W2
Output
Energy
i2
电能
Electric Energy
电 气
磁
电 气
回
回
路场路
电能
Electric Energy
变压器实现能量传递条件：两个线圈被磁场耦合起来。
绪论 2 (Introduction 2)
电机中的能量转换与磁路
（ Energy Conversion and Magnetic Circuit in Electrical Machines ）
主要内容 （ Content ）
0.2 电机中的能量转换与磁路; （ Energy Conversion and Magnetic Circuit
的磁路欧姆定律。于是得到i-f关系。
1）均匀磁路的欧姆定律 (Ohm’s Law for uniform magnetic circuit)
由于 B A, B=μH
得 Ni F B l l
Fe
来自百度文库
Fe A
B
l
Ni F l
Fe
Fe A
定义：
l
Rm S
Rm :
电机、变压器的磁路通常由磁导率达到数千倍0的铁与硅
合金构成，它被制成厚度为0.5mm或者更薄的硅钢片。 (Silicon steel sheet)
0.3.2 全电流定律（安培环路定律）
(Ampere Circuital Theorem)
逻辑： 能量转换需要磁场
要转换很大的功率，需要很多的磁通
磁场由激磁电流产生，希望以小的激磁电流产生 较多的磁通。首要问题是:
研究激磁电流与磁路中磁通的关系：
（1）全电流定律描述H-i 之间关系 （2）磁路欧姆定律描述磁通与电流的关系
(Ampere Circuital Theorem describes the relation between H and i) (Magnetic circuit law describes the relation between flux and current i)
对于右下角的单相变压器铁心磁路，设回线 l1与铁心中心线重合，方向如图，则可以认为: 回线l1各点磁场强度近似相等,且方向与回线l1相 同, 于是得到:
Ni Hl
N为线圈匝数，H为回线上各点 的磁场强度。
全电流定律：磁场强度与回线长 度的乘积等于该回线所包围的总 安匝数 。
单线圈铁心磁路 (Magnetic circuit with single winding)
讨论1 磁路包含气隙时的全电流定律 (Discussion 1 Ampere Circuital Theorem
with air gap in magnetic circuit)
若磁回路中存在气隙， 当气隙长度δ远远小于铁心截面 的边长时， 铁心和气隙中分别为近似均匀磁场，则:
F Ni H lFe Fe H
shell type transformer (壳式变压器示意图)
发电机工作原理动画 (Animation for the Principle of Generator) (b)发电机 (Generator)
同步发电机工作原理 (Operation Principle of Synchronous Generator)
1) 简化形式的全电流定律 (Simple form of Ampere Circuital Theorem)
对于左下角的螺绕环磁路，设圆形回线l1 与环的中心圆重合，则有:
N i H 2 R
N 为线圈匝数，H为回线上各 点的磁场强度。
Ni : 作用在磁路上的安匝数
（磁路磁动势）,单位 A。
R
(心式变压器)
Shell type transformer
(壳式变压器)
☆心式与壳式变压器 (Two Transformers )
i1
i2
N1 N2
i1
N1
i2
N2
(a) Schematic diagram of core type transformer (心式变压器示意图)
(b) Schematic diagram of
(Condition for energy conversion: Two windings coupled
with magnetic field.)
旋转电机能量转换端口
(Energy Conversion port of Rotating Machine)
转子 (Rotor)
C A
定子绕组
B
(Stator winding)
其中大拇指所指为 i 的方向，
四指为 l 方向。
i1
H dl
i2 i3
l
0.3.3 磁路的欧姆定律与电感 (Ohm’s Law for Magnetic Circuit and Inductance)
全电流定理仅仅给出磁场强度与磁势之间关系，电
机分析中更需要i-f关系。根据安培环路定律简化形式，
通过定义磁阻及磁导，可以得到描述磁动势与磁通关系
intensity, with random loop in space, is equal to the algebraic sum of current encircled by the loop. )
H dl i i1 i2 (i3)
l
注：若 i 与 l 符合右手螺
旋关系， 取正号，否则取负 。
in Electrical Machines ） 0.3 与磁路相关的基本物理定律; （ Basic Physics Law related to Magnetic
Circuit ） 0.4 铁磁材料及其特性. （ Ferromagnetic Materials and Their
Magnetization Characteristics ）
with two windings)
对于下图所示铁心上绕有匝数分别为 N1与N2两个绕组， 分别通入电流 i1 与 i2 的情况，作用于磁路上的总磁动势 则为两个线圈安匝数的代数和，于是有:
F N1i1 N2i2 Hl
对于该图所示电流方向，上式两项 均取正号。对于一般的情况需要仔 细判断各线圈电流的方向，以便正 确选择磁势求和的正负号。
H i
2 r
上面是铁环,下塑料环.磁通密度则分别为:
FeH 与 0H
因为 Fe是 0 的数千倍，所以，铁环
中的磁密与磁通是塑料环中的数千倍。
Hl i
(For Fe is several thousand times of 0 , Hl —— 磁压降
the magnetic density and magnetic flux in
其中: F=Ni ——磁路的总磁动势 HFelFe ——铁心上的磁压降
Hδδ ——气隙上的磁压降
可见，总磁势等于各段磁压降之和。
当磁路由k段均匀磁路串联时有
Hklk i
N
带气隙的铁心磁路 (Magnetic circuit
with air gap)
讨论2 磁路包含两个线圈时的全电流定律 (Discussion 2 Ampere Circuital Theorem
多线圈铁心磁路 Magnetic circuit with multiple windings
2）全电流定律一般形式
(General form of Ampere Circuital Theorem)
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。 (Ampere Circuital Theorem : The line integral of magnetic
iron ring are several thousand times of F Ni— 磁动势
those in plastics ring.)
(Magnetomotive Force)
b. 磁感应强度B（磁通密度） (Intensity of Magnetization / Density of Magnetic flux)
a. 磁场强度 H [A/m]
(Magnetic Field Intensity, H, [A/m]) H i
2 r
注意！磁场强度的大小在铁磁材料中，并 不代表磁场强弱。只有它与磁导率之积才 能反映磁场的强弱。
a. 磁场强度 H [A/m]
(Magnetic Field Intensity, H, [A/m])