电机学第一章 导论

4、由磁感应强度根据材料的磁化曲线确定对应的磁场 强度。 5、计算各段磁路上的磁压降hxlx； 6、由磁路基尔霍夫第二定律计算总磁动势。
1、串联磁路的计算
2、并联磁路的计算
二、交流磁路的特点 1、交流磁路的电抗 与直流磁路相同，交流磁路的自感与互感也可写成：
L N 2 Rm N 2 m

为由实验确定的指数。
三、涡流和涡流损耗 涡流感应电动势为
Ew Kfb 2 xBm
K为电动势比例常数，f为磁场交变 频率，x为涡流回路与硅钢片对称 轴线间的距离。
涡流损耗的大小：
2 K 2 f 2 d 2 BmV pw 12
要减少涡流损耗，首先应减 小厚度，其次是增加涡流回路中的 电阻。电工钢片中加入适量的硅， 制成硅钢片，显著提高电阻率。
目
第一章 第二章
录
第三章
第四章
第五章
第六章
导论 直流电机 变压器 交流电机绕组的基本理论 异步电机 同步电机
第一章 导论



概述 电机中的基本电磁定律 铁磁材料特性 磁路基本定律及计算方法
1.1
一、电机的定义
概
述
电机是依据电磁感应定律和电磁力定律，由电路和磁 路构成的能实现机电能量转换或信号传递与转换的装置。 二、电机的主要类型
1 2 3
3、磁路基尔霍夫第二定律 任一闭合回路上的磁动势的代 数和等于磁压降的代数和。 由l1和l3组成的闭合回路， 设 沿l1和l2的磁场强度分别为H1和 H3，根据全电流定律有：
H dl N i
11
H1l1 H 3l3
1l1 3l3 F N1i1 H1l1 H 3l3 1Rm1 3 Rm3 1 A1 3 A3
磁路和电路的类比关系
磁 路 单位 电 路 单位 A
基本物理量及公式 磁通 磁动势 磁压降 磁阻 磁导 欧姆定律
基本物理量及公 式 电流 电动势 电压降

F
Wb
A A
ห้องสมุดไป่ตู้
i
u iR
e
V V
Hl Rm Rm l ( A) m A l
R l A H 1 电阻 H 电导 G A ( l ) S
M N1 N 2 R2 N1 N 2 m
直流磁路不存在电抗，但在交流磁路下存在电抗，电抗可写 成：
N 2 Rm N 2 m X
2、交流磁路磁通与电流的关系
1）当磁路不饱和时
当磁路不饱和时，磁路呈线性，磁通与电流成正比。 2）当磁路饱和，不考虑铁芯铁耗
为正弦时，电流 i 为尖顶波
H dl Hl Ni
BA HA F m Ni F l ( A) Rm
F称为磁动势，Rm称为磁阻。
Rm l 1 A m
2、磁路基尔霍夫第一定律
进入任一封闭面的总磁通量的代数和等于零，或穿入任一 封闭面的磁通量等于穿 出该封闭的磁通量。
0
Tc Nlir ( B1 B2 )
当B1＝－B2 时电磁转矩最大。 对于沿气隙各处磁场大小均相等时，电机的电磁转矩 M 为：
Tem Tcj MNBliD
j 1
电磁转矩的另外一种计算公式
Pem Tem
Pem为电磁功率，
为磁场旋转的角速度。
1.4
铁磁材料
铁磁材料：铁、镍、钴及其合金
变压器 直流电机 电机 旋转电机 异步电机 交流电机 同步电机
发电机：由原动机拖动，将机械能转换为电能 电动机：将电能转换为机械能，驱动电力机械 变压器、变流机、变频机、移相器：分别用于改变电压、电流和 电机 相位 控制电机 : 进行信号的传递和转换，控制系统中的执行、检测或解 算元件
i e R
F Rm m F
基氏第一定律 基氏第二定律
0
i 0
e u iR
F Hl Rm
二、铁心磁路计算 由给定磁通确定磁动势磁路计算的一般步骤： 1、将磁路分段; 2、计算每段磁路的截面积和长度；
3、根据给定磁通，确定各段的平均磁感应强度；
用 户 发电机 升压变压器
降压变压器
1.3
电机中的基本电磁定律
一、全电流定律
磁场强度矢量沿任一闭合回路的线积分等于该闭合回路 所包围的导体电流的代数和。
l2
H dl I
l i 1
n
l1
i
H
i3
i1
i2
当电流的方向与积分方向符合右手螺旋时，I 为正，否则为 负。
二、电磁感应定律 1、变压器电动势
铁磁材料基本磁化曲线B=f(H)如下图所示
二、磁滞和磁滞损耗 被磁化的铁磁材料在外磁场去除后，磁畴的排列不会恢复 到原始状态，对外显示有磁性，这种现象叫做磁滞。 Br称为剩余磁感应强度。 Hc称为矫顽力。 闭合回路abcdefa称为磁滞 回线。 Oa为基本磁化曲线
磁滞回线
磁滞回线窄的材料称为软磁材料， 如硅钢片、铸铁、钢铸等。
磁滞回线宽的材料称为硬磁材料， 又叫永磁材料，如铁氧体，稀土 钴、钕铁硼等。硬磁材料的磁导 率接近真空。
铁磁材料在交变的磁场下被反复 磁化的过程，磁畴不断的转动， 彼此之间相互摩擦，消耗能量， 产生功率损耗，这种功率损耗叫 做磁滞损耗。磁滞损耗的大小：
ph K h fBmV

Kh 为不同材料的计算系数，
电 机 学
主 讲
辛 小 南
电机学－课程特点
专业技术基础课
既带基础性又带专业性的课程 既有较强的理论性又有较强的实践性
先修课程
高等数学 电路 物理
电机学－学习方法
为了学好本门课程，必须做到以下几点： 抓主要矛盾，有条件地略去一些次要因素； 抓住重点，牢固掌握基本概念、基本原理和主要特性； 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； 理论联系实际，重视科学实验和工程实践； 充分预习和复习。
三、电磁力定律
1、电磁力定律
磁场的一个重要特性就是，对于处 于磁场中的载流导体具有电磁力作用， 电磁力大小：
F Bli
方向由左手定则确定。
2、电磁转矩 由电磁力产生的转矩叫做电磁转矩。 如转子的半径为r，一根导体的电磁转矩为：
Ts Fr Blir
对于匝数为N 的线圈，如线圈两边所处的磁场分别为B1 和B2，则线圈所受的电磁转矩为：
一、铁磁材料的磁导率
磁导率的定义为：

B H
B为磁感应强度矢量(又叫做磁密)。 H为磁场强度矢量。
非导磁材料的磁导率均为常数，接近真空的磁导率，真空的磁 导率为：
0 4 10 H / m
7
但铁磁材料的磁导率一般为真空磁导率的几百倍甚至几千倍， 且不为常数，随磁感应强度的变化而变化。
铁磁材料具有远大于真空的磁导率的原因在于在铁磁材料中 存在着很多具有确定极性的自发磁化区域，称为磁畴。
三、电机中使用的材料 1、导电材料：铜、铝、石墨、碳 2、导磁材料：硅钢片、铸铁、铸钢、镍铬钼合金等 3、绝缘材料：分为A、E、B、F、H、C六个等级 4、结构材料：铸铁、铸钢、钢板、竹、木、纤维织物、塑料 等 四、电机的作用和地位 1、电机在电能生产中的作用 几乎全部的电能均为同步发电机发出的
秦山核电站
i 为正弦时，磁通 为平顶波
3）考虑磁滞和涡流时 考虑铁耗时，电流可以分解为两个分量，一个与磁通 同相位的尖顶波，称为励磁分量 ，另一个超前90º 磁通 正弦分量，称为铁耗分量。

.
.
I
.
I

.
I Fe
1.6 电机中的机电能量转换过程 电机机电能量转换过程 机械系统 转轴 或滑轨 绕组引出线 电机 或电刷 电气系统
根据能量守恒原理：
±机械能Wmec＝ 磁场储能增量⊿Wm＋热量损耗pT±电能We
+:发电机 －：电动机
耦合磁场是电机机电能量转换的关键。 耦合磁场对电气系统的作用通过感应电动势反应出来，对机械 系统的作用通过电磁转矩反应出来。 在发电机和电动机中电动势和电磁转矩同时存在。在发电机中， 电动势为电动势，电磁转矩为制动转矩。在电动机中，电动势 为反电动势，而电磁转矩为驱动转矩。
2、电机在电能的传输中的作用 电功率
S UI
相同功率下电压越高，电流越小。因此由电厂生产的电 能要先送到变电站进行升压，再进行远距离传输，然后 再由降压变压器进行降压、分配 。
3、电机在电能使用中的作用 由发电厂生产的电能中有大约70%由各种各样的电动机所消
耗。
4、电机在自动控制中的应用 控制电机在自动控制中作用为检测、解算以及执行元件、
d eT dt
如果N匝线圈中通过的磁通均为 ，则
N d eT N dt
设磁通随时间交变，即 m sin t
感应电动势可以写成 d eT N N m cos t Em sin(t 90) dt 其中： Em N m 2fN m 为电动势有最大幅值。 电动势的有效值为：
E Em 2 2fN m 4.44 fN m
用相量表示，电动势的表达式可写作： . .
E j 4.44 fN m
相量图和波形图如下图所示：
2、运动电动势（切割电动势）
当导体与磁场之间有相对运动时， 在导体中会产生感应电动势，感应 电动势的大小
ev Blv
方向由右手定则确定。
四、交变铁心损耗
铁磁材料在交变磁场作用时，磁滞损耗和涡流损耗 是同时发生的。因此，在电机和变压器的计算中，当铁 心内的磁场为交变磁场时，常将磁滞损耗和涡流损耗合 在一起来计算，并统称为铁心损耗，简称铁耗。 铁耗 pFe∝ fβBm2。其中1＜β＜2，β与材料性质有关。
1.5
磁路基本定律及计算
一、磁路基本定律 1、磁路欧姆定律 根据全电流定律