第1章 電機(jī)學(xué)基礎(chǔ)

第一章電機(jī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)目錄1.1電機(jī)的基本功能與主要類型1.2電機(jī)的基本原理1.3電機(jī)的制造材料第一章電機(jī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)2/991.1電機(jī)的基本功能第一章電機(jī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)3/99電機(jī)（包括變壓器和旋轉(zhuǎn)電機(jī)）是實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換和信號(hào)傳遞的電磁裝置。電機(jī)是一種機(jī)電能量轉(zhuǎn)換或信號(hào)轉(zhuǎn)換的電磁機(jī)械裝置。電機(jī)是實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換和信號(hào)轉(zhuǎn)換的電磁裝置。電機(jī)泛指所有實(shí)施電能特性變換的機(jī)械裝置。電氣工程學(xué)科關(guān)注的電機(jī)，研究限于依據(jù)磁場(chǎng)耦合實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換和信號(hào)傳遞與轉(zhuǎn)換的裝置（電磁式電機(jī)）。thedevicesusedintheinterconversionofelectricandmechanicalenergy.Emphasisisplacedonelectromagneticrotatingmachinery,bymeansofwhichthebulkofthisenergyconversiontakesplace.However,thetechniquesdevelopedaregenerallyapplicabletoawiderangeofadditionaldevicesincludinglinearmachines,actuators,andsensors.1.1電機(jī)的類型第一章電機(jī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)4/99按功能分，有發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器和控制電機(jī)四大類。按電機(jī)結(jié)構(gòu)及電源性質(zhì)分，有變壓器和旋轉(zhuǎn)電機(jī)。1.2電機(jī)的基本原理第一章電機(jī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)5/99電機(jī)(電磁)能量轉(zhuǎn)換過程電功率ui電氣損耗機(jī)械損耗機(jī)械功率TΩ1.2電機(jī)的基本原理第一章電機(jī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)6/991)磁場(chǎng)基本概念磁場(chǎng)：由電流或永磁體產(chǎn)生。磁感應(yīng)強(qiáng)度B（單位：特斯拉T）。用于表征磁場(chǎng)的強(qiáng)弱和方向，矢量。用磁感線的疏密程度描述B的大小。無頭無尾，不相交。1.2電機(jī)的基本原理第一章電機(jī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)7/991)磁場(chǎng)基本概念同性相斥、異性相吸。鐵磁材料性質(zhì)。1.2電機(jī)的基本原理第一章電機(jī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)8/991)磁場(chǎng)基本概念磁通量Φ（單位：韋伯Wb

）垂直穿過某截面的磁感線總和。磁通連續(xù)性定理—通過任意封閉曲面的磁通量等于零。1.2電機(jī)的基本原理第一章電機(jī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)9/991)磁場(chǎng)基本概念磁場(chǎng)強(qiáng)度H（單位：安培每米A/m

）H∝I，與介質(zhì)無關(guān)；B與電流大小和介質(zhì)性質(zhì)都有關(guān)。磁導(dǎo)率μ（單位：亨利每米H/m

）介質(zhì)導(dǎo)磁能力。

0=4×10－7H/m磁化強(qiáng)度M（單位：安培每米A/m

）表明介質(zhì)磁化狀態(tài)和磁化程度（又稱磁化矢量）1.2電機(jī)的基本原理第一章電機(jī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)10/991)磁場(chǎng)基本概念物質(zhì)按磁導(dǎo)率分類：非磁性物質(zhì)、磁性物質(zhì)。非磁性物質(zhì)μ

≈μ0

。順磁物質(zhì)如空氣：μ

稍大于μ0

。反磁物質(zhì)如銅：μ

稍小于μ0

。磁性物質(zhì)—高導(dǎo)磁性μ

>>μ0

。鑄鋼

≈1000

0；硅鋼片

≈7000

0；玻莫合金

≈20000

0。磁場(chǎng)能量密度1.2電機(jī)的基本原理第一章電機(jī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)11/992)磁路及基本定律安培環(huán)路定律（全電流定律）—磁場(chǎng)強(qiáng)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。1.2電機(jī)的基本原理第一章電機(jī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)12/992)磁路及基本定律磁路歐姆定律磁動(dòng)勢(shì)F=Ni（單位安匝At）

磁阻Rm

=l/(μA)（單位每亨H-1）1.2電機(jī)的基本原理第一章電機(jī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)13/992)磁路及基本定律基爾霍夫第一定律基爾霍夫第二定律1.2電機(jī)的基本原理第一章電機(jī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)14/992)磁路及基本定律磁路電路磁通路徑-磁路電流路徑-電路磁通=磁動(dòng)勢(shì)/磁阻電流=電動(dòng)勢(shì)/電阻磁通Φ

(Wb)電流I(A)磁動(dòng)勢(shì)NI(At)電動(dòng)勢(shì)E

(V)磁阻Rm=l/(μA)(At/Wb)電阻R=lρ

/A=l/(σA)(Ω)磁導(dǎo)=1/磁阻(H)電導(dǎo)=1/電阻(S)磁密B=Φ/A(Wb/m2)電密J=I/A(A/m2)磁場(chǎng)強(qiáng)度H=NI/l(A/m)電場(chǎng)強(qiáng)度E=V/d(V/m)1.2電機(jī)的基本原理第一章電機(jī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)15/992)磁路及基本定律磁路電路磁通并不流動(dòng)，但建立磁化對(duì)齊。電流是電子定向運(yùn)動(dòng)。磁性材料磁導(dǎo)率大于非磁性材料。導(dǎo)體電導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于絕緣體。磁阻不是常數(shù)，磁導(dǎo)率會(huì)跟隨磁感應(yīng)強(qiáng)度顯著的改變。電阻一般認(rèn)為是常數(shù)，隨溫度輕微變化。一但磁通建立，即使其流過磁阻，也不再消耗能量。電流流過電阻會(huì)消耗能量，變成熱量耗散。1.2電機(jī)的基本原理第一章電機(jī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)16/992)磁路及基本定律氣隙磁阻例，環(huán)形鐵心1m，1mm氣隙；200匝繞組1A電流；相對(duì)磁導(dǎo)率500；計(jì)算磁通密度B。解，NI=ΦRmRm=Rmc+Rm0=lc/(μcAc)+l0/(μ0A0)

A0=Ac,μc=μrμ0=2000μ0>>μ0,

Rmc>>Rm0

因此，由于氣隙的存在，如果保持相同的磁通，需要增大磁動(dòng)勢(shì)F（勵(lì)磁電流）。

N

I=B

A

(

lc/(μ0μrAc)+l0/(μ0A0))2000

1=B

(0.1/(2000

4π

10-7)+0.001/(4π

10-7))B=200/835.35=0.239Wb/m2

1.2電機(jī)的基本原理第一章電機(jī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)17/99例1-1磁路由電工鋼片疊壓而成，鐵心疊壓系數(shù)為kFe=0.94,各段鐵心截面積相同，A=0.8×10-3m2，各段磁路的長(zhǎng)度分別為l1=0.08m,l2=0.1m,l3=0.037m,l4=0.037m,l5=0.1m,δ=0.006m,已知μFe=1900μ0,N=2000，如要求鐵心中?=1×10-3Wb,求需要多大的勵(lì)磁電流。解：鐵心

Ak

=kFeA=0.94×0.8×10-3m2=0.752×10-3m2

1.2電機(jī)的基本原理第一章電機(jī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)18/99例1-1磁路由電工鋼片疊壓而成，鐵心疊壓系數(shù)為kFe=0.94,各段鐵心截面積相同，A=0.8×10-3m2，各段磁路的長(zhǎng)度分別為l1=0.08m,l2=0.1m,l3=0.037m,l4=0.037m,l5=0.1m,δ=0.006m,已知μFe=1900μ0,N=2000，如要求鐵心中?=1×10-3Wb,求需要多大的勵(lì)磁電流。解：氣隙總磁動(dòng)勢(shì)及電流1.2電機(jī)的基本原理第一章電機(jī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)19/993)電磁感應(yīng)定律動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)導(dǎo)體相對(duì)切割磁感線；右手定則。1.2電機(jī)的基本原理第一章電機(jī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)20/993)電磁感應(yīng)定律變壓器電動(dòng)勢(shì)（感生電動(dòng)勢(shì)）線圈和磁場(chǎng)相對(duì)靜止；磁通隨時(shí)間變化產(chǎn)生。1.2電機(jī)的基本原理第一章電機(jī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)21/994)線圈電路方程直流線圈U→I→N

I→

→

I=U/RP=I2R電磁吸力F在動(dòng)鐵心吸合后，

→磁阻變小→磁通增加→吸力變大；電阻不變→電流不變→電功率不變。Φ＋U－SNNSIF

1.2電機(jī)的基本原理第一章電機(jī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)22/994)線圈電路方程交流線圈u→i→Ni→

→e=-Nd/dt→

→e

=-L

di/dtL=Ψ/i=N2/Rmu=Ri－e=Ri+Ldi/dtX=ωL=2πfLUE=4.44fNm電磁吸力F在動(dòng)鐵心吸合后，

→磁阻變小→磁通幅值不變，→平均吸力不變；→電流有效值變小，→電阻不變→電功率變小。Φ＋u－iFe

eσ

1.2電機(jī)的基本原理第一章電機(jī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)23/995)電磁力定律載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中，左手定則。1.2電機(jī)的基本原理第一章電機(jī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)24/996)電機(jī)可逆性原理任何電機(jī)既可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，也可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。電動(dòng)機(jī)->施加電流->電磁力->電磁轉(zhuǎn)矩->旋轉(zhuǎn)->驅(qū)動(dòng)機(jī)械負(fù)載->輸出機(jī)械功率。發(fā)電機(jī)->施加轉(zhuǎn)矩->旋轉(zhuǎn)->感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)->輸出電流->驅(qū)動(dòng)電氣負(fù)載->輸出電功率。1.2電機(jī)的基本原理第一章電機(jī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)25/996)電機(jī)可逆性原理機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過程發(fā)電機(jī)->

Wmec=Pmec+Pfe+Pcu+We電動(dòng)機(jī)<-

Wmec+Pmec+Pfe+Pcu=We電能-機(jī)械能-磁場(chǎng)能-熱能電氣連接機(jī)械系統(tǒng)Wmec電

機(jī)儲(chǔ)能增量Wm鐵損Pfe電磁力F耦合磁場(chǎng)/氣隙磁場(chǎng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E電氣系統(tǒng)We傳動(dòng)機(jī)構(gòu)1.3電機(jī)的制造材料第一章電機(jī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)26/991)電機(jī)的主要制造材料導(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、鑄鋼和鋼板等。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(jī)常用絕緣材料按性能劃分為A、E、B、F、H、C等6個(gè)等級(jí)。如B級(jí)絕緣材料可在130℃下長(zhǎng)期使用，超過130℃則很快老化，但H級(jí)絕緣材料允許在180℃下長(zhǎng)期使用。其它材料（散熱、冷卻、潤(rùn)滑材料）。1.3電機(jī)的制造材料第一章電機(jī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)27/992)鐵磁材料特性高導(dǎo)磁率

>>

0(

r>>1)磁性物質(zhì)內(nèi)部存在著很多很小的“磁疇”。鐵磁材料的高導(dǎo)磁性被廣泛應(yīng)用于變壓器和電機(jī)中。將磁感線約束在特定的路徑中（磁路）；使用盡可能小的勵(lì)磁電流產(chǎn)生更大的磁場(chǎng)（磁感應(yīng)強(qiáng)度）。磁疇（磁化前）磁疇（磁化后）1.3電機(jī)的制造材料第一章電機(jī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)28/992)鐵磁材料特性磁飽和

B=H（

不是常數(shù)）磁滯非線性1.3電機(jī)的制造材料第一章電機(jī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)29/992)鐵磁材料特性磁滯硬磁材料（永磁體）Br大、Hc大，BH曲線寬；軟磁材料（電器的鐵心）Br小、Hc小，BH曲線窄；矩磁材料（記憶單元）Br大、Hc小，BH曲線接近矩形。剩磁Hm－Hm矯頑磁力－HcHcBHOBr－Br磁滯回線BHO基本磁化曲線1.3電機(jī)的制造材料第一章電機(jī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)30/992)鐵磁材料特性磁滯1.3電機(jī)的制造材料第一章電機(jī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)31/992)鐵磁材料特性磁滯損耗1.3電機(jī)的制造材料第一章電機(jī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)32/992)鐵磁材料特性渦流損耗鐵心導(dǎo)磁，同時(shí)導(dǎo)電。交變磁場(chǎng)在鐵心中產(chǎn)生環(huán)形感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；產(chǎn)生環(huán)形漩渦狀的感應(yīng)電流。降低渦流的方法增大鐵心電阻率，摻雜硅，硅鋼；減小渦流截面積，增大環(huán)路路徑上的電阻，使用疊片結(jié)構(gòu)，片。1.3電機(jī)的制造材料第一章電機(jī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)33/992)鐵磁材料特性鐵心損耗渦流損耗磁滯損耗鐵損綜合確定其中m鐵心質(zhì)量。Bm一般可取1T-1.8T。1.3電機(jī)的制造材料第一章電機(jī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)34/993)永磁材料特性退磁曲線剩磁Br矯頑力Hc磁能積曲線最大磁能積(BH)max性能參數(shù)回復(fù)線局部磁滯回線很窄，用直線代替-回復(fù)線回復(fù)磁導(dǎo)率1.3電機(jī)的制造材料第一章電機(jī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)35/993)永磁材料特性直線型退磁曲線回復(fù)線與退磁曲線重合；永磁材料的工作點(diǎn)在退磁曲線上；有拐點(diǎn)的退磁曲線，工作點(diǎn)如在拐點(diǎn)下P點(diǎn)，回復(fù)線是過P點(diǎn)與退磁曲線平行的直線。大多數(shù)稀土永磁材料為直線型退磁曲線。內(nèi)稟退磁曲線內(nèi)稟磁感應(yīng)強(qiáng)度Bi（磁極化強(qiáng)度J）J=μ0M（M-磁化強(qiáng)度）內(nèi)稟矯頑力-Hcj反映永磁體抗去磁

能力，越大穩(wěn)定性越好。1.3電機(jī)的制造材料第一章電機(jī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)36/993)永磁材料特性熱穩(wěn)定性可逆損失-溫度系數(shù)不可逆損失IL-溫度回復(fù)后，磁性能不能回復(fù)。居里溫度TC-磁性能消失的溫度臨界值。最高溫度-長(zhǎng)時(shí)間保持某溫度，回復(fù)到室溫后保證IL<5%。1.3電機(jī)的制造材料第一章電機(jī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)37/993)永磁材料特性磁穩(wěn)定性表示在外磁場(chǎng)干擾下永磁材