电机学 绪论 第一节概述 电机在国民经济中的应用 什么是电机 电能 电机应用 (1)发电机 (2)变压器 (3)电动机 、电机的分类 形式很多,分类方式多样: 1.按功能 *电动机电一>机 *发电机机—>电 变压器电一>机 *控制电机信号变换与传输 2.按速度 变压器 *同步电机n=同步速度no *异步电机n≠no,但接近同步速no 直流电机n不定 3按电流性质 直流电机 *直流发电机 *直流电动机 交流电机 交流电动机 *交流发电机 变压器 第二节电机的电磁基本理论
电机学 绪论 第一节 概述 一、电机在国民经济中的应用 •什么是电机 •电能 •电机应用 （1）发电机 （2）变压器 （3）电动机 二、电机的分类 形式很多，分类方式多样： • 1．按功能 * 电动机 电——>机 * 发电机 机——>电 * 变压器 电——>机 * 控制电机 信号变换与传输 • 2．按速度 * 变压器 n=0 * 同步电机 n=同步速度n0 * 异步电机 n≠n0 , 但接近同步速n0 * 直流电机 n不定 • 3.按电流性质 • 直流电机 * 直流发电机 * 直流电动机 • 交流电机 * 交流电动机 * 交流发电机 * 变压器 第二节 电机的电磁基本理论
电机中的三大物理量: 电、磁、机械(机电能量转换) *电:以“路”的形式出现,线圈(绕组)构成电路,较熟 *磁:以“场”的形式出现,本科阶段一般以磁路进行分析; *机:机械能,电机中与之相关的有转矩、转速等 磁场、磁感应强度 磁场: 磁感应强度:描述磁场强弱的物理量 磁力线、磁通量(Φ) 磁力线 (1)定义 (2)性质 “符合右手螺旋定则”; 永不相交,确定点的B方向确定、唯 “闭合、无起点、终点” 2磁通(磁通量) 垂直(正交) (S的法线与B方向之间夹角) 任意曲面、不均匀磁场 闭合曲面(高斯定理,磁通连续性原理) 三、磁场强度磁导率 1磁场强度(H) ·2B与H的关系 *磁导率、真空中的磁导率、相对磁导率
电机中的三大物理量: 电、磁、机械 （机电能量转换） * 电：以“路”的形式出现，线圈（绕组）构成电路，较熟； * 磁：以“场”的形式出现，本科阶段一般以磁路进行分析； * 机：机械能，电机中与之相关的有转矩、转速等。 一、磁场、磁感应强度 • 磁场： • 磁感应强度：描述磁场强弱的物理量 • 二、磁力线、磁通量（Φ） 1.磁力线 （1）定义 （2）性质： – “符合右手螺旋定则”； – “永不相交，确定点的B方向确定、唯一”； – “闭合、无起点、终点”。 2.磁通（磁通量） ➢垂直（正交） ➢（S的法线与B方向之间夹角） ➢任意曲面、不均匀磁场 ➢闭合曲面（高斯定理，磁通连续性原理） • 三、 磁场强度 磁导率 • 1磁场强度（H） • 2 B与H的关系 * 磁导率、真空中的磁导率、相对磁导率
·3没有磁绝缘的概念 (电:>1010,磁:103~105) ·四、全电流定律 定义: (右手螺旋定则) 2.磁压(磁位差):H沿路径的线积分称该路径上的磁压 Um=∫Hdl 3.磁势:磁场回路所匝链的电流 F=∑I *磁势、磁压的单位均为:A *沿磁场中任一闭合回路,总磁压等于总磁势。 五、磁路、磁路参数、全磁路欧姆定律 ·1.磁路:导磁材料与非导磁材料、主磁通与漏磁通、磁路 2磁路欧姆定律 *(1)部分磁路 电路:R=U/I 磁路 *(2)全磁路 3磁阻 比较电阻: ·4.磁导 5.磁路第一定律(节点定律) 6.磁路第二定律(回路定律) 7磁路与电路的异同 (1)同:绝大多数概念等价 ·(2)异:a电流是电荷的移动 磁通是假想的用于描述磁场的量 b直流电流通过电阻消耗能量 恒定磁通通过磁阻不消耗能量 ·六、B一H曲线 1.磁化曲线 ·起始段:μ较小; 线性区:μ(较大)近似为直线
• 3 没有磁绝缘的概念 (电：＞1010，磁：103~105) • 四、全电流定律 1． 定义： （右手螺旋定则） 2．磁压（磁位差）：H沿路径的线积分称该路径上的磁压。 Um=∫Hdl 3．磁势：磁场回路所匝链的电流 F=∑I * 磁势、磁压的单位均为：A * 沿磁场中任一闭合回路，总磁压等于总磁势。 • 五、磁路、磁路参数、全磁路欧姆定律 • 1.磁路：导磁材料与非导磁材料、主磁通与漏磁通、磁路 • 2.磁路欧姆定律 * （1）部分磁路 • 电路：R＝U／I • 磁路： * （2）全磁路 • 3.磁阻 – 比较电阻： • 4．磁导 • 5．磁路第一定律（节点定律） • 6．磁路第二定律（回路定律） • 7 磁路与电路的异同 • （1）同：绝大多数概念等价 • （2）异：a 电流是电荷的移动 磁通是假想的用于描述磁场的量 b 直流电流通过电阻消耗能量 恒定磁通通过磁阻不消耗能量 • 六、B－H曲线 • 1．磁化曲线 • 起始段：μ较小； • 线性区：μ（较大）近似为直线
·饱和区:μ很小,H增大,B基本不变 2.磁滞回线 磁滞现象 剩磁(剩余磁通密度、剩余磁感应强度) ·矫玩力:Hc 软磁材料:Hc小,易被磁化,也易消失一一电机中多用之 硬磁材料:Hc大,与上相反,做永磁材料,如永久磁铁 ·3基本磁化曲线 通不同电流形成不同的BH曲线的各顶点的连线 例 ·图(a)为硅钢片叠成的磁路(尺寸的单位:mm),图(b所示为硅钢片的磁化曲 线,励磁线圈有1000匝。求当铁芯中磁通为1×103Wb时,励磁线圈中的电流 为多少? 解 l铁芯部分 设铁芯的叠片因数(叠片净厚度与总厚度之比)为0.94,则铁芯的净面积为 Ai=20×10-3×40×10-3×0.94=0.752×10-3(m2 铁芯磁路的平均长度为 LF=2(100+80)6=354(mm=0.354(m) ·铁芯中的平均磁通密度为 中=1337) 由磁化曲线查得相应的铁芯磁场强度为Hi=560A/m。 铁芯段磁路所需的磁动势为 F=HL1=198 2.气隙部分 不计气隙处磁通的扩散现象,则气隙磁通与铁芯中的磁通相同, 因为气隙部分的面积为 Ag=20×10-3×40×10-3=0.8×10-3(m2) 所以气隙部分的感应强度、磁场强度和气隙部分所需的磁势为 BE B H==8=0994×10° F=HL.=5964 总体
• 饱和区：μ很小，H增大，B基本不变 • 2．磁滞回线 • 磁滞现象 • 剩磁（剩余磁通密度、剩余磁感应强度） • 矫玩力: Hc – 软磁材料：Hc小，易被磁化，也易消失――电机中多用之 – 硬磁材料：Hc大，与上相反，做永磁材料，如永久磁铁 • 3 基本磁化曲线 • 通不同电流形成不同的B-H曲线的各顶点的连线 例： • 图(a)为硅钢片叠成的磁路（尺寸的单位：mm），图(b)所示为硅钢片的磁化曲 线，励磁线圈有1000匝。求当铁芯中磁通为1×10－3Wb时，励磁线圈中的电流 为多少？ 解： • 1.铁芯部分： • 设铁芯的叠片因数(叠片净厚度与总厚度之比)为0.94，则铁芯的净面积为 • Ai =20×10-3×40×10－3×0.94=0.752×10－3(m2) • 铁芯磁路的平均长度为 • Li=2(100+80)-6=354(mm)=0.354(m) • 铁芯中的平均磁通密度为： (T ) A B i i =1.33 = • 由磁化曲线查得相应的铁芯磁场强度为Hi=560A／m。 • 铁芯段磁路所需的磁动势为 • Fi = HiLi =198 (A) • 2．气隙部分 • 不计气隙处磁通的扩散现象，则气隙磁通与铁芯中的磁通相同， • 因为气隙部分的面积为 • Ag =20×10-3×40×10－3=0.8×10－3(m2) • 所以气隙部分的感应强度、磁场强度和气隙部分所需的磁势为 =1.25 = g g A B 6 0 = = 0.99410 g g B H Fg = HgLg = 5964 • 3．总体
所需的总磁势为 F=FI+ Fg=6162(A 线圈所需的励磁电流为 I=Fi/N=6.162(A) 要点:气隙虽小,但所需的磁势却很大。甚至可忽略铁芯的磁压降。 ·七、铁芯损耗 交变的磁通在铁芯中产生损耗 (1)磁滞损耗(正比于频率) (2)涡流损耗(正比于频率的平方,正比于叠片厚度的平方,所以 用很薄的硅钢片(0.3~0.5mm)而不用整块铁。) 八、磁场贮能 1.磁场能量(体)密度 BH 2.总能量 Wm=L dv=lBHak 3.线性介质 BH 4H B2 22 W=-bhv 九、电感 ·(一)自感 磁链:穿过线圈的磁通形成磁链 y=Ng 磁链与穿过线圈的电流成正比: 乎=LI 系数L称电感,所以电感定义如下 个线圈通过单位电流所形成的磁链叫该线圈的电感 L=Ng NA 1s、 R NNI M2 IR R
• 所需的总磁势为 • F＝FI + Fg = 6162(A) • 线圈所需的励磁电流为 • I＝Fi／N＝6.162 (A) • 要点：气隙虽小，但所需的磁势却很大。甚至可忽略铁芯的磁压降。 • 七 、铁芯损耗 • 交变的磁通在铁芯中产生损耗 – （1） 磁滞损耗（正比于频率） – （2） 涡流损耗（正比于频率的平方，正比于叠片厚度的平方，所以 用很薄的硅钢片（0.3~0.5mm）而不用整块铁。） • 八、 磁场贮能 1． 磁场能量（体）密度 2 BH wm = 2． 总能量 = = V V Wm wmdV BHdV 2 1 3．线性介质 2 2 2 2 2 BH H B wm = = = W BHV 2 1 = • 九、电感 • （一）自感 • 磁链：穿过线圈的磁通形成磁链 • = N • 磁链与穿过线圈的电流成正比： • = L I • 系数L称电感，所以电感定义如下： • 一个线圈通过单位电流所形成的磁链叫该线圈的电感。 = = = = = = 2 2 N R N R NI I N I R F N I N I L m m m
(二)互感 两个相邻回路:回路1中的电流Il产生的,与回路2交链(匝链)的磁链(注意 下标顺序) 定义:该磁链与产生该磁链的电流I之比称回路1对回路2的互感M21。 M.=yr 同理:回路1对回路2的互感M12为 问题:下标中第一个数代表?第二个数代表? v2 N,p2 N,F/R n2 Nl N N,N、A I R R M NN2=NNA 同理, R 其中:Rm称两线圈间的磁阻,A为磁导。 (三)漏磁通、漏磁链、漏电感 1.漏磁通Φ1,Φa 漏磁链中1,4中2 3.漏电感1,12 (四)电抗 X1=0L 十、电磁感应定律 感应电势的两种形式 1.变压器电势 线圈中Φ变化 e 方向:楞茨定律 2.速度电势 导体运动产生 BLI
• （二）互感 • 两个相邻回路：回路1中的电流I1产生的，与回路2交链（匝链）的磁链（注意 下标顺序） • 定义：该磁链与产生该磁链的电流I1之比称回路1对回路2的互感M21。 • 1 21 21 I M = • 同理：回路1对回路2的互感M12为： 2 12 12 I M = • • 问题：下标中第一个数代表？第二个数代表？ • = = = = = = 1 2 1 1 1 2 1 2 1 2 1 1 2 2 1 1 2 1 2 1 / N N R N N R N I I N I N F R I N I M m m m • 同理， = = 1 2 1 2 21 N N R N N M m • 其中：Rm称两线圈间的磁阻，Λ为磁导。 • （三）漏磁通、漏磁链、漏电感 • 1．漏磁通 1 2 , • 2．漏磁链 1 2 , • 3．漏电感 1 2 , L L 2 2 2 1 1 1 , I L I L = = • （四）电抗 • X L L = • 十、 电磁感应定律 • 感应电势的两种形式 • 1．变压器电势 – 线圈中Φ变化 dt d N dt d e = − = − – 方向：楞茨定律 • 2．速度电势 – 导体运动产生 – e = BLv
方向:参考右手定则 十一、电磁力、电磁转矩 (1)电磁力 通电导体在B中受的力F=B ·(发电机的本质:外加F作用于导体,使其以v运动,则输入机械功率Fv;产 生感应电势e,与外电路形成电流,则输出电功率ei。不计损耗,功率平衡:) BLvi=(BLv ) (2)电磁转矩 T=Fr= BLir 十二、电机的可逆性 同一电机既可做发电机又可做电动机。 发电机与电动机即有感应电势又有电磁力,只是形式不同,今后课程中注意 体会 ·十三、磁路参量与电路参量的类比 电路 U R G E j 磁路Φ Um F Rm AH B R ∑/=0∑U=∑E J/E R=PL/S U=EL Ur R ∑ ∑Un=∑FH=B/HRn=L/S
– 方向: 参考右手定则 • 十一、电磁力、电磁转矩 • （1）电磁力 • 通电导体在B中受的力 F=BIL • （发电机的本质：外力F作用于导体，使其以v运动，则输入机械功率Fv；产 生感应电势e，与外电路形成电流i, 则输出电功率ei。不计损耗，功率平衡：） • Fv = ei = BLvi = (BLv)i • （2）电磁转矩 • T = F r = BLir • 十二、电机的可逆性 • 同一电机既可做发电机又可做电动机。 • 发电机与电动机即有感应电势又有电磁力，只是形式不同，今后课程中注意 体会。 • 十三、磁路参量与电路参量的类比 • 电路 I U E R G E j • 磁路 Φ Um F Rm Λ H B • U F B H R L S U HL U m R I U E j E R L S U EL I U R m = m = = m = m = = = = = = = = 0 / / 0 / /