電機(jī)學(xué)(完整版)

電機(jī)學(xué)教師： 王玉聯(lián)系方式：wyujue@2/5/20231《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論※電機(jī)學(xué)課程的特點(diǎn)

①綜合性②實(shí)際性③統(tǒng)一性2/5/20232《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論※電機(jī)學(xué)的基本分析方法方程式、相量圖和等效電路的分析方法歸算算法——標(biāo)么制凸極處理法——凸極隱極對(duì)稱分量法——不對(duì)稱實(shí)驗(yàn)分析法——實(shí)驗(yàn)……2/5/20233《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論※怎樣學(xué)好電機(jī)學(xué)認(rèn)真聽(tīng)課精讀教材熟練掌握基本電磁規(guī)律掌握各物理量及其參數(shù)之間的關(guān)系物理意義、適用范圍、主要因素、公式習(xí)題和實(shí)驗(yàn)是學(xué)好電機(jī)學(xué)的重要保證（重要的30％）實(shí)驗(yàn)臺(tái)2/5/20234《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論※參考教材《電機(jī)學(xué)》辜承林華中科技大學(xué)出版社

《電機(jī)學(xué)》第三版許實(shí)章機(jī)械工業(yè)出版社《電機(jī)學(xué)》

湯蘊(yùn)璆

機(jī)械工業(yè)出版社《電機(jī)學(xué)》 胡虔生中國(guó)電力出版社2/5/20235《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論※課程要求認(rèn)真聽(tīng)課獨(dú)立完成作業(yè)2/5/20236《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論第一章導(dǎo)論1.1概述1.2電機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史1.3電機(jī)中的基本電磁定律1.4鐵磁材料特性1.5磁路基本定律及計(jì)算方法2/5/20237《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論1.1概述

一、電機(jī)的定義廣義：實(shí)施電能生產(chǎn)、傳輸、使用和電能特性變換的機(jī)械和裝置。狹義：電機(jī)是基于電磁感應(yīng)定律、電磁力定律（能進(jìn)行電磁感應(yīng)），由電路和磁路所構(gòu)成，能進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換或信號(hào)變換的電磁機(jī)械裝置。2/5/20238《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論二、電機(jī)的主要類(lèi)型

據(jù)速度、電流分電機(jī)靜止的電氣設(shè)備——變壓器旋轉(zhuǎn)電機(jī)交流電機(jī)直流電機(jī)直流發(fā)電機(jī)直流電動(dòng)機(jī)同步電機(jī)異步電機(jī)同步發(fā)電機(jī)同步電動(dòng)機(jī)異步電動(dòng)機(jī)異步發(fā)電機(jī)2/5/20239《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論據(jù)能量轉(zhuǎn)換分發(fā)電機(jī)——將機(jī)械功率轉(zhuǎn)換為電功率電動(dòng)機(jī)——將電功率轉(zhuǎn)換為機(jī)械功率變壓（流、頻、相位）器——將電功率轉(zhuǎn)換為另一種形式的電功率控制電機(jī)——電氣機(jī)械系統(tǒng)中調(diào)節(jié)、放大和控制作用2/5/202310《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論實(shí)物圖使用中的變壓器水輪發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)汽輪發(fā)電機(jī)組2/5/202311《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論三、電機(jī)中所用材料電電路導(dǎo)電材料及絕緣材料

導(dǎo)電材料：紫銅、鋁線絕緣材料：聚脂漆、云母片按耐熱能力高低分六個(gè)等級(jí)A—105oE—120o

B—130oF—155oH—180oC180o2/5/202312《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論2、磁磁路導(dǎo)磁材料硅鋼片、鑄鋼等導(dǎo)磁材料：鐵磁材料3、力結(jié)構(gòu)材料鑄鋼、鑄鐵、鋼板等2/5/202313《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論四、電機(jī)作用和地位電能生產(chǎn)——由同步發(fā)電機(jī)生產(chǎn)；高壓輸電——由升壓變壓器將發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓升高到輸電電壓再輸送；降壓用電——由降壓變壓器將輸來(lái)的高壓電降為所需低電壓，供給用電設(shè)備；生產(chǎn)機(jī)械的拖動(dòng)——由各種電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)；控制系統(tǒng)中的信號(hào)轉(zhuǎn)換——由各種控制電機(jī)完成。2/5/202314《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論我國(guó)老牌電機(jī)廠：哈爾濱電機(jī)廠上海電機(jī)廠四川：德陽(yáng)東方電機(jī)廠2/5/202315《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論2/5/202316《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論2/5/202317《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論2/5/202318《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論請(qǐng)觀察電力系統(tǒng)示意圖，找到系統(tǒng)中使用的電機(jī)？2/5/202319《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論1.2電機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史1．電機(jī)的發(fā)展初期F＝Bli——1821年Faraday電磁感應(yīng)定律的發(fā)現(xiàn)——1831年Faraday直流發(fā)電機(jī)——1831年P(guān)ixii1876年單相交流電的應(yīng)用——遠(yuǎn)距離傳輸1885年交流電動(dòng)機(jī)1889年三相制——三相交流電的應(yīng)用三相電機(jī)2/5/2023202．電機(jī)的近代發(fā)展及趨勢(shì)單機(jī)容量不斷增加如汽輪發(fā)電機(jī)：中小型電機(jī)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不斷改進(jìn)新的設(shè)計(jì)方法（CAD）、工藝、材料、測(cè)試手段應(yīng)用范圍擴(kuò)大19005MVA1956水內(nèi)冷208MVA192025MVA1960320MVA1937空氣冷卻100MVA目前>1000MVA氫氣冷卻150MVA2/5/202321《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論1.3電機(jī)中磁路基本定律1.全電流定律—安培環(huán)路定律LH式中，若電流的正方向與閉合回線L的環(huán)行方向符合右手螺旋關(guān)系時(shí)，i取正號(hào)，否則取負(fù)號(hào)。2/5/202322《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論l和l’，兩積分路徑結(jié)果相同：2/5/202323《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論2.電磁感應(yīng)定律閉合回路中的磁通量隨時(shí)間發(fā)生變化，該線圈中必然有感應(yīng)電勢(shì)產(chǎn)生，稱這種現(xiàn)象為電磁感應(yīng)。線圈中的感應(yīng)電勢(shì)將傾向于阻止線圈中磁鏈的變化。2/5/202324《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論圖1-2電磁感應(yīng)定律正電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生正電流——電流正方向正電流產(chǎn)生正磁通——右手螺旋定則2/5/202325《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論磁通變化原因在變壓器和電機(jī)的繞組中，磁通的變化可以是磁通隨時(shí)間脈動(dòng)或磁通不變，而線圈在轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)特種電機(jī)還可以是磁通隨時(shí)間脈動(dòng)，而線圈也在轉(zhuǎn)動(dòng)2/5/202326《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論變壓器電動(dòng)勢(shì)

磁通本身就是由交流電流所產(chǎn)生，也就是說(shuō)磁通本身隨時(shí)間在變化著，這樣產(chǎn)生的電勢(shì)稱為變壓器電勢(shì)。（線圈與磁場(chǎng)相對(duì)靜止）磁通本身不隨時(shí)間變化，但由于線圈與磁場(chǎng)間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)而引起線圈中磁鏈的變化，這樣產(chǎn)生的電勢(shì)稱為運(yùn)動(dòng)電勢(shì)或速度電勢(shì)運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)2/5/202327《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論變壓器電勢(shì)若線圈不動(dòng)，穿過(guò)線圈的磁通隨時(shí)間變化，則線圈中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)——變壓器電勢(shì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值：2/5/202328《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論電動(dòng)勢(shì)和磁通相位關(guān)系2/5/202329《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論若磁場(chǎng)恒定，構(gòu)成線圈的導(dǎo)體切割磁力線，使線圈交鏈的磁鏈隨時(shí)間變化，導(dǎo)體中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)——運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)。運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向_右手定則2/5/202330《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論電磁力定律載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中要受到力的作用——電磁力。左手定則2/5/202331《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論電磁轉(zhuǎn)矩在旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，作用在轉(zhuǎn)子載流導(dǎo)體上的電磁力將使轉(zhuǎn)子受到一個(gè)力矩（等于力乘轉(zhuǎn)子半徑）——電磁轉(zhuǎn)矩。——匝數(shù)為N的線圈2/5/202332《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論

最大轉(zhuǎn)矩線圈兩側(cè)邊處磁場(chǎng)大小恒相等、極性恒相反線圈總個(gè)數(shù)M，轉(zhuǎn)子直徑D，B大小處處相等。電機(jī)最大可能電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩2/5/202333《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論電磁轉(zhuǎn)矩是電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的重要物理量。

電動(dòng)機(jī)：電磁轉(zhuǎn)矩——驅(qū)動(dòng)性質(zhì)電能——機(jī)械能發(fā)電機(jī)：電磁轉(zhuǎn)矩——制動(dòng)性質(zhì)機(jī)械能——電能P：電磁功率（輸入、輸出）Ω：電機(jī)氣隙磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)角速度功率關(guān)系求得電磁轉(zhuǎn)矩2/5/202334《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論1.4鐵磁材料特性一、磁導(dǎo)率μ=B/HB：磁通密度、磁感應(yīng)強(qiáng)度H：磁場(chǎng)強(qiáng)度電機(jī)主要由兩大系統(tǒng)組成：電路系統(tǒng)和磁路系統(tǒng)。鐵磁材料是組成磁路的主要部分。所謂鐵磁材料是指導(dǎo)磁性能好的材料，如：鐵、鎳、鈷等以及它們的合金。1、定義2/5/202335《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論在同樣大小的電流作用下，鐵芯線圈的磁通比空心線圈的磁通大得多非鐵磁材料磁導(dǎo)率接近真空磁導(dǎo)率μ0μ0=4π×10-7H/m鐵磁材料的磁導(dǎo)率μFe要比非鐵磁材料磁導(dǎo)率μ0大得多（μFe>>μ）鐵磁物質(zhì):鐵、鎳、鋁及其合金電機(jī)中常用的鐵磁材料的磁導(dǎo)率μFe=(2000～6000)μ02/5/202336《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論

考慮：為什么鐵磁材料具有很高的導(dǎo)磁性能?在鐵磁物質(zhì)未放入磁場(chǎng)之前，磁疇雜亂無(wú)章排列，其磁效應(yīng)互相抵消，對(duì)外不呈現(xiàn)磁性。將鐵磁物放入磁場(chǎng)。在外磁場(chǎng)的作用下，磁疇的軸線趨于一致。形成一個(gè)附加磁場(chǎng)，疊加在外磁場(chǎng)上，使合成磁場(chǎng)大為增強(qiáng)。鐵磁材料的磁導(dǎo)率要比非鐵磁材料大得多。鐵磁材料的磁導(dǎo)率μFe不是常數(shù)。圖1.5鐵磁材料中的磁疇2/5/202337《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論2、磁化曲線磁化曲線定義：將一塊尚未磁化的鐵磁材料進(jìn)行磁化，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度H由零逐漸增大時(shí)，磁通密度B將隨之增大，得到曲線B=f(H)。2/5/202338《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論分析磁化曲線，分四段在oa段：當(dāng)H增大→B增大，但B增大速度較慢在ab段：當(dāng)H增大→B增大，B增大速度快；在bc段：B隨H增大的速度又較慢；在cd段：為磁飽和區(qū)（又呈直線段）。其中拐彎點(diǎn)b稱為膝點(diǎn)；c點(diǎn)為飽和點(diǎn)。過(guò)了飽和點(diǎn)c，鐵磁材料的磁導(dǎo)率趨近μ0。2/5/202339《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論※鐵磁材料具有的特點(diǎn)它的磁化曲線具有飽和性，磁導(dǎo)率μFe不是常數(shù)，且隨H的變化而變化。變化總體非線性存在飽和特性H2/5/202340《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論BH圖1-6鐵磁材料的磁化曲線（p16）abc2/5/202341《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論△應(yīng)用設(shè)計(jì)電機(jī)和變壓器時(shí)，為使主磁路內(nèi)得到較大的磁通量而又不過(guò)分增大勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)。通常把鐵心內(nèi)的工作磁通密度選擇在膝點(diǎn)附近。2/5/202342《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論二、磁滯與磁滯損耗

1、磁滯回線

剩磁:去掉外磁場(chǎng)之后，鐵磁材料內(nèi)仍然保留的磁通密度。矯頑力:要使B值從減小到零，必須加上相應(yīng)的反向外磁場(chǎng)，此反向磁場(chǎng)強(qiáng)度稱為矯頑力。磁滯現(xiàn)象：B的變化總是滯后H的變化磁滯回線：磁場(chǎng)強(qiáng)度H緩慢地循環(huán)變化，B－H曲線封閉曲線磁滯現(xiàn)象是鐵磁材料的另一個(gè)特性。2/5/202343《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論圖1-7鐵磁材料的磁滯回線HBabcdef2/5/202344《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論基本磁化曲線：對(duì)同一鐵磁材料，選擇不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行反復(fù)磁化，可得一系列大小不同的磁滯回線，再將各磁滯回線的頂點(diǎn)聯(lián)接起來(lái)，所得的曲線。HB2/5/202345《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論2、鐵磁材料HC—矯頑力Br—剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度鐵磁材料：軟磁材料--磁滯回線窄，HC及Br小硬磁材料--磁滯回線寬，HC及Br大HC及Br大，難退磁---永磁材料BrHCBm2/5/202346《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論軟磁材料的磁滯曲線HBBH硬磁材料的磁滯曲線2/5/202347《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論3、磁滯損耗定義:鐵磁材料置于交變磁場(chǎng)中時(shí)，磁疇相互間不停地摩擦、消耗能量、造成損耗，這種損耗稱為磁滯損耗。2/5/202348《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論全電流定律電源供給線圈的瞬時(shí)功率電磁感應(yīng)定律2/5/202349《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論建立交變磁通、克服磁疇回轉(zhuǎn)所需要的瞬時(shí)功率pKh——不同材料計(jì)算系數(shù)α——試驗(yàn)確定的指數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式：2/5/202350《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論4、渦流損耗鐵芯是有阻值的，當(dāng)磁通交變時(shí)，鐵芯中就會(huì)感應(yīng)交變的電勢(shì)，在導(dǎo)電的鐵芯中就會(huì)產(chǎn)生環(huán)流，這種電流在鐵芯構(gòu)成的回路與磁通相環(huán)鏈，故稱渦流。渦流產(chǎn)生的損耗稱為渦流損耗。kw——與材料有關(guān)的比例系數(shù)pW=K2f2d2Bm2V/12V：鋼片的體積：硅鋼片的電阻率d：硅鋼片厚度pWf2、d2、Bm2、1/、V加入硅硅鋼片增大2/5/202351《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論圖1-10硅鋼片中的渦流 B2/5/202352《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論△應(yīng)用為減小渦流損耗，電機(jī)和變壓器的鐵心都用含硅量較高的薄硅鋼片疊成。2/5/202353《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論5、鐵心損耗鐵芯中的磁滯損耗和渦流損耗之合稱為鐵芯損耗對(duì)于一般的電工鋼片，在正常的工作磁通密度范圍內(nèi)2/5/202354《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論B增加2/5/202355《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論※注意在恒定磁場(chǎng)中的靜止導(dǎo)磁體內(nèi)是不會(huì)引起能量損耗的。鐵芯損耗均轉(zhuǎn)化為熱能使鐵芯溫度升高，為防止電機(jī)過(guò)熱，采用硅鋼片以減小鐵芯損耗，采取散熱降溫措施。2/5/202356《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論1.5磁路基本定律和磁路的計(jì)算電電路導(dǎo)電材料（及絕緣材料）紫銅、鋁線（絕緣:按耐熱能力高低分A、E、B、F、H、C六個(gè)等級(jí)）磁磁路導(dǎo)磁材料硅鋼片、鑄鋼等力結(jié)構(gòu)材料鑄鋼、鑄鐵、鋼板等2/5/202357《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論

磁路磁通所通過(guò)的路徑。主磁通：由于鐵心的導(dǎo)磁性能比空氣要好得多，所以絕大部分磁通將在鐵心內(nèi)通過(guò),這部分磁通稱為主磁通。漏磁通：圍繞載流線圈、部分鐵心和鐵心周?chē)目臻g，還存在少量分散的磁通，這部分磁通稱為漏磁通。主磁路：主磁通所通過(guò)的路徑。漏磁路：漏磁通所通過(guò)的路徑。2/5/202358《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論圖變壓器的磁路主磁通漏磁通2/5/202359《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論一、磁路的歐姆定律圖1-12單框鐵心磁路AN

il2/5/202360《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論磁阻磁導(dǎo)2/5/202361《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論與電路中的歐姆