華中科技大學(xué)-電機學(xué)-第一章-導(dǎo)論(完美解析)

電機學(xué)

ElectricMachinery廣州大學(xué)機械與電氣工程學(xué)院（第1章導(dǎo)論）本文檔共67頁；當(dāng)前第1頁；編輯于星期三\22點0分姓名：王曉剛研究方向：電力電子技術(shù)、電機系統(tǒng)及其控制辦公室：工程北樓515QQ：26517292本文檔共67頁；當(dāng)前第2頁；編輯于星期三\22點0分選用教材：電機學(xué)作者：辜丞林等出版社：華中科技大學(xué)出版社參考書：電機學(xué)（湯蘊璆

機械工業(yè)出版社）ElectricMachinery（A.E.Fitzgerald英文教材）3本文檔共67頁；當(dāng)前第3頁；編輯于星期三\22點0分第1章導(dǎo)論概述電機的發(fā)展歷程電機中的基本電磁定律鐵磁材料磁路基本定律及計算方法電機中的機電能量轉(zhuǎn)換過程電機的發(fā)熱與冷卻電機的分析研究方法本文檔共67頁；當(dāng)前第4頁；編輯于星期三\22點0分第1章導(dǎo)論電機的基本概念電機的分類電機中使用的材料概述電機的作用和地位本文檔共67頁；當(dāng)前第5頁；編輯于星期三\22點0分1.1概述一、電機的基本概念電機是依據(jù)電磁感應(yīng)定律和電磁力定律，由電路和磁路構(gòu)成的能實現(xiàn)機電能量或信號傳遞與轉(zhuǎn)換的電磁裝置。e=Blvf=Bli機械能電能電路磁路6本文檔共67頁；當(dāng)前第6頁；編輯于星期三\22點0分二、電機的分類按運動方式分類電機

7本文檔共67頁；當(dāng)前第7頁；編輯于星期三\22點0分按功能分類電機8本文檔共67頁；當(dāng)前第8頁；編輯于星期三\22點0分三、電機中使用的材料導(dǎo)電材料：銅線。構(gòu)成電路。導(dǎo)磁材料：硅鋼片。構(gòu)成磁路。結(jié)構(gòu)材料：鑄鐵、鑄鋼和鋼板。承受力。絕緣材料：聚酯漆、環(huán)氧樹脂、玻璃絲帶等。用于導(dǎo)體之間和各類構(gòu)件之間的絕緣處理。電機常用絕緣材料按性能劃分為A、E、B、F、H、C等6個等級。如B級絕緣材料可在130℃下長期使用，超過130℃則很快老化，但H級絕緣材料允許在180℃下長期使用。9本文檔共67頁；當(dāng)前第9頁；編輯于星期三\22點0分四、電機的作用和地位

地位：作為電能生產(chǎn)、傳輸、使用和電能特性變換的核心設(shè)備，電機在現(xiàn)代社會所有行業(yè)和部門中占據(jù)了重要的地位。汽輪發(fā)電機水泵10本文檔共67頁；當(dāng)前第10頁；編輯于星期三\22點0分11本文檔共67頁；當(dāng)前第11頁；編輯于星期三\22點0分第1章導(dǎo)論直流電機的產(chǎn)生和形成交流電機的形成和發(fā)展電機理論和設(shè)計、制造技術(shù)的足部完善電機的發(fā)展歷程電機的發(fā)展趨勢本文檔共67頁；當(dāng)前第12頁；編輯于星期三\22點0分1.2電機的發(fā)展歷程一、直流電機的產(chǎn)生和形成1821年，法拉第發(fā)現(xiàn)載流導(dǎo)體在磁場中受力的現(xiàn)象，從而衍生出原始機構(gòu)的電動機；1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律；13本文檔共67頁；當(dāng)前第13頁；編輯于星期三\22點0分1832年，皮克西制成原始的旋轉(zhuǎn)磁極式直流發(fā)電機——現(xiàn)代發(fā)電機的雛形；1833年，楞次證明了電機的可逆原理；1834~1870年，永磁體勵磁轉(zhuǎn)變?yōu)榫€圈勵磁，他勵發(fā)展到自勵，環(huán)形繞組的應(yīng)用；14本文檔共67頁；當(dāng)前第14頁；編輯于星期三\22點0分1873年，海夫納·阿爾泰涅克發(fā)明了鼓形繞組；1880年，愛迪生提出了疊片鐵芯；1884~1885年，出現(xiàn)了換向極、補償繞組以及碳刷；1886年，霍普金森兄弟確立了磁路歐姆定律；1891年，阿諾爾特建立了直流電樞繞組理論。15本文檔共67頁；當(dāng)前第15頁；編輯于星期三\22點0分二、交流電機形成和發(fā)展1832年，單相交流發(fā)電機出現(xiàn)；1876~1884年，單相交流電動機不斷完善；1885年，費拉里斯與特斯拉幾乎同時制成了感應(yīng)電動機；16本文檔共67頁；當(dāng)前第16頁；編輯于星期三\22點0分1889年，多利夫·多布羅夫斯基提出了三相制，并設(shè)計制造了三相感應(yīng)電動機；1893~1899年，交流電機理論取得很多成果，如、雙旋轉(zhuǎn)磁場理論、交軸磁場理論、雙反應(yīng)理論。17本文檔共67頁；當(dāng)前第17頁；編輯于星期三\22點0分三、電機理論和設(shè)計、制造技術(shù)的逐步完善20世紀是電機發(fā)展史上的一個新時期：工業(yè)高速發(fā)展對電機提出了更高的要求；控制電機和新型、特種電機發(fā)展更為迅速；針對電機的研究更加深入，電機性能不斷提高。18本文檔共67頁；當(dāng)前第18頁；編輯于星期三\22點0分電機相關(guān)理論：

1918年，福蒂斯丘—對稱相量法；1926~1930年，道黑提和尼古爾發(fā)展了布隆代爾的

雙反應(yīng)理論；

1929年，帕克將坐標變換與算子法應(yīng)用到同步電機

瞬態(tài)電壓方程的推導(dǎo)；1920~1940年，德雷福斯、龐加、弗里茨等人奠定了電機分析設(shè)計的基礎(chǔ)；1935~1938年，克朗引入張量概念研究旋轉(zhuǎn)電機；19本文檔共67頁；當(dāng)前第19頁；編輯于星期三\22點0分電機相關(guān)理論：1959年，懷特和伍德森倡導(dǎo)下，逐步建立了以統(tǒng)

一的機電能量轉(zhuǎn)換理論為基礎(chǔ)的新體系；1970年，勃拉?？颂岢隽水惒诫姍C磁場定向控制

理論；

近年來，計算機、DSP等技術(shù)在電機設(shè)計與控制

中發(fā)揮了巨大的作用。

20本文檔共67頁；當(dāng)前第20頁；編輯于星期三\22點0分四、電機發(fā)展趨勢超導(dǎo)技術(shù)有助于電機單機容量進一步增大，效率與功率密度進一步提高；新型、特種電機與新原理、新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝、新方法聯(lián)系更加緊密；自動化、智能化電機系統(tǒng)將成為研究熱點；電機與電力電子以及計算機技術(shù)聯(lián)系愈加緊密。21本文檔共67頁；當(dāng)前第21頁；編輯于星期三\22點0分第1章導(dǎo)論電機中的基本電磁定律全電流定律電磁感應(yīng)定律電磁力定律本文檔共67頁；當(dāng)前第22頁；編輯于星期三\22點0分1.3電機中的基本電磁定律一、全電流定律全電流定律（安培環(huán)路定律）：磁場強度沿任意的閉合路徑的線積分等于閉合路徑包圍的導(dǎo)體電流的代數(shù)和。電流是產(chǎn)生磁場的源。23本文檔共67頁；當(dāng)前第23頁；編輯于星期三\22點0分二、電磁感應(yīng)定律只要與線圈交鏈的磁鏈Ψ發(fā)生了變化，線圈內(nèi)就會感應(yīng)出電動勢。感應(yīng)電動勢傾向于在線圈內(nèi)產(chǎn)生電流，以阻止Ψ的變化。當(dāng)電動勢的正方向與磁通方向符合右手螺旋法則，則24本文檔共67頁；當(dāng)前第24頁；編輯于星期三\22點0分二、電磁感應(yīng)定律導(dǎo)致磁通變換的原因：磁通由時變電流產(chǎn)生；磁通由線圈與磁場間的相對運動產(chǎn)生。式中：eT為變壓器電動勢，線圈與磁場相對靜止；

ev為運動電動勢（速度電動勢、旋轉(zhuǎn)電動勢或

切割電動勢）。25本文檔共67頁；當(dāng)前第25頁；編輯于星期三\22點0分1.變壓器電動勢假設(shè)線圈與磁場相對靜止，與線圈交鏈的磁通隨時間按正弦規(guī)律變化可得感應(yīng)電動勢為26本文檔共67頁；當(dāng)前第26頁；編輯于星期三\22點0分1.變壓器電動勢用有效值表示，則可得27本文檔共67頁；當(dāng)前第27頁；編輯于星期三\22點0分282.運動電動勢假設(shè)：線圈匝數(shù)N，兩邊平行，有效長度為

l，寬度為b，以速率v

沿方向運動；磁場B()

不隨時間變化，方向垂直進入屏幕。任意時刻穿過線圈的磁通為：式中磁場、線圈運動方向和感應(yīng)電動勢之間的關(guān)系由右手定則（發(fā)電機定則）確定。運動電動勢為：本文檔共67頁；當(dāng)前第28頁；編輯于星期三\22點0分29本文檔共67頁；當(dāng)前第29頁；編輯于星期三\22點0分三、電磁力定律磁場對電流的作用是磁場的基本特征之一。通電導(dǎo)體置于磁場中（電流方向與導(dǎo)體方向不平行）會受到力的作用，此力稱為電磁力。對于長直載流導(dǎo)體，若磁場與之垂直，則電磁力為F=Bli

這就是通常所說的電磁力定律，也叫畢奧--薩伐電磁力定律。式中電磁力F、磁場B和載流導(dǎo)體l

的關(guān)系由左手定則（電動機定則）確定。普通電機中，l

通常沿軸線方向，而B沿徑向方向。30本文檔共67頁；當(dāng)前第30頁；編輯于星期三\22點0分31三、電磁力定律電磁力作用于轉(zhuǎn)子的切向方向，即產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，稱為電磁轉(zhuǎn)矩。單根導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為：Ts=Fr=Blir

對于N匝線圈所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為：Tc=Nlir(B1-B2)電機最大可能的電磁轉(zhuǎn)矩為Tem=MNBliD本文檔共67頁；當(dāng)前第31頁；編輯于星期三\22點0分32三、電磁力定律在電動機中，電磁轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)的原動力，電磁轉(zhuǎn)矩表現(xiàn)為驅(qū)動性質(zhì)，電能轉(zhuǎn)換為機械能。在發(fā)電機中，原動機克服發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩，電磁轉(zhuǎn)矩表現(xiàn)為制動性質(zhì)，機械能轉(zhuǎn)換為電能。本文檔共67頁；當(dāng)前第32頁；編輯于星期三\22點0分第1章導(dǎo)論鐵磁材料特性鐵磁材料的磁導(dǎo)率磁滯與磁滯損耗渦流與渦流損耗交流鐵芯損耗本文檔共67頁；當(dāng)前第33頁；編輯于星期三\22點0分1.4鐵磁材料特性一、鐵磁材料的磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率的定義

=B/H

B為磁感應(yīng)強度（磁通密度），H為磁場強度矢量鐵磁性材料包括鐵、鈷、鎳及它們的合金。非導(dǎo)磁材料的磁導(dǎo)率均為常數(shù)，接近真空磁導(dǎo)率

≈

0=4π×10-7

H/m

34本文檔共67頁；當(dāng)前第34頁；編輯于星期三\22點0分35鐵磁材料的磁導(dǎo)率

Fe

Fe>>μ0

Fe為非常數(shù)，隨B的變化而變化存在磁飽和現(xiàn)象：當(dāng)鐵磁材料中的B達到一定的程度后，隨著H的增加，B的增加逐漸變慢，因此

Fe隨著H的增加而減小。本文檔共67頁；當(dāng)前第35頁；編輯于星期三\22點0分36磁化曲線在外磁場H作用下，磁感應(yīng)強度B將發(fā)生變化，二者之間的關(guān)系曲線稱為磁化曲線，記為B=f(H)。本文檔共67頁；當(dāng)前第36頁；編輯于星期三\22點0分三、磁滯與磁滯損耗磁滯概念：B變化滯后于H變化的現(xiàn)象。不同鐵磁材料有不同的磁滯回線，且同一鐵磁材料，Bm愈大，磁滯回線所包圍的面積也愈大。剩磁密度矯頑力磁滯回線37本文檔共67頁；當(dāng)前第37頁；編輯于星期三\22點0分軟磁材料：磁滯回線很窄。硅鋼片、鑄鐵、鑄鋼等等。硬磁材料：磁滯回線很寬，或叫永磁材料。鐵氧體、稀土鈷、釹鐵硼等。基本磁化曲線38本文檔共67頁；當(dāng)前第38頁；編輯于星期三\22點0分磁滯損耗：鐵磁材料在交變磁場作用下的反復(fù)磁化過程中，磁疇會不停轉(zhuǎn)動，相互之間會不斷摩擦，因而就要消耗一定的能量，產(chǎn)生功率損耗。這種損耗稱為磁滯損耗。磁滯損耗的大小與磁滯回線的面積、電流頻率f和鐵心體積V成正比。由于硅鋼片的磁滯回線面積很小，而且導(dǎo)磁性能好。因此，大多數(shù)電機、變壓器或普通電器的鐵心都采用硅鋼片制成。39本文檔共67頁；當(dāng)前第39頁；編輯于星期三\22點0分40假設(shè)環(huán)形鐵芯(鐵磁材料)橫截面積為A，平均周長為l，N匝數(shù)線圈緊密圍繞于鐵芯上，其中電流為i，鐵芯內(nèi)磁場強度為H，由全電流定律可得電源供給線圈的功率為忽略線圈電阻則有本文檔共67頁；當(dāng)前第40頁；編輯于星期三\22點0分41P即為在鐵芯中建立交變磁通、克服磁疇回轉(zhuǎn)所需要的瞬時功率，其在一個周期T內(nèi)的平均值就是鐵芯磁滯損耗：根據(jù)工程經(jīng)驗：

Kh為不同材料的計算系數(shù)；α為由試驗確定的系數(shù)。本文檔共67頁；當(dāng)前第41頁；編輯于星期三\22點0分三、渦流與渦流損耗渦流：鐵磁材料在交變磁場將有圍繞磁通呈渦旋狀的感應(yīng)電動勢和電流產(chǎn)生，簡稱渦流。渦流損耗：渦流在其流通路徑上的等效電阻中產(chǎn)生的I2R損耗稱為渦流損耗。42本文檔共67頁；當(dāng)前第42頁；編輯于星期三\22點0分43渦流損耗與磁場交變頻率f、厚度d和最大磁感應(yīng)強度Bm的平方成正比，與材料的電阻率成反比。式中，K為電動勢比例常數(shù)；要減少渦流損耗，首先應(yīng)減小厚度，其次是增加渦流回路中的電阻。電工鋼片中加入適量的硅，制成硅鋼片，顯著提高電阻率。本文檔共67頁；當(dāng)前第43頁；編輯于星期三\22點0分四、鐵耗鐵耗：鐵磁材料在交變磁場作用時，磁滯損耗和渦流損耗是同時發(fā)生的。因此，在電機和變壓器的計算中，當(dāng)鐵心內(nèi)的磁場為交變磁場時，常將磁滯損耗和渦流損耗合在一起來計算，并統(tǒng)稱為鐵心損耗，簡稱鐵耗。單位重量鐵耗式中，p1/50為鐵耗系數(shù)（當(dāng)Bm=1T、f=50Hz時，每千克硅鋼片的鐵耗），范圍為1.05~2.5；β為頻率指數(shù)，范圍為1.2~1.6，與材料性質(zhì)有關(guān)。44本文檔共67頁；當(dāng)前第44頁；編輯于星期三\22點0分第1章導(dǎo)論磁路基本定律及計算方法磁路基本定律鐵芯磁路計算永磁體磁路計算交流磁路特點本文檔共67頁；當(dāng)前第45頁；編輯于星期三\22點0分1.5磁路基本定律及其計算方法基本概念磁路：與電路相仿，將磁通比擬為電流，則磁路是磁通行經(jīng)的路徑。磁通分為主磁通和漏磁通，磁路對應(yīng)的分為主磁路和漏磁路。主磁通是實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換所需要的磁通，因此主磁路為主要的研究對象。磁路計算：確定磁動勢F、磁通Φ和磁路結(jié)構(gòu)（如材料、形狀、幾何尺寸等）之間的關(guān)系。46本文檔共67頁；當(dāng)前第46頁；編輯于星期三\22點0分47一、磁路基本定律主磁通平均磁路長度漏磁通本文檔共67頁；當(dāng)前第47頁；編輯于星期三\22點0分481、磁路歐姆定律假設(shè)忽略漏磁且磁路上的磁場強度H處處相等，由全電流定律可知：因H=B/，而B=Φ/A，可得式中，F(xiàn)=Ni為磁動勢；Rm=l/(A)為磁阻；

Λm=1/Rm為磁導(dǎo)。本文檔共67頁；當(dāng)前第48頁；編輯于星期三\22點0分492、磁路基爾霍夫第一定律進入或穿出任一封閉面的總磁通量的代數(shù)和等于零，或穿入任一封閉面的磁通量恒等于穿出該封閉面的磁通量。圖示的有分支磁路：Φ1+Φ2=Φ3本文檔共67頁；當(dāng)前第49頁；編輯于星期三\22點0分503、磁路基爾霍夫第二定律任一閉合磁路上磁動勢的代數(shù)和恒等于磁壓降的代數(shù)和?；芈发伲?/p>

H1l1+H3l3=N1i1回路②：

-H2l2-H3l3=-N2i2回路③：

H1l1-H2l2=N1i1-N2i2l1l2l3本文檔共67頁；當(dāng)前第50頁；編輯于星期三\22點0分磁路與電路的比較磁路電路磁通Φ(Wb)電流i(A)磁動勢F(A)電動勢e(V)磁阻Rm(H-1)電阻R(Ω)磁壓降Hl(A)電壓降u(V)磁導(dǎo)Λm(H)電導(dǎo)G(S)歐姆定律Φ

=F/Rm歐姆定律i=u/R基氏第一定律ΣΦ=0基氏第一定律Σi=0基氏第二定律ΣF=ΣHl=ΣΦRm基氏第二定律Σe=Σu=ΣiR51本文檔共67頁；當(dāng)前第51頁；編輯于星期三\22點0分二、鐵芯磁路計算方法磁路計算分為兩大類：給定磁通Φ，求磁動勢F。給定磁動勢F，求磁通Φ。

注：電機和變壓器設(shè)計中的磁路計算通常屬于第一種類型的問題。對于第二種類型的問題，一般要用迭代法確定，編程由計算機完成。52本文檔共67頁；當(dāng)前第52頁；編輯于星期三\22點0分53

1、串/并聯(lián)磁路計算將磁路分段，保證每段的均勻性，即材料相同、截面積相等；計算各段磁路的截面積Ax和平均長度l；根據(jù)給定磁通Φ，由Bx=Φ/Ax確定各段內(nèi)的平均磁感應(yīng)強度（簡稱磁密）;由磁密確定對應(yīng)的磁場強度Hx；

鐵磁材料由基本磁化曲線或相應(yīng)的數(shù)據(jù)表格確定，空氣隙和非鐵磁性材料由Hx=Bx/0。計算各段磁路上的磁壓降Hxlx

；由磁路基爾霍夫第二定律計算F。本文檔共67頁；當(dāng)前第53頁；編輯于星期三\22點0分2、自感和互感自感自感的大小與匝數(shù)的平方和磁路的磁導(dǎo)成正比；鐵心線圈的自感要比空心線圈的大得多；鐵心線圈的電感不是常數(shù)，當(dāng)磁路飽和程度增加時，自感下降。N——線圈匝數(shù)Λm——自感磁通所經(jīng)磁路的磁導(dǎo)54本文檔共67頁；當(dāng)前第54頁；編輯于星期三\22點0分互感N1----線圈1的匝數(shù)N2----線圈2的匝數(shù)Λm----互感磁通所經(jīng)磁路的磁導(dǎo)互感的大小與兩線圈匝數(shù)的乘積和互感磁通所經(jīng)磁路的磁導(dǎo)成正比。55本文檔共67頁；當(dāng)前第55頁；編輯于星期三\22點0分563、交流磁路特點在磁路計算方法上與直流磁路基本相同；在磁化特性等方面有自身的特點

；

鐵芯中會產(chǎn)生損耗（磁滯損耗和渦流損耗）；交流磁路中要考慮外施電壓與線圈中感應(yīng)的反電動勢平衡，因而其幅值會比直流磁路中大很多，線圈電阻上的壓降相對較小，可忽略不計；交流磁路中，磁通、電流為交流，存在波形和相位問題。本文檔共67頁；當(dāng)前第56頁；編輯于星期三\22點0分第1章導(dǎo)論電機中的機電能量轉(zhuǎn)換過程本文檔共67頁；當(dāng)前第57頁；編輯于星期三\22點0分58機電能量轉(zhuǎn)換示意圖機械系統(tǒng)對于電動機而言是負載，對于發(fā)電機而言是原動機；電氣系統(tǒng)對于電動機而言是電源，對于發(fā)電機而言是負載；能量轉(zhuǎn)換過程在某種條件下是可逆的，遵循能量守恒原理；能量轉(zhuǎn)換過程中，能量表現(xiàn)為四種形態(tài)：電能、機械能、磁場儲能和熱能。1.6電機中的機電能量轉(zhuǎn)換過程本文檔共67頁；當(dāng)前第58頁；編輯于星期三\22點0分59電機能量平衡關(guān)系機械能Wmec=磁場儲能增量Wm+熱能損耗PT電能We“”分別表示發(fā)電機和電動機，發(fā)電機取“+”，電動機取“

-”；熱能損耗包括：電阻損耗pCu，鐵芯損耗pFe，機械摩擦損耗pmec；（Wmec-pmec

）=（Wm+pFe）（We+pCu）本文檔共67頁；當(dāng)前第59頁；編輯于星期三\22點0分60耦合磁場的作用電機進行機電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵是耦合磁場對電氣系統(tǒng)和機械系統(tǒng)的作用與反作用；耦合磁場對電氣系統(tǒng)的作用或反作用是通過感應(yīng)電動勢表現(xiàn)出來的；耦合磁場對機械系統(tǒng)的作用或反作用是通過電磁力或電磁轉(zhuǎn)矩表現(xiàn)出來的；耦合場即為電機中的氣隙場。本文檔共67頁；當(dāng)前第60頁；編輯于星期三\22點0分第1章導(dǎo)論電機的發(fā)熱和冷卻電機的發(fā)熱和冷卻過程電機的絕緣材料和允許溫升電機的冷卻介質(zhì)和冷卻方式本文檔共67頁；當(dāng)前第61頁；編輯于星期三\22點0分62