第一章概述 1.1概述 定义:电机就是一种将机电能量进行转换的电磁装置。 包括机械能→电能;电能→机械能;电能→电能。 特点:(1)它依赖于电磁感应定律和电磁力定律。 e= Bly do (2)导磁材料构成磁路:导电材料构成电路 功能分类:(1)发电机—一机械能→电能 (2)电动机-电→机 (3)电→电-变压器、变流机、变频机、移相器 (4)控制电机--自动控制系统中的被控元件或进行信号传递与 转换。 导磁材料:亦称铁磁材料,它是指电机专用的高磁导率材料--硅钢片,亦称电 工钢片。 导电材料:采用电阻率小的紫铜线(棒) 此外,还有结构材料:机座、机壳采用的铸铁、铸钢或钢板(大电机)以及电气 绝缘材料。 1.2电机发展历史与发展趋势 自十九世纪三十年代出现直流电机的雏形以来,不断提高电机单机容量和电 压等级始终是发展方向之一。由于直流电机自身固有的缺点(主要是换向问题, 特别是高电压的情况下),到了19世纪80年代以后,人们的注意力逐渐向交流 电机方面转移。到了90年代末,建立了电机基本理论和设计方法。 变压器∫单相变压器 三相变压器 直流发电机 电机|旋转电机「直流电机1直流电动机 感应电动机 感应电机(异步电机)感应发电机 交流电机同步电机了同步发电机 同步电动机 同步补偿机 直线同步(永磁)电动机 直线电机1直线异步电动机 趋势:提高单机容量和电压等级;采用新结构、新工艺、新材料和利用CAD等 先进设计手段改善 电机性能;理论上,通过学科(电子、电机、控制理论、新材料)之间的 渗透,形成新的学
第一章 概述 1．1 概述 定义：电机就是一种将机电能量进行转换的电磁装置。 包括机械能→电能；电能→机械能；电能→电能。 特点：（1）它依赖于电磁感应定律和电磁力定律。 or f Bli dt d e = Blv or e = −N = （2）导磁材料构成磁路；导电材料构成电路 功能分类：（1） 发电机-----机械能→电能 (2) 电动机-----电→机 (3) 电→电-------变压器、变流机、变频机、移相器 (4) 控制电机--------自动控制系统中的被控元件或进行信号传递与 转换。 导磁材料：亦称铁磁材料，它是指电机专用的高磁导率材料-----硅钢片，亦称电 工钢片。 导电材料：采用电阻率小的紫铜线（棒） 此外，还有结构材料：机座、机壳采用的铸铁、铸钢或钢板（大电机）以及电气 绝缘材料。 1．2 电机发展历史与发展趋势 自十九世纪三十年代出现直流电机的雏形以来，不断提高电机单机容量和电 压等级始终是发展方向之一。由于直流电机自身固有的缺点（主要是换向问题， 特别是高电压的情况下），到了 19 世纪 80 年代以后，人们的注意力逐渐向交流 电机方面转移。到了 90 年代末，建立了电机基本理论和设计方法。 变压器 单相变压器 三相变压器 直流发电机 电机 旋转电机 直流电机 直流电动机 感应电动机 感应电机（异步电机） 感应发电机 交流电机 同步电机 同步发电机 同步电动机 同步补偿机 直线同步（永磁）电动机 直线电机 直线异步电动机 趋势：提高单机容量和电压等级；采用新结构、新工艺、新材料和利用 CAD 等 先进设计手段改善 电机性能；理论上，通过学科（电子、电机、控制理论、新材料）之间的 渗透，形成新的学
科,如电力电子与电力传动。 1.3电机中的基本电磁定律 全电流定律:磁场强度H沿着闭合路径l的线积分等于该路径所包围的导体电流 的代数和。(用于磁路分析)即 ,Hd=sH d=1+12-13 电磁感应定律:变化的磁场产生感应电动势,即磁生电 dt (1)+(2) (1)称为变压器电动势;(2)运动电动势 假设ψ= sin of 则感应电动势有效值为 2Nom,=4.44 Nom ( a=2 If) 电磁力定律:载流导体在磁场中受力,F=Bh 电机中,通电导体(转子上)在磁场中会受到切向方向的力(以后 分析),当转子半径为R时,就会在转子上产生转矩,即电磁转矩 Tom=FaR 1.4铁磁材料特性 磁导率:反映磁性材料导磁能力的参数。 H=BH(Hm,T,A/m)p0=4m×107 H/m u Fe=2000H0~60000 基本磁化曲线:B=(H磁饱和现象 磁滞回线:铁磁材料的磁化过程是不可逆的,上升磁化曲线与下降磁化曲线不重 合,形成磁滞回线。 其在第一象限内的顶点连接起来得到基本磁化曲线。 几个概念:(1)剩磁B,矫顽力H,软磁材料和硬磁材料(永磁) (2)在交变磁场(f≠0)的作用下,铁磁材料中会产生磁滞损耗以 及涡流损耗,二者合称为铁耗 采用硅钢片(磁滞面积小)是为了减小磁滞损耗;迭片是为了諴小涡 流损耗,原因如下 单位重量的铁耗 磁滞损耗P2=n「ABmp=k,B留 B2(涡流损耗pn 2/2d2B2
科，如电力电子与电力传动。 1． 3 电机中的基本电磁定律 全电流定律：磁场强度 H 沿着闭合路径 l 的线积分等于该路径所包围的导体电流 的代数和。(用于磁路分析)即 = = l n i i dl I 1 H 1 2 3 dl dl I I I l ll = = + − H H 电磁感应定律：变化的磁场产生感应电动势，即磁生电 = (1) + (2) − = − + = − = − x Nv t N t x x dt t N dt d e N （1） 称为变压器电动势；（2）运动电动势 假 设 = m sint ， 则 感 应 电 动 势 有 效 值 为 ： m m m fN fN E E 2 4.44 2 = = = （ω=2πf） 电磁力定律：载流导体在磁场中受力， F = Bli 电机中，通电导体（转子上）在磁场中会受到切向方向的力（以后 分析），当转子半径为 R 时，就会在转子上产生转矩，即电磁转矩 Tem=F*R 1．4 铁磁材料特性 磁导率：反映磁性材料导磁能力的参数。 μ=B/H (H/m, T, A/m) μ0=4π×10-7 H/m μFe=2000μ0 ~ 6000μ0 基本磁化曲线： B=f(H) 磁饱和现象 磁滞回线：铁磁材料的磁化过程是不可逆的，上升磁化曲线与下降磁化曲线不重 合，形成磁滞回线。 其在第一象限内的顶点连接起来得到基本磁化曲线。 几个概念：（1）剩磁 Br, 矫顽力 Hc, 软磁材料和硬磁材料（永磁） （2） 在交变磁场（f≠0）的作用下，铁磁材料中会产生磁滞损耗以 及涡流损耗，二者合称为铁耗。 采用硅钢片（磁滞面积小）是为了减小磁滞损耗；迭片是为了减小涡 流损耗，原因如下： 单位重量的铁耗 磁滞损耗 ph fV HdB or ph Kh fBmV = = 2 50 1 50 Fe Bm f p p = 涡流损耗 12 2 2 2 2 K f d B V p m w =
式中:∫磁场交变频率,Bm最大磁感应强度,V铁磁材料体积,d硅钢片 厚度。 1.5磁路基本定律及计算方法 电路图及电路定律与磁路图及磁路定律的对比分析以及应用方法。 永磁材料(铁氧体、稀土钴、钕铁硼)磁导率低,接近(μo)。它是利用硬磁材 料的剩磁工作的,因此永磁材料的磁路计算要利用退磁曲线进行 交流磁路的特点以及电机的分析研究方法 (1)交流电流励磁,磁场发生变化,形成交流磁路 (2)交变磁场作用下,铁心中产生损耗。 (3)铁磁材料的非线性特性(交流磁路饱和现象),对电机参数和性能有影响, 如磁通、电流、电势波形变化。这是电机学要研究的主要内容 (4)研究过程就是:根据磁势产生的磁场分布,建立物理模型;利用电磁感应 定律和电磁力定律建立数学模型;稳态分析中,研究发电机的外特性u=f(, 电动机的机械特性n=/Tcem) (5)研究方法是:叠加原理(不计饱和时);合成磁场(饱和时) (6)研究手段是:等效电路分析;相量图分析(矢量);折算方法(归算);凸 极同步电机的双反 应理论:不对称运行时的正负序磁场理论等等。 (7)能量转换过程: 电动机:吸收电能()→气隙(耦合磁场)→曳磯功→曳礅转矩(+→驱动负载(机 械功率) 发电机:机械功率(原动机)→气隙(耦合磁场)→电磁转矩()→患磁功→输 出电能(+) 作业:p36 1.8 1.14)
式中：f 磁场交变频率， Bm 最大磁感应强度，V 铁磁材料体积，d 硅钢片 厚度。 1．5 磁路基本定律及计算方法 电路图及电路定律与磁路图及磁路定律的对比分析以及应用方法。 永磁材料（铁氧体、稀土钴、钕铁硼）磁导率低，接近（μ0）。它是利用硬磁材 料的剩磁工作的，因此永磁材料的磁路计算要利用退磁曲线进行。 交流磁路的特点以及电机的分析研究方法 （1） 交流电流励磁，磁场发生变化，形成交流磁路。 （2） 交变磁场作用下，铁心中产生损耗。 （3） 铁磁材料的非线性特性（交流磁路饱和现象），对电机参数和性能有影响， 如磁通、电流、电势波形变化。这是电机学要研究的主要内容。 （4） 研究过程就是：根据磁势产生的磁场分布，建立物理模型；利用电磁感应 定律和电磁力定律建立数学模型；稳态分析中，研究发电机的外特性 u=f(i), 电动机的机械特性 n=f(Tem)。 （5） 研究方法是：叠加原理（不计饱和时）；合成磁场（饱和时） （6） 研究手段是：等效电路分析；相量图分析（矢量）；折算方法（归算）；凸 极同步电机的双反 应理论；不对称运行时的正负序磁场理论等等。 （7） 能量转换过程： 电动机：吸收电能(-)→气隙（耦合磁场）→电磁功率→电磁转矩（+）→驱动负载（机 械功率） 发电机：机械功率（原动机）→气隙（耦合磁场）→电磁转矩（-）→电磁功率→输 出电能（+） 作业：p36 （ 1.2 1.4 1.8 1.14）