武漢大學(xué)電機(jī)學(xué)第1章_導(dǎo)論(200610)

1、第一章第一章 導(dǎo)導(dǎo) 論論1.了解電機(jī)的作用與電機(jī)學(xué)的任務(wù)了解電機(jī)的作用與電機(jī)學(xué)的任務(wù)2.掌握基本電磁定律掌握基本電磁定律3.掌握鐵磁材料的磁化特性掌握鐵磁材料的磁化特性2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝1.1 概概 述述1.1.1 電機(jī)的定義電機(jī)的定義2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝廣義言之，電機(jī)可泛指所有實施電能生產(chǎn)、傳輸、使用和電能特性變換的機(jī)械或裝置。然而，由于生產(chǎn)、傳輸、使用電能和實施電能特性變換的方式很多，原理各異。作為電類相關(guān)學(xué)科，特別是電氣工程學(xué)科的主要技術(shù)基礎(chǔ)課，電機(jī)學(xué)的主要研究范疇僅限于那些依據(jù)電磁感應(yīng)定律和電磁力定律實現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換和信

2、號傳遞與轉(zhuǎn)換的裝置。依此定義，嚴(yán)格地說，這類裝置的全稱應(yīng)該是電磁式電機(jī)，但習(xí)慣上已將之簡稱為電機(jī)。2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝1.1.2 1.1.2 電機(jī)的主要類型電機(jī)的主要類型電機(jī)的種類很多，分類方法也很多。如按運動方式分，靜止的有變壓器，運動的有直線電機(jī)和旋轉(zhuǎn)電機(jī)。電機(jī)變壓器旋轉(zhuǎn)電機(jī)直流電機(jī)交流電機(jī)同步電機(jī)異步電機(jī)2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝按功能分類的方法電機(jī)由原動機(jī)拖動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，驅(qū)動電力機(jī)械分別用于改變電壓，電流，頻率和相位進(jìn)行信號的傳遞和轉(zhuǎn)換，控制系統(tǒng)中的執(zhí)行，檢測或解算元件發(fā)電機(jī)：電動機(jī)：變壓器，變流器，

3、變頻器，移相器：控制電機(jī)：2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝1.1.3 1.1.3 電機(jī)中所用的主要材料電機(jī)中所用的主要材料已經(jīng)知道電機(jī)是進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換或訊號轉(zhuǎn)換的機(jī)械電磁裝置，由此，電機(jī)中所用的材料無外乎：1）導(dǎo)電材料：）導(dǎo)電材料：構(gòu)成電機(jī)中的電路系統(tǒng)，為了減少損耗，要求材料的電阻率小，常用的有紫銅和鋁。2）導(dǎo)磁材料：）導(dǎo)磁材料：構(gòu)成電機(jī)中的磁路系統(tǒng)，要求材料具有較高的導(dǎo)磁率和較底的鐵耗系數(shù)，常用硅鋼片、鋼板和鑄鋼。2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝 3）絕緣材料：）絕緣材料：作為帶電體之間及帶電體與鐵心間的電氣隔離，要求耐熱好，介電性能高。 4）結(jié)構(gòu)材

4、料：）結(jié)構(gòu)材料：使電機(jī)各個零件構(gòu)成一個整體，要求材料的機(jī)械強(qiáng)度好，加工方便，重量輕。AEBFHC105105120120130130155155180180180180以上以上2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝1.1.4 1.1.4 電機(jī)的作用電機(jī)的作用 能源系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備能源系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備 電能電能電機(jī)電機(jī) 發(fā)電發(fā)電輸電輸電用電用電 各領(lǐng)域中有特殊要求的動力裝置各領(lǐng)域中有特殊要求的動力裝置2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝1.1.發(fā)電環(huán)節(jié)發(fā)電環(huán)節(jié)各種電機(jī)各種電機(jī) 引進(jìn)引進(jìn)600MW汽輪發(fā)電機(jī)汽輪發(fā)電機(jī)2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝 國

5、產(chǎn)國產(chǎn)300MW汽輪發(fā)電機(jī)汽輪發(fā)電機(jī)2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝國產(chǎn)國產(chǎn)200MW汽輪發(fā)電機(jī)定子汽輪發(fā)電機(jī)定子2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝國產(chǎn)國產(chǎn)200MW汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝現(xiàn)場運行的水輪發(fā)電機(jī)現(xiàn)場運行的水輪發(fā)電機(jī)2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝2020kV/500kV(220kV)kV/500kV(220kV) 500kV(220kV)/110kV 500kV(220kV)/110kV 110kV/35kV 110kV/35kV 35kV/10kV 35k

6、V/10kV 10kV/380V 10kV/380V 為了把發(fā)電廠發(fā)出的電力輸送到四面八方為了把發(fā)電廠發(fā)出的電力輸送到四面八方的用戶，需要將發(fā)電機(jī)輸出的的用戶，需要將發(fā)電機(jī)輸出的 20 kV 左右的電左右的電壓升高。在我國，一般升高到壓升高。在我國，一般升高到220kV或或500kV。為了輸送一定大小的功率、采用高電壓。為了輸送一定大小的功率、采用高電壓。2.2.輸配電環(huán)節(jié)輸配電環(huán)節(jié)變壓器變壓器2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝連接發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的升壓變壓器連接發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的升壓變壓器連接發(fā)電機(jī)的連接發(fā)電機(jī)的封閉母線封閉母線 與電網(wǎng)相連與電網(wǎng)相連的高壓出線端的高壓出線端2022

7、年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝3.3.用電環(huán)節(jié)用電環(huán)節(jié)電動機(jī)電動機(jī)1 1）各行業(yè)廣泛使用電動機(jī)）各行業(yè)廣泛使用電動機(jī)2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝4.4.在高新技術(shù)領(lǐng)域的新應(yīng)用在高新技術(shù)領(lǐng)域的新應(yīng)用 信息技術(shù)（雷達(dá)驅(qū)動） 航天航空航海 生物醫(yī)學(xué)工程（多種醫(yī)療設(shè)備）2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝1.2 1.2 電機(jī)發(fā)展歷程及當(dāng)前狀況電機(jī)發(fā)展歷程及當(dāng)前狀況 1833 1833年年 直流電機(jī)直流電機(jī) 1885 1885年年 異步電動機(jī)異步電動機(jī) 1889 1889年年 三相系統(tǒng)三相系統(tǒng)1.1.歷程歷程2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程

8、學(xué)院劉啟勝 至今保留在美國麻省理工學(xué)院至今保留在美國麻省理工學(xué)院 的由愛迪生發(fā)明的一種直流電動機(jī)的由愛迪生發(fā)明的一種直流電動機(jī)2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝2.2.我國目前實際應(yīng)用情況我國目前實際應(yīng)用情況 汽發(fā)：消化引進(jìn)，設(shè)計汽發(fā)：消化引進(jìn)，設(shè)計600600MWMW 700700MWMW水發(fā)水發(fā), , 三峽電站三峽電站 500 500kVkV輸電線路以及相應(yīng)的變壓器輸電線路以及相應(yīng)的變壓器 500 500kVkV直流輸電，西電東送運行中直流輸電，西電東送運行中 400 400MWMW燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組 引進(jìn)建設(shè)引進(jìn)建設(shè) 600 600MWMW核電機(jī)組

9、核電機(jī)組 各種電動汽車各種電動汽車2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝3.3.當(dāng)前研究、開發(fā)與創(chuàng)新當(dāng)前研究、開發(fā)與創(chuàng)新（1 1）國內(nèi)外與電機(jī)相關(guān)的研究領(lǐng)域國內(nèi)外與電機(jī)相關(guān)的研究領(lǐng)域 精確模型研究 新能源技術(shù)（風(fēng)力發(fā)電，波浪發(fā)電，高速 “電、熱、冷”三聯(lián)供機(jī)組） 機(jī)電一體化(電機(jī)、電力電子與微電子結(jié)合) 特殊新用途（電磁發(fā)射，納米電機(jī)）2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝 精確模型研究 300MW 汽輪發(fā)電機(jī)fNfII，NUU 的電抗值 2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝 新能源技術(shù)風(fēng)力發(fā)電 2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝波

10、浪發(fā)電 波浪能電站外景波浪能電站外景 波浪能電站內(nèi)景波浪能電站內(nèi)景 新能源技術(shù)2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝 機(jī)電一體化機(jī)電一體化如果用正在發(fā)展的新型永磁無刷直流電動機(jī)代替普通如果用正在發(fā)展的新型永磁無刷直流電動機(jī)代替普通電動機(jī)電動機(jī), ,效果如下：效果如下：電冰箱：電冰箱：10001000萬臺萬臺/ /年，電量少年，電量少15%15%洗衣機(jī)：洗衣機(jī)：11001100萬臺，噪音降低萬臺，噪音降低1010分貝，節(jié)分貝，節(jié) 省電能省電能50%50%，節(jié)水，節(jié)水20%20%2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝永磁直流無刷直流電動機(jī)外形圖永磁直流無刷直流電動機(jī)外形

11、圖2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝 特殊新用途（電磁發(fā)射，納米電機(jī)） 電磁發(fā)射技術(shù)的發(fā)展及其軍事應(yīng)用電磁發(fā)射技術(shù)的發(fā)展及其軍事應(yīng)用超微電機(jī)與微型機(jī)器人技術(shù)超微電機(jī)與微型機(jī)器人技術(shù)人工心臟技術(shù)人工心臟技術(shù)2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝 航天超聲波電航天超聲波電機(jī)機(jī) 高速發(fā)電的發(fā)電高速發(fā)電的發(fā)電機(jī)機(jī) 人工肌肉直線電機(jī)人工肌肉直線電機(jī) 超導(dǎo)電超導(dǎo)電機(jī)機(jī) 電動機(jī)故障診斷電動機(jī)故障診斷 艦船驅(qū)動用電動機(jī)艦船驅(qū)動用電動機(jī) 智能型電力電子變壓智能型電力電子變壓器器2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝1.3.1 全電流定律全電流定律也稱安培環(huán)路定律，沿

12、空間任意條閉合回路，磁也稱安培環(huán)路定律，沿空間任意條閉合回路，磁場強(qiáng)度場強(qiáng)度H的線積分等于該閉合回路所包圍的電流的代的線積分等于該閉合回路所包圍的電流的代數(shù)和。數(shù)和。i3l H dl i2 i1 注：若注：若i與與l符合右手螺旋關(guān)符合右手螺旋關(guān)系，系， 取正號，否則取負(fù)號取正號，否則取負(fù)號 。其中大拇指所指為其中大拇指所指為i的的方向，四方向，四指為指為l方向。方向。lH dli其中其中 H： 磁場強(qiáng)度，安磁場強(qiáng)度，安/米米(A/m) 2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝Fe FeFNiH lH其中其中 F=Ni：磁路的磁動勢磁路的磁動勢 H HFeFel lFeFe：鐵心上的

13、磁壓降：鐵心上的磁壓降 H H：氣隙上的磁壓降氣隙上的磁壓降注：注：i 與與 l 符合右手螺旋關(guān)系符合右手螺旋關(guān)系, ,電機(jī)學(xué)中習(xí)慣電機(jī)學(xué)中習(xí)慣大拇指所大拇指所指為指為 l 的的方向，四指為方向，四指為多匝線圈中多匝線圈中 i 方向。方向。 當(dāng)氣隙長度當(dāng)氣隙長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于兩側(cè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于兩側(cè)的鐵心截面的邊長時，的鐵心截面的邊長時， 鐵心和鐵心和氣隙中為均勻磁場，則氣隙中為均勻磁場，則 帶氣隙的鐵心磁路帶氣隙的鐵心磁路 2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝螺管線圈螺管線圈 設(shè)有向回路設(shè)有向回路 l 與圓與圓環(huán)的中心圓重合，則沿環(huán)的中心圓重合，則沿著回線著回線 l 磁場強(qiáng)度磁場強(qiáng)度 H

14、處處處相等且其方向處處與處相等且其方向處處與回線切線方向相同（稱回線切線方向相同（稱為均勻磁場），同時閉為均勻磁場），同時閉合回線所包圍的總電流合回線所包圍的總電流由通有電流由通有電流 i 的的 N 匝線匝線圈提供，則：圈提供，則：HlNiNi：作用在磁路上的安匝數(shù)（磁路磁動勢），單位作用在磁路上的安匝數(shù)（磁路磁動勢），單位A A。 2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝電電 流流磁磁 場場產(chǎn)產(chǎn) 生生電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)感應(yīng)電流感應(yīng)電流 1831年法拉第年法拉第閉合回路閉合回路變化變化m 實驗實驗產(chǎn)生產(chǎn)生1.3.2 1.3.2 電磁感應(yīng)定律電磁感應(yīng)定律2022年3月20日星期日武漢大

15、學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝GNS ab一、一、 電磁感應(yīng)現(xiàn)象電磁感應(yīng)現(xiàn)象2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝 GNSab一、一、 電磁感應(yīng)現(xiàn)象電磁感應(yīng)現(xiàn)象2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝 GNSab一、一、 電磁感應(yīng)現(xiàn)象電磁感應(yīng)現(xiàn)象2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝 GNSab一、一、 電磁感應(yīng)現(xiàn)象電磁感應(yīng)現(xiàn)象2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝 GNSab一、一、 電磁感應(yīng)現(xiàn)象電磁感應(yīng)現(xiàn)象2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝 GNSab一、一、 電磁感應(yīng)現(xiàn)象電磁感應(yīng)現(xiàn)象2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)

16、院劉啟勝 GNSab一、一、 電磁感應(yīng)現(xiàn)象電磁感應(yīng)現(xiàn)象2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝 GNSab一、一、 電磁感應(yīng)現(xiàn)象電磁感應(yīng)現(xiàn)象2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝 GNSab一、一、 電磁感應(yīng)現(xiàn)象電磁感應(yīng)現(xiàn)象2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝 GNSabSN 一、一、 電磁感應(yīng)現(xiàn)象電磁感應(yīng)現(xiàn)象2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝GNS abSN R12Gm 當(dāng)回路當(dāng)回路 1中電流中電流發(fā)生變化時，在發(fā)生變化時，在回路回路 2中出現(xiàn)感中出現(xiàn)感應(yīng)電動勢。應(yīng)電動勢。2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝 SSm

17、cosdSBSdB B變化變化S變化變化 變化變化 SN GNSabiI 當(dāng)通過一個閉合導(dǎo)體回路所包圍面積內(nèi)的當(dāng)通過一個閉合導(dǎo)體回路所包圍面積內(nèi)的磁通量發(fā)生變化時，回路中就會產(chǎn)生感應(yīng)電流。磁通量發(fā)生變化時，回路中就會產(chǎn)生感應(yīng)電流。 結(jié)論結(jié)論這一現(xiàn)象稱為這一現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)。電流方向電流方向？2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝二、楞次定律二、楞次定律 ( (判斷感應(yīng)電流方向判斷感應(yīng)電流方向) )感應(yīng)電流產(chǎn)生的感應(yīng)電流產(chǎn)生的效果，效果，反抗引起感應(yīng)電流的反抗引起感應(yīng)電流的原因原因?qū)Ь€運動導(dǎo)線運動感應(yīng)電流感應(yīng)電流阻礙阻礙產(chǎn)生產(chǎn)生磁通量變化磁通量變化感應(yīng)電流感應(yīng)電流產(chǎn)生產(chǎn)生阻

18、礙阻礙 abvf 楞次定律楞次定律：感應(yīng)電動勢產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向，感應(yīng)電動勢產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向，總是使感應(yīng)電流的磁場通過回路的磁通量阻礙原總是使感應(yīng)電流的磁場通過回路的磁通量阻礙原磁通量的變化。磁通量的變化。2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝判斷感應(yīng)電流的方向：判斷感應(yīng)電流的方向：1、判明原磁場的方向；、判明原磁場的方向；3、按照楞次定律確定、按照楞次定律確定“感應(yīng)磁感應(yīng)磁場場”的方向；的方向； 4、按右手螺旋法則由、按右手螺旋法則由“感應(yīng)磁場感應(yīng)磁場”的的 方向來確定感應(yīng)電流的方向。方向來確定感應(yīng)電流的方向。感感BNSBiI感感BBiINSm 感感BB與與反向；反向；若若，

19、則，則m 感感BB與與同向；同向；若若，則，則增反增反 減同減同2、確定原磁場、確定原磁場磁通量的變化磁通量的變化 2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝楞次定律楞次定律能量守恒定律在電磁感應(yīng)中的體現(xiàn)能量守恒定律在電磁感應(yīng)中的體現(xiàn)若違背楞次定律若違背楞次定律?感應(yīng)電動勢的大小如何計算感應(yīng)電動勢的大小如何計算? ?f ab永動機(jī)？永動機(jī)？2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝三、法拉第電磁感應(yīng)定律三、法拉第電磁感應(yīng)定律 通過回路面積內(nèi)的磁通量發(fā)生變化時，回路中產(chǎn)通過回路面積內(nèi)的磁通量發(fā)生變化時，回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢與磁通量對時間的變化率成正比。生的感應(yīng)電動勢與磁通量

20、對時間的變化率成正比。在在SI制中比例系數(shù)制中比例系數(shù)K為為1庫侖定律庫侖定律畢畢-沙定律沙定律電磁感應(yīng)定律電磁感應(yīng)定律電磁場理論的三大實驗基礎(chǔ)電磁場理論的三大實驗基礎(chǔ)ddtek ddte 如果：回路幾何形狀、尺寸不變，如果：回路幾何形狀、尺寸不變， 周圍無鐵磁性物質(zhì)。周圍無鐵磁性物質(zhì)。L自感系數(shù)，單位：亨利（自感系數(shù)，單位：亨利（H）對于對于N 匝線圈：匝線圈：磁通鏈數(shù)磁通鏈數(shù)四、四、由于回路自身電流的變化，由于回路自身電流的變化，在回路中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的現(xiàn)象。在回路中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的現(xiàn)象。實驗指出：實驗指出：ImLImLINm1.1.自感現(xiàn)象自感現(xiàn)象2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工

21、程學(xué)院劉啟勝2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝1）L的意義：的意義：LIm2. 自感系數(shù)與自感電動勢自感系數(shù)與自感電動勢 自感系數(shù)在數(shù)值上等于回路中通過單位電流時，通自感系數(shù)在數(shù)值上等于回路中通過單位電流時，通過自身回路所包圍面積的磁通量。過自身回路所包圍面積的磁通量。若若 I = 1 A，則，則mL L的計算: L=m/I單位：H ，mH , H LIm自感電動勢：自感電動勢：=eLddtLi若回路幾何形狀、尺寸不變，周圍介質(zhì)的磁導(dǎo)率不變，若回路幾何形狀、尺寸不變，周圍介質(zhì)的磁導(dǎo)率不變，自感電動勢自感電動勢dtdemLdtLid)(dtdLIdtdIL0dtdL則：則：20

22、22年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝自感系數(shù)L的大?。篘Lii由磁路歐姆定律：mmNiNiR則：22mmNLNRN線圈的匝數(shù) 磁路的磁導(dǎo) Rm磁路的磁阻m2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝1) 互感系數(shù)互感系數(shù)(M)因兩個載流線圈中電流變化而因兩個載流線圈中電流變化而在對方線圈中激起感應(yīng)電動勢在對方線圈中激起感應(yīng)電動勢的現(xiàn)象稱為互感應(yīng)現(xiàn)象。的現(xiàn)象稱為互感應(yīng)現(xiàn)象。 若兩回路幾何形狀、尺寸及相對位置不變，若兩回路幾何形狀、尺寸及相對位置不變，周圍無鐵磁性物質(zhì)。實驗指出：周圍無鐵磁性物質(zhì)。實驗指出：21212212IM

23、I 12121121IMI 1II21221五、互感系數(shù)與互感電動勢2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝實驗和理論都可以證明：實驗和理論都可以證明：12I2I121MMM 2112若兩線圈的匝數(shù)分別為若兩線圈的匝數(shù)分別為則有：則有：21NN 與與221212112MIIMN 112121221MIIMN 21212212IMI 12121121IMI 2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝2）互感電動勢）互感電動勢12I2I121221212112MIIMN 112121221MIIMN dtdiMdtde21212dtdiMdtde121212022年3月20日

24、星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝( A). 互感系數(shù)和兩回路的幾何形狀、尺寸，它們互感系數(shù)和兩回路的幾何形狀、尺寸，它們 的相對位置，以及周圍介質(zhì)的磁導(dǎo)率有關(guān)。的相對位置，以及周圍介質(zhì)的磁導(dǎo)率有關(guān)。( B). 互感系數(shù)的大小反映了兩個線圈磁場的相互互感系數(shù)的大小反映了兩個線圈磁場的相互 影響程度。影響程度。自感系數(shù)M的大小：121 1222NMii由磁路歐姆定律：2 2122 21212N iN iR則：12121212N NMN NRN1,N2線圈的匝數(shù) 磁路的磁導(dǎo) R12 磁路的磁阻122022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝 互感系數(shù)在數(shù)值上等于當(dāng)?shù)诙€回路電流變化互感系數(shù)在

25、數(shù)值上等于當(dāng)?shù)诙€回路電流變化率為每秒一安培時，在第一個回路所產(chǎn)生的互感電率為每秒一安培時，在第一個回路所產(chǎn)生的互感電動勢的大小。動勢的大小。若若(C). 互感系數(shù)的物理意義互感系數(shù)的物理意義：21didt在式在式中，中，212dieMdt 則有：則有：則有：則有：即：即：12eM2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝1.3.3 1.3.3 電磁力定律電磁力定律磁場對電流的作用是磁場的基本特征之一。實驗表明，將長度為 l 的導(dǎo)體置于磁場 B 中，通入電流 i 后，導(dǎo)體會受到力的作用，稱為電磁力。其計算公式為F = dF = idl B對于長直載流導(dǎo)體，若磁場與之垂直，則計算電磁力

26、大小的公式可簡化為F = Bli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(又稱電動機(jī)定則)確定。2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝在電動機(jī)里，電磁轉(zhuǎn)矩是驅(qū)使電機(jī)旋轉(zhuǎn)的原動力，即電磁轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩，在電磁轉(zhuǎn)矩作用下，電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。在發(fā)電機(jī)里，可以證明，電磁轉(zhuǎn)矩是制動性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩，即電磁轉(zhuǎn)矩的方向與拖動發(fā)電機(jī)的原動機(jī)的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的方向相反，原動機(jī)的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩克服發(fā)電機(jī)內(nèi)制動性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩而作功，機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。電磁轉(zhuǎn)矩還可以用功率的關(guān)系求得。設(shè) Pem 為電機(jī)的電磁功率，為電機(jī)氣隙磁場旋轉(zhuǎn)角速度，則有在旋轉(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

27、個力矩，我們稱之為電磁轉(zhuǎn)矩。電磁轉(zhuǎn)矩是電機(jī)實現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的重要物理量。ememPT2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝1.4 1.4 鐵磁材料的特性鐵磁材料的特性1.4.1 鐵磁材料的磁導(dǎo)率鐵磁材料的磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率HB (1) 非鐵磁材料 為常數(shù)，接近于真空的磁導(dǎo)率m/H10470(2) 鐵磁材料: 鐵、鎳、鈷及其合金 很大，具有高的導(dǎo)磁性能； 不是常數(shù)，磁化曲線呈非線性（飽和特性）特性：2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝所有非導(dǎo)磁材料的磁導(dǎo)率都是常數(shù)，并且都接近于真空磁導(dǎo)率 0，0 = 4 10-7H / m。但鐵磁材料卻是非鐵磁材料卻是非線性的線性的

28、，即其中 B 與 H 的比值不是常數(shù)，磁導(dǎo)率 Fe在較大的范圍內(nèi)變化，而且數(shù)值遠(yuǎn)大于 0，一般為 0的數(shù)百乃至數(shù)千倍。對電機(jī)中常用的鐵磁材料來說，F(xiàn)e在在 2000 06000 0之間之間。因此，當(dāng)線圈匝數(shù)和勵磁電流相同時，鐵心線圈激發(fā)的磁通量比空心線圈的大得多，從而電機(jī)的體積也就可以減小。2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝鐵磁材料之所以有高導(dǎo)磁性能，依磁疇假說，從微觀角度看，就在于鐵磁材料內(nèi)部存在著很多很小的具有確定磁極性的自發(fā)磁化區(qū)域，并且有很強(qiáng)的磁化強(qiáng)度，就相當(dāng)于一個個超微型小磁鐵，稱之為磁疇。磁化前磁化后2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝鐵磁材料的磁

29、化特性（鐵磁材料的磁化特性（B BH H曲線曲線/ /磁化曲線）磁化曲線）0BHB=0H非鐵磁材料的磁化非鐵磁材料的磁化特性：特性：B=0H起始磁化曲線起始磁化曲線: :B=f(H)oa為起始段為起始段 ab為為線性段線性段 bc為為飽和段飽和段 B=f(H)abcd膝點Fe=f(H) : 隨隨 H 的變化而的變化而變化變化 ()Fef HFe2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝2iHr0BHFe又因00FeFeBB故有結(jié)論：鐵心具結(jié)論：鐵心具有增磁功能有增磁功能 。思考題：鐵心環(huán)與塑料環(huán)中的磁場強(qiáng)度和磁通密度有何區(qū)別？思考題：鐵心環(huán)與塑料環(huán)中的磁場強(qiáng)度和磁通密度有何區(qū)別？20

30、22年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝0Fe 111mFelFRA21mmRR結(jié)論：結(jié)論：在激磁磁勢相同的情況下，帶氣隙鐵心磁路只在激磁磁勢相同的情況下，帶氣隙鐵心磁路只能得到較少的磁通。能得到較少的磁通。 222()mmFemFRRR20()FeFellAA2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝變壓器：變壓器：兩個線圈交鏈的磁通過鐵心以增強(qiáng)兩個線圈交鏈的磁通過鐵心以增強(qiáng) 電機(jī)：鐵心使定、轉(zhuǎn)子之間的耦合場得以增強(qiáng)，并可以電機(jī)：鐵心使定、轉(zhuǎn)子之間的耦合場得以增強(qiáng)，并可以使定子內(nèi)圓表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度按一定規(guī)律在圓周上分布使定子內(nèi)圓表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度按一定規(guī)律在圓周上分布 202

31、2年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝1.4.2 磁滯與磁滯損耗磁滯與磁滯損耗對鐵磁材料進(jìn)行周期性的磁化，則B-H曲線如圖：磁化曲線是一條具有單方向性的閉合曲線，稱為磁滯回線。B的變化總是滯后于H的變化，這種現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象。原因：外磁場撤除后，磁疇的排列不能完全恢復(fù)到起始狀態(tài)，顯示磁性。矯頑力 剩磁2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝基本磁化曲線或平均磁化曲線基本磁化曲線或平均磁化曲線: : 2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝磁滯損耗磁滯損耗當(dāng)鐵磁材料置于交變磁場中時，被反復(fù)交變磁化，致使磁疇之間不停的摩擦，消耗能量，造成損耗，這種損耗稱為磁滯損耗磁

32、滯損耗。 (1)(1)不同的鐵磁材料有不同的磁滯回線不同的鐵磁材料有不同的磁滯回線 軟磁材料：如：鑄鋼、硅鋼、制作電機(jī)鐵心； 硬磁材料：不高，Br大，磁滯回線寬而胖， 制造永久磁鐵； (2)(2)同一鐵磁材料，同一鐵磁材料，B Bm m越大，磁滯回線所包圍的面越大，磁滯回線所包圍的面積越大，損耗越大。積越大，損耗越大。VBfPnmh試驗證明，磁滯損耗試驗證明，磁滯損耗2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝1.4.3 1.4.3 渦流與渦流損耗渦流與渦流損耗因鐵心是導(dǎo)電的，因鐵心是導(dǎo)電的，當(dāng)穿過鐵心的磁通隨時當(dāng)穿過鐵心的磁通隨時間變化時，鐵心中產(chǎn)生間變化時，鐵心中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，從而

33、產(chǎn)生電感應(yīng)電勢，從而產(chǎn)生電流，這些環(huán)流在鐵心內(nèi)流，這些環(huán)流在鐵心內(nèi)繞磁通做旋狀流動成為繞磁通做旋狀流動成為渦流渦流。渦流在鐵心中引。渦流在鐵心中引起損耗稱為起損耗稱為渦流損耗渦流損耗。2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝渦流損耗的大小和哪些因素有關(guān)？ddxx2/wwdpER2bdRldx22wwlEdpdxb/22222202dwmwlEK f d B Vpdxb正比于頻率的平方正比于厚度的平方正比于磁密的平方反比于電阻率2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝思考題：圖中哪個渦流損耗大？思考題：圖中哪個渦流損耗大？要減少渦流損耗，首先應(yīng)減小硅鋼片厚度(目前一般厚度

34、已做成 0.5mm 和 0.3mm 或更??；其次是增加渦流回路中的電阻。電工鋼片中加入適量的硅，制成硅鋼片硅鋼片，就是為了使材料改性，成為半導(dǎo)體類合金，顯著提高電阻率。2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝1.4.4 1.4.4 鐵心損耗鐵心損耗:鐵心損耗系數(shù)50/ 1p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。單位重量中鐵耗:21/50()50FemfppB 為頻率指數(shù)，其值在 1.21.6 范圍內(nèi)2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝1.5 磁路基本定律及計算方法磁路基本定律及計算方法本質(zhì)上講，各類電磁裝置中物

35、理現(xiàn)象的研究都應(yīng)歸結(jié)為物理場問題的求解，如溫度場、流場、力場、電場、磁場等等。但這樣太復(fù)雜，也難于得出一般性的分析設(shè)計規(guī)律，因此，將場問題化簡為路問題求解，并由此形成了一門關(guān)于電路分析設(shè)計的完整理論。磁路是電機(jī)、電器中磁通行經(jīng)的路徑。磁路一般由鐵磁材料制成，磁通也有主磁通(又稱工作磁通)和漏磁通之分。習(xí)慣上，主磁通行經(jīng)的路徑稱之為主磁路，漏磁通行經(jīng)的路徑叫漏磁路。2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝 1.1.均勻磁路的歐姆定律均勻磁路的歐姆定律BA 在線性或可以近似地認(rèn)為是線性的介質(zhì)中在線性或可以近似地認(rèn)為是線性的介質(zhì)中有有 B=HH 其中其中是磁導(dǎo)率，是磁導(dǎo)率， H/mH/m

36、2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝BlNilA 將將=BA和和B=H H 代入代入Ni Hl，得得mFRmF mlRAmR1mmARlm2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝0()mFemFelFRRAA其中其中 RmFe : : 鐵心部分對應(yīng)的磁阻鐵心部分對應(yīng)的磁阻 Rm : : 氣隙部分對應(yīng)的磁阻氣隙部分對應(yīng)的磁阻 假設(shè)鐵心長度假設(shè)鐵心長度l遠(yuǎn)遠(yuǎn)大氣隙遠(yuǎn)遠(yuǎn)大氣隙長度長度 ，認(rèn)為鐵心柱中的磁通認(rèn)為鐵心柱中的磁通等于氣隙中的磁通等于氣隙中的磁通 ，則，則2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝1.5.2 磁路的基爾霍夫第一定律進(jìn)入或穿出任一封閉面的總

37、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。123 2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝1.5.2 磁路的基爾霍夫第二定律定義 Hl 為磁壓降，Hl 為閉合磁路上磁壓降的代數(shù)和。磁路基爾霍夫第二定律表明，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。mRFNiHldlH2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝磁路和電路的類比關(guān)系IN磁路磁路R+_EIU電路電路磁通勢磁通勢F電動勢電動勢E磁通磁通 電流電流I磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B電流密度電流密度J電阻電阻R(電導(dǎo)電導(dǎo)G)AlRmlRA0i 0eu mFHlR 磁阻磁阻Rm（磁導(dǎo)（磁導(dǎo)

38、 ）m2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝1.6 電機(jī)中的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過程（略）電機(jī)中的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過程（略）機(jī)械能 Wmec= 磁場儲能增量 Wm+熱能損耗 PT 電能 We2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝1.7 電機(jī)的發(fā)熱與冷卻一、電機(jī)的發(fā)熱：一、電機(jī)的發(fā)熱：任何機(jī)械裝置工作了一段時間后，都會出現(xiàn)發(fā)熱的任何機(jī)械裝置工作了一段時間后，都會出現(xiàn)發(fā)熱的現(xiàn)象，我們已經(jīng)學(xué)過了電工和大物，那么，很顯然，這現(xiàn)象，我們已經(jīng)學(xué)過了電工和大物，那么，很顯然，這是損耗的出現(xiàn)所導(dǎo)致的結(jié)果。是損耗的出現(xiàn)所導(dǎo)致的結(jié)果。1、溫升溫升：電機(jī)的溫度在工作了一段時間后不在上升而：電機(jī)的溫度

39、在工作了一段時間后不在上升而達(dá)到某一穩(wěn)定數(shù)值，此值和周圍冷卻介質(zhì)溫度之差，我達(dá)到某一穩(wěn)定數(shù)值，此值和周圍冷卻介質(zhì)溫度之差，我們稱之為溫升。們稱之為溫升。電機(jī)的溫升不僅取決與損耗的大小和散熱情況，還電機(jī)的溫升不僅取決與損耗的大小和散熱情況，還與電機(jī)的工作方式有關(guān)。與電機(jī)的工作方式有關(guān)。2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝2. 定額：制造廠按國家標(biāo)準(zhǔn)的要求對電機(jī)的全部電量定額：制造廠按國家標(biāo)準(zhǔn)的要求對電機(jī)的全部電量和機(jī)械量的數(shù)值以及運行的持續(xù)時間和順序所做的規(guī)和機(jī)械量的數(shù)值以及運行的持續(xù)時間和順序所做的規(guī)定稱為電機(jī)的定額，（既電機(jī)的工作方式）。定稱為電機(jī)的定額，（既電機(jī)的工作方式）

40、。 1）連續(xù)定額）連續(xù)定額 2）短時定額）短時定額 3）周期工作定額）周期工作定額二、電機(jī)的冷卻：二、電機(jī)的冷卻：電機(jī)的冷卻快慢直接電機(jī)的冷卻快慢直接決定了電機(jī)的壽命和額定容量。決定了電機(jī)的壽命和額定容量。1）冷卻介質(zhì)：空氣，氫氣，水和油）冷卻介質(zhì)：空氣，氫氣，水和油2）冷卻方式：外部冷卻和內(nèi)部冷卻?，F(xiàn)代巨型電機(jī)均）冷卻方式：外部冷卻和內(nèi)部冷卻。現(xiàn)代巨型電機(jī)均采用內(nèi)部冷卻方式。采用內(nèi)部冷卻方式。2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝1.8 電機(jī)的分析研究方法電機(jī)的分析研究方法1.8.1 分析步驟分析步驟雖然電機(jī)的種類很多，分析研究方法也各有特點，但其基本步驟和基本方法還是有很多共

41、同之處的，尤其是對旋轉(zhuǎn)電機(jī)。下面綜合介紹旋轉(zhuǎn)電機(jī)的分析步驟和研究方法。電機(jī)內(nèi)部物理情況的分析。這一步主要是分析空載和負(fù)載運行時電機(jī)內(nèi)部的磁動勢和磁場，建立物理模型。2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝列出電機(jī)的運動方程。利用電磁感應(yīng)定律和電磁力定律，即可求出各個繞組內(nèi)的感應(yīng)電動勢和作用在轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩；再利用基爾霍夫定律、全電流定律、牛頓定律和能量守恒原理，可列出各個繞組的電動勢方程式以及電機(jī)的磁動勢方程式、轉(zhuǎn)矩方程式和功率方程式。這些方程統(tǒng)稱為電機(jī)的運動方程。這一步的工作就是把物理模型變?yōu)閿?shù)學(xué)模型。 電機(jī)的運動方程除了可用上述傳統(tǒng)方法建立外，還可以用漢密爾頓原理通過變分法建立，或直接應(yīng)用機(jī)電動力系統(tǒng)的拉格朗日麥克斯韋方程列寫。2022年3月20日星期日武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院劉啟勝求電機(jī)的運行特性和性能。求電機(jī)的運行特性和性能。列出運動方程后，求解這些方程，即可確定電機(jī)的運行特性和一些主要的技術(shù)數(shù)據(jù)。對于動力用電機(jī)動力用電機(jī)，在穩(wěn)態(tài)運行特性中，發(fā)電機(jī)以外特性為最重要，而電動機(jī)則以機(jī)械特性電動機(jī)則以機(jī)械特性為最重要。發(fā)電