电机学 第I部分绪论 GE 2009级卓越工程师班 主讲教师：谢宝昌 上海交通大学电气工程系
电机学 第I部分 绪论 for GE 2009级卓越工程师班 主讲教师：谢宝昌 上海交通大学电气工程系
SIEMENS 三相异步电动机 2号Y100-2 22W 2870 rmn LW 79 dB (A)B ￥P445动H件81 8号2BK22007 52001 杰飞机电制造有限公司 认识电机及其部件 21 MW.150rpm.6.6KV HTS Mesoe 365M120rpm,.4V
认识电机及其部件
电机学解密 难吗？ 易乎？ 金钥匙？！ 两个相对静止的磁场相互作用是电机学的本质！ 基本结构、基本原理和基本特性是电机学的三大内容！ 磁势平衡、电压平衡和功率（转矩）平衡是电机的三大基本方程！ 基本概念、基本方程、等效电路或时空统一相量图是求解电机问题的法宝！ August 27,2011 3
August 27, 2011 3 电机学解密 难吗？ 易乎？ 金钥匙？！ 两个相对静止的磁场相互作用是电机学的本质！ 基本结构、基本原理和基本特性是电机学的三大内容！ 磁势平衡、电压平衡和功率（转矩）平衡是电机的三大基本方程！ 基本概念、基本方程、等效电路或时空统一相量图是求解电机问题的法宝！
电机学的基本问题 电机中的磁性媒质问题 约束磁场空间： 电磁作用力的本质问题 两个相对静止的磁场相互作用： 电机学的内容体系问题 基本结构、基本原理和基本特性！ 电机学的动态稳定问题 磁势平衡、电压平衡和功率（转矩）平衡！ 电机基本问题的求解问题 基本概念、基本方程、等效电路或时空矢量图。 August 27,2011 4
August 27, 2011 4 电机学的基本问题 电机中的磁性媒质问题 约束磁场空间； 电磁作用力的本质问题 两个相对静止的磁场相互作用； 电机学的内容体系问题 基本结构、基本原理和基本特性！ 电机学的动态稳定问题 磁势平衡、电压平衡和功率（转矩）平衡！ 电机基本问题的求解问题 基本概念、基本方程、等效电路或时空矢量图
电机基本结构 静止部分 气隙磁场 接触 运动部分 只有静止部分而没有运动部分的称为变压器； 接触式驱动的超声波电机： 气隙形状：平面，圆柱面，圆球面；{ 磁场/电场驱动！ 运动方式：一维直线，一维圆周，二维平面，三维曲面； 直线电机 旋转电机 平面电机 球形电机 August 27,2011 5
August 27, 2011 5 电机基本结构 静止部分 运动部分 气隙磁场 接触 只有静止部分而没有运动部分的称为变压器； 接触式驱动的超声波电机； 气隙形状：平面，圆柱面，圆球面；磁场／电场驱动！ 运动方式：一维直线，一维圆周，二维平面，三维曲面； 直 线 电 机 旋 转 电 机 平 面 电 机 球 形 电 机
磁极(NS总是成对出现) 最小的磁极：电子的自旋 自旋电子学SPINTRONICS 最大的磁极：地磁 地球生命存在的根本原因 微观磁极：信息存储01011001 电子信息与计算机科学 宏观磁极：机电能量转换系统 电机学ELECTRIC MACHINERY 核磁共振 生物医学 粒子加速器 高能物理学 产生磁极的原因：(1)电流；（2)被磁化的强磁性物质； 强磁性物质：铁、镍、钴，d轨道未满 August 27,2011 6
August 27, 2011 6 磁极（NS总是成对出现） 最小的磁极：电子的自旋 自旋电子学SPINTRONICS 最大的磁极：地磁 地球生命存在的根本原因 微观磁极：信息存储01011001 电子信息与计算机科学 宏观磁极：机电能量转换系统 电机学ELECTRIC MACHINERY 核磁共振 生物医学 粒子加速器 高能物理学 产生磁极的原因：（1）电流；（2）被磁化的强磁性物质； 强磁性物质：铁、镍、钴，d轨道未满
两个磁场的相互作用 N 然规律 N S 异性相吸 N 同性相斥 F: :人与自然的和谐统 Fx Fy August 27,2011 7
August 27, 2011 7 两个磁场的相互作用 0 x Fx Fy N S 0 x y N N 0 x y 0 x Fx Fy 异性相吸 同性相斥 自 然 规 律 ： 人 与 自 然 的 和 谐 统 一
两个磁场的相互作用 磁极周期排列 保持两个磁场的相对位置不变，产生恒定的磁场力，改变相对位置的大小可以改变磁场力大小和方向 定子 N S N S N 气隙 、D 0 →X 转子 N N S 个极距 个周期 如何产生这样的磁场？ 极对数和极距相同！ F,单位周期内x方向磁场力 -3x -2x -T August 27,2011 8
August 27, 2011 8 两个磁场的相互作用 0 x Fx 单位周期内x方向磁场力 S N S N 0 x y N S N S N S 磁极周期排列 一个周期 一个极距 τ -2τ -τ -3τ 2τ 3τ 保持两个磁场的相对位置不变，产生恒定的磁场力，改变相对位置的大小可以改变磁场力大小和方向 如何产生这样的磁场？ 极对数和极距相同！ 定子 转子 气隙
均匀气隙中定转子正弦磁场的相互作用力 定转子气隙磁场： H,(x)=a,Hcos(ω，t-Px/t) H,(x)=a,H cos(@t-p2/-a) 一个机械周期内气隙磁场能量 定子，相对磁导率无穷大 g W( 转子，相对磁导率无穷大 sinc(p-P))cos((-3)t+(pP)-)] 定子磁场对转子磁场产生的电磁转矩 OW-pugHHsine((p-P:))sim((-z)t+(P-P)-)I Tem=P2 da. 结论：旋转电机产生恒定转矩的条件是定转子极对数相同，两个磁场保持相对静止！ P=P2=P Tom puoglTH H sina August 27,2011 01=02=0 9
August 27, 2011 9 均匀气隙中定转子正弦磁场的相互作用力 定子，相对磁导率无穷大 转子，相对磁导率无穷大 ! Hs(x) = ayHsm cos("1t # p1$x /%) ! Hr(x) = ayHrm cos("2t # p2$x /% #&) 定转子气隙磁场： 一个机械周期内气隙磁场能量 定子磁场对转子磁场产生的电磁转矩 结论：旋转电机产生恒定转矩的条件是定转子极对数相同，两个磁场保持相对静止！ ! Wm = µ0gl 2 (Hs + Hr) 2 dx 0 2" # = µ0gl" 2 [Hsm 2 + Hrm 2 + 2HsmHrm sinc(( p1 $ p2)%)cos((&1 $&2 )t + ( p1 $ p2 )% $')] ! Tem = p2 "Wm "# = $p2µ0gl%HsmHrm sinc(( p1 $ p2 )&)sin(('1 $'2 )t + ( p1 $ p2 )& $#)] g ! Tem = pµ0gl"HsmHrm sin# ! p1 = p2 = p "1 ="2 =" x y o
电机关系图 直流电路 交流电路 同步电机 转子直流磁场 + 定子交流磁场 交直流电路 直流电机 异步电机 定子直流磁场 绪论 交流电路 定子交流旋转磁场 两个相对静止磁 + 场的相互作用 + 正弦稳态相量 转子交流磁场 转子交流旋转磁场 机 理想变压器 电 气 变压器 次侧交流脉振磁场 + August 27,2011 二次侧交流脉振磁场 10
August 27, 2011 10 绪论 两个相对静止磁 场的相互作用 同步电机 转子直流磁场 ＋ 定子交流磁场 异步电机 定子交流旋转磁场 ＋ 转子交流旋转磁场 变压器 一次侧交流脉振磁场 ＋ 二次侧交流脉振磁场 直流电机 定子直流磁场 ＋ 转子交流磁场 电机关系图 理想变压器 直流电路 交流电路 交直流电路 交流电路 正弦稳态相量 机 电 电 气
