第一章導(dǎo)輪教材

1、第一章 導(dǎo)論第二章 直流電機(jī)第三章變壓器第四章 交流電機(jī)繞組的基本理論第五章 異步電機(jī)第六章 同步電機(jī)第第1章章 導(dǎo)論導(dǎo)論 概述概述 電機(jī)的基本概念電機(jī)的基本概念 電機(jī)的分類電機(jī)的分類 電機(jī)中使用的材料電機(jī)中使用的材料 電機(jī)中的基本電磁定律電機(jī)中的基本電磁定律 全電流定律全電流定律 電磁感應(yīng)定律電磁感應(yīng)定律 電磁力定律電磁力定律 鐵磁材料特性鐵磁材料特性 鐵磁材料的磁導(dǎo)率鐵磁材料的磁導(dǎo)率 磁化曲線磁化曲線 磁滯與磁滯損耗磁滯與磁滯損耗 渦流與渦流損耗鐵耗渦流與渦流損耗鐵耗磁路基本定律及其計(jì)算方法磁路基本定律及其計(jì)算方法 磁路基本定律磁路基本定律 磁路計(jì)算方法磁路計(jì)算方法 自感和互感自感和互感

2、1.1 概述 電機(jī)學(xué)是電氣工程學(xué)科的主要技術(shù)基礎(chǔ)課 1.1.1 電機(jī)的定義 廣義：電機(jī)可泛指所有實(shí)施電能生產(chǎn)、傳輸、使用和電能特性變換的機(jī)械或裝置。 狹義：在電氣工程學(xué)科中，電機(jī)學(xué)的主要研究范疇僅限于依據(jù)電磁感應(yīng)定律和電磁力定律實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換和信號傳遞與轉(zhuǎn)換的裝置； 或說：電機(jī)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(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換或信號傳遞與轉(zhuǎn)換的裝置。 e = B l vf = B l i機(jī)械能機(jī)械能電電 能能電路電路磁路磁路 1.1.2 電機(jī)的主要類型按運(yùn)動方式分類按運(yùn)動方式分類按功能分類按功能分類 電機(jī)電機(jī) 電機(jī)電機(jī) 需要指出的是，發(fā)電機(jī)和電動機(jī)只是電機(jī)的兩種運(yùn)動形式，從

3、基本原理上看，他們本身是可逆的。也就是說，同一臺電機(jī)，既可以作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，也可作電動機(jī)運(yùn)行，只是從設(shè)計(jì)要求和綜合性能考慮，其技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性未必兼得。 電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)：電機(jī)的基本任務(wù)是實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，而前提也就是必須能夠產(chǎn)生機(jī)械上的相對運(yùn)動。對于旋轉(zhuǎn)電機(jī)，在結(jié)構(gòu)上就必須要求有一個(gè)靜止部分和一個(gè)旋轉(zhuǎn)部分，而且兩者之間還要有一個(gè)適當(dāng)?shù)拈g隙。 在電機(jī)學(xué)中，靜止部分稱為定子，旋轉(zhuǎn)部分稱為轉(zhuǎn)子，間隙稱為氣隙。 氣隙中的磁場分布及其變化規(guī)律在能量轉(zhuǎn)換過程中起決定性作用。 1.1.3電機(jī)中使用的材料 電機(jī)中有電路和磁路，因此要有良好的導(dǎo)電材料和導(dǎo)磁材料。 導(dǎo)電材料要求導(dǎo)電性能好，電阻損耗小，一般選用紫銅材料

4、。 導(dǎo)磁材料又叫鐵磁材料，主要采用硅鋼片 硅鋼片，亦稱電工鋼片，其導(dǎo)磁率極高，這樣能夠減少電機(jī)體積，降低勵(lì)磁損耗，但會有磁滯損耗。 除上述兩種材料外，還要有使電機(jī)成為一個(gè)整體的結(jié)構(gòu)材料；還要有介電強(qiáng)度高、耐熱性能好的絕緣材料。1.3電機(jī)中的基本電磁定律 1.3.1全電流定律安培環(huán)路定律 在電機(jī)中不存在運(yùn)流電流，位移電流，則麥柯斯韋第一方程（全電流定律）積分形式可以表述為如下。IdlHL 磁場強(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。 電流是產(chǎn)生磁場的源。 321IIIldHldll 1.3.2 電磁感應(yīng)定律 當(dāng)一個(gè)匝數(shù)為N的線圈與磁場相交鏈時(shí)，則產(chǎn)生的電動勢為dtdNdt

5、de 亦稱楞次定律。式中負(fù)號表明電動勢將產(chǎn)生的電流所激勵(lì)的磁場總是傾向于阻止線圈中的磁鏈的變化。 導(dǎo)致磁通變化的原因可歸為兩大類：一類是磁通由交變電流產(chǎn)生，即磁通是時(shí)間t的函數(shù)；另一類是線圈與磁場間有相對運(yùn)動，即磁通是位移變量x的函數(shù)。則dxxdttd從而有：VTeexNvtNe其中：eT為變壓器電動勢；eV為速度電動勢。下面分別討論 1. eT變壓器電動勢 設(shè)線圈與磁場相對靜止，與線圈交鏈的磁通隨時(shí)間變化，按正弦規(guī)律變化，即tmsin則：)90sin(cos0tEtNeemmT 該式表明電動勢變化規(guī)律與磁通相同，但在相位上之后900。感應(yīng)電動勢的有效值mmmmfNfNNEE44. 4222

6、2.運(yùn)動電動勢如圖，設(shè)匝數(shù)為N的線圈在恒定磁場（B不隨時(shí)間變化，但隨按一定規(guī)律分布）中以速度v沿方向運(yùn)動，線圈兩邊平行，但與垂直，寬度為b,有效長度為l，距原點(diǎn)距離為x，則任意時(shí)刻穿過線圈的磁通為bxxndBl)( 線圈產(chǎn)生的運(yùn)動電動勢為lvBNbxBxBNvleennnv )()( Bn、v、e三者關(guān)系有右手定則確定。顯然，若使磁場能充分利用并得到最大值（也是電機(jī)設(shè)計(jì)基本準(zhǔn)則），則要求：垂直線圈平面與兩運(yùn)動邊得B相反 bxBXBBBnn 1.3.3電磁力定律 1.電磁力定律 磁場對電流作用是磁場的基本特征之一Bl diFdF 用畢奧薩法爾描述BliF ilB、三者關(guān)系用左手定則描述 顯然，B

7、與i垂直時(shí)F最大。普通電機(jī)中，l沿軸線，B在徑向方向。這種考慮與產(chǎn)生最大感應(yīng)電動勢的基本設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是一致的。 根據(jù)左手定則，可知電磁力作用在轉(zhuǎn)子的切向方向，因而就會在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 2.電磁轉(zhuǎn)矩 對于單根導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為BlirFrTa 對于匝數(shù)為N的線圈，設(shè)線圈兩側(cè)邊所在處的磁場分別為B1和B2，則有)(21BBNlirTc 顯然當(dāng)B1=-B2時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩最大。對于一臺沿圓周均勻布置線圈的電機(jī)，要求氣隙磁場盡可能均勻，則電機(jī)的最大可能電磁轉(zhuǎn)矩是MNBliDTTMjcjem 1 在電動機(jī)里，電磁轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩；在發(fā)電機(jī)里電磁轉(zhuǎn)矩是制動性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩。 電磁轉(zhuǎn)矩還可以用功率的關(guān)系求得。設(shè)P為

8、電機(jī)的電磁功率，為電機(jī)氣隙磁場旋轉(zhuǎn)角速度，則有 PTem1.4 鐵磁材料特性1.4.1鐵磁材料的磁導(dǎo)率 一、一、 磁導(dǎo)率的定義磁導(dǎo)率的定義 = B/H非鐵磁材料的磁導(dǎo)率非鐵磁材料的磁導(dǎo)率 0 = 410-7 H/m 為常數(shù)為常數(shù) 鐵磁材料的磁導(dǎo)率鐵磁材料的磁導(dǎo)率 Fe Fe0 Fe為非常數(shù)，隨為非常數(shù)，隨B的變化而變化的變化而變化 ，存在磁飽和現(xiàn)，存在磁飽和現(xiàn)象：當(dāng)鐵磁材料中的象：當(dāng)鐵磁材料中的B達(dá)到一定的程度后，隨著達(dá)到一定的程度后，隨著H的增的增加，加，B的增加逐漸變慢，因此的增加逐漸變慢，因此 Fe隨著隨著H的增加而減小。的增加而減小。二、磁化曲線二、磁化曲線 在外磁場在外磁場H作用下，

9、磁感應(yīng)強(qiáng)度作用下，磁感應(yīng)強(qiáng)度B將發(fā)生變化，二者之將發(fā)生變化，二者之間的關(guān)系曲線稱為磁化曲線，記為間的關(guān)系曲線稱為磁化曲線，記為B=f(H)。=f(H)，叫做磁導(dǎo)率曲線，叫做磁導(dǎo)率曲線1.4.2 磁滯與磁滯損耗磁滯與磁滯損耗1、磁滯概念：、磁滯概念： B 的的變化滯后于變化滯后于H 的變化的的變化的現(xiàn)象被稱為磁滯現(xiàn)象被稱為磁滯。2、剩磁、剩磁 3、矯頑力、矯頑力 4、磁滯回線、磁滯回線5、上升磁化曲線與、上升磁化曲線與下降磁化曲線不重合下降磁化曲線不重合6、不同鐵磁材料有、不同鐵磁材料有不同的磁滯回線，且不同的磁滯回線，且同一鐵磁材料，同一鐵磁材料，Bm愈愈大，磁滯回線所包圍大，磁滯回線所包圍的

10、面積也愈大。的面積也愈大。7、軟磁材料：磁滯回、軟磁材料：磁滯回線很窄。硅鋼片、鑄鐵、線很窄。硅鋼片、鑄鐵、鑄鋼等等。鑄鋼等等。 8、硬磁材料：磁滯回、硬磁材料：磁滯回線很寬，或叫永磁材料。線很寬，或叫永磁材料。鐵氧體、稀土鈷、釹鐵鐵氧體、稀土鈷、釹鐵硼等。硼等。 9、基本磁化曲線、基本磁化曲線 將所有磁滯回線在第一象限的頂點(diǎn)連接起來得到的磁化曲線就叫基本磁化曲線 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。

11、這種損耗稱為磁滯損耗。能量，產(chǎn)生功率損耗。這種損耗稱為磁滯損耗。 對于帶鐵心的螺線線圈圓環(huán)有對于帶鐵心的螺線線圈圓環(huán)有 即即而電源供給線圈的瞬時(shí)功率為而電源供給線圈的瞬時(shí)功率為又線圈電壓與感應(yīng)電動勢平衡，由電磁感應(yīng)定律得又線圈電壓與感應(yīng)電動勢平衡，由電磁感應(yīng)定律得設(shè)鐵心內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為設(shè)鐵心內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，則鐵心內(nèi)磁通為，則鐵心內(nèi)磁通為 則則 V為鐵心的體積為鐵心的體積NiHl NHli uip dtdNeuBAdtdBVHNHldtdBNAidtdNuip在一個(gè)周期內(nèi)瞬時(shí)功率的平均值就是鐵心的磁滯損耗在一個(gè)周期內(nèi)瞬時(shí)功率的平均值就是鐵心的磁滯損耗 磁滯損耗的大小與磁滯損耗的大小與磁滯回線

12、磁滯回線的面積、電流頻率的面積、電流頻率f 和鐵和鐵心體積心體積V 成正比。成正比。 由于硅鋼片的磁滯回線面積很小，而且導(dǎo)磁性能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(jī)、變壓器或普通電器的鐵心都好。因此，大多數(shù)電機(jī)、變壓器或普通電器的鐵心都采用硅鋼片制成。采用硅鋼片制成。ThHdBfVpdtTp011.4.3 渦流與渦流損耗渦流與渦流損耗 渦流：鐵磁材料在交變磁場將有圍渦流：鐵磁材料在交變磁場將有圍繞磁通呈渦旋狀的感應(yīng)電動勢和電繞磁通呈渦旋狀的感應(yīng)電動勢和電流產(chǎn)生，簡稱渦流。流產(chǎn)生，簡稱渦流。 渦流損耗：渦流在其流通路徑上的渦流損耗：渦流在其流通路徑上的等效電阻中產(chǎn)生的等

13、效電阻中產(chǎn)生的I2R損耗稱為渦損耗稱為渦流損耗。流損耗。 渦流損耗與磁場交變頻率渦流損耗與磁場交變頻率f、厚度、厚度d和最大磁感應(yīng)強(qiáng)度和最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm的平方成正的平方成正比，與材料的電阻率比，與材料的電阻率 成反比。成反比。 要減少渦流損耗，首先應(yīng)減小厚度要減少渦流損耗，首先應(yīng)減小厚度，其次是增加渦流回路中的電阻。，其次是增加渦流回路中的電阻。電工鋼片中加入適量的硅，制成硅電工鋼片中加入適量的硅，制成硅鋼片，顯著提高電阻率。鋼片，顯著提高電阻率。1.4.4 鐵耗鐵耗 鐵耗：鐵磁材料在交變磁場作用時(shí)，磁滯損耗和鐵耗：鐵磁材料在交變磁場作用時(shí)，磁滯損耗和渦流損耗是同時(shí)發(fā)生的。因此，在電機(jī)和變壓

14、器渦流損耗是同時(shí)發(fā)生的。因此，在電機(jī)和變壓器的計(jì)算中，當(dāng)鐵心內(nèi)的磁場為交變磁場時(shí)，常將的計(jì)算中，當(dāng)鐵心內(nèi)的磁場為交變磁場時(shí)，常將磁滯損耗和渦流損耗合在一起來計(jì)算，并統(tǒng)稱為磁滯損耗和渦流損耗合在一起來計(jì)算，并統(tǒng)稱為鐵心損耗，簡稱鐵耗。鐵心損耗，簡稱鐵耗。 單位重量鐵耗單位重量鐵耗 pFe fBm2。其中。其中12，與材與材料性質(zhì)有關(guān)。料性質(zhì)有關(guān)。1.5 磁路基本定律及其計(jì)算方法磁路基本定律及其計(jì)算方法 與電路相仿，將磁通比擬電流，則磁路是電機(jī)電器中的磁通行的路徑。 磁通有主磁通（工作磁通）和漏磁通；因此磁路也有主磁路和漏磁路。 在電機(jī)中，主磁通是實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換所需的磁通。 磁路計(jì)算的任務(wù)是確定

15、磁動勢F、磁通 和磁路結(jié)構(gòu)(如材料、形狀、幾何尺寸等)的關(guān)系磁路磁路電路電路磁通磁通 電流電流 i 磁動勢磁動勢 F 電動勢電動勢 e 磁阻磁阻 Rm 電阻電阻 R 磁壓降磁壓降 Hl 電壓降電壓降 u 磁導(dǎo)磁導(dǎo) m 電導(dǎo)電導(dǎo) G 歐姆定律歐姆定律 = F / Rm歐姆定律歐姆定律 i=u / R 基氏第一定律基氏第一定律 =0 基氏第一定律基氏第一定律 i=0 基氏第二定律基氏第二定律 F=Hl=R 基氏第二定律基氏第二定律 e=u=iR 磁動勢磁動勢磁路歐姆定律：磁路歐姆定律：因因 推得磁磁 阻阻 Rm= l /(A) l為磁路的長度為磁路的長度 A為鐵心截面積為鐵心截面積 磁磁 導(dǎo)導(dǎo) m

16、 = 1 / Rm 1.5.1 磁路基本定律磁路基本定律 1.磁路歐姆定律磁路歐姆定律 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。路徑。NiHll dHFABBH FRFAlNimm u 鐵磁材料的磁阻隨飽和程度的提高而增加鐵磁材料的磁阻隨飽和程度的提高而增加 進(jìn)入或穿出任一封閉面進(jìn)入或穿出任一封閉面的總磁通量的代數(shù)和等的總磁通量的代數(shù)和等于零，或穿入任一封閉于零，或穿入任一封閉面的磁通量恒等于穿出面的磁通量恒等于穿出該封閉面的磁通量。該封閉面的磁通量。2.磁路基爾霍夫第一定律磁路基爾霍夫第一定律圖示的有分支磁路：圖示的有

17、分支磁路： 1+2=3根據(jù)根據(jù) 得得 = 0 0d SSB3.磁路基氏第二定律磁路基氏第二定律根據(jù)根據(jù) 和磁路歐姆定律和磁路歐姆定律得得NiHll dHFFRFAlNimm 而而同理對回路同理對回路2結(jié)論結(jié)論:F=Ni=Hl=Rm任一閉合磁路上磁動勢（任一閉合磁路上磁動勢（Ni）的代數(shù)和）的代數(shù)和恒等于磁壓降（恒等于磁壓降（Hl）的代數(shù)和。）的代數(shù)和?；芈罚夯芈罚篐1l1+H3l3=N1i1 回路：回路：-H2l2-H3l3=-N2i2 回路：回路：H1l1-H2l2=N1i1-N2i2注意注意隨隨B變化比較顯著變化比較顯著3311111lHlHFiNldH333333111111;ABHAB

18、H3311333311111mmRRAlAlF1.5.2 鐵心磁路計(jì)算鐵心磁路計(jì)算兩大類型：兩大類型：A、給定磁動勢、給定磁動勢F求磁通，用計(jì)算機(jī)求求磁通，用計(jì)算機(jī)求 B、給定磁通、給定磁通求磁動勢，應(yīng)用于電機(jī)變壓器設(shè)計(jì)求磁動勢，應(yīng)用于電機(jī)變壓器設(shè)計(jì) 1.串聯(lián)磁路計(jì)算（已知磁通）串聯(lián)磁路計(jì)算（已知磁通） 步驟步驟（1）將磁路分段，保證每段磁路的均勻性）將磁路分段，保證每段磁路的均勻性 （2）計(jì)算各段磁路的截面積和平均長度）計(jì)算各段磁路的截面積和平均長度 （3）由）由B=確定各段的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度確定各段的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度 （4）由）由B確定確定H（鐵磁材料由磁化曲線確定）（鐵磁材料由磁化曲線確定）

19、 （5）計(jì)算各段磁壓降）計(jì)算各段磁壓降Hl （6）由磁路基爾霍夫第二定律確定磁動勢）由磁路基爾霍夫第二定律確定磁動勢F(4)查查D23 硅鋼片磁化曲線表，得硅鋼片磁化曲線表，得BFe=1.1T 時(shí)，時(shí)，HFe =493A/m；對氣隙部，；對氣隙部，(5)鐵心部分磁壓降鐵心部分磁壓降 HFel=4930.3A=147.9A 氣隙部分磁壓降氣隙部分磁壓降 H = 8.75352105 0.5103A = 437.7A(6)磁動勢磁動勢 F=HFel+H =585.6A 勵(lì)磁電流勵(lì)磁電流解解 (1)磁路分為鐵心部分和氣隙部分磁路分為鐵心部分和氣隙部分兩段。兩段。(2)不計(jì)邊緣效應(yīng)，則兩部分磁路的不計(jì)

20、邊緣效應(yīng)，則兩部分磁路的截面積均為截面積均為A=9104 m2 ，鐵心部，鐵心部分磁路長度分磁路長度l=0.3m，氣隙部分磁路長，氣隙部分磁路長=0.5103m。(3)忽略漏磁，兩部分的磁通密度忽略漏磁，兩部分的磁通密度均為均為 例1.1 在圖中，鐵心用硅鋼片D23疊成，截面積A=9104 m2，鐵心的平均長度l=0.3m，氣隙長度=0.510-3 m，線圈匝數(shù)N=500 匝，試求產(chǎn)生磁通=9.910-4 Wb時(shí)所需的勵(lì)磁磁動勢F 和勵(lì)磁電流I。TAB1 .1109109 .944./1075352. 8/1041 . 157mAmABHANFI17. 15006 .5852.并聯(lián)磁路計(jì)算（已

21、知磁通）并聯(lián)磁路計(jì)算（已知磁通）步驟步驟（1）、（）、（2）磁路分段處理與串聯(lián)磁路計(jì)算相同）磁路分段處理與串聯(lián)磁路計(jì)算相同 （3）根據(jù)磁路基爾霍夫第一、第二定律列出節(jié)電方）根據(jù)磁路基爾霍夫第一、第二定律列出節(jié)電方程和回路方程并求解程和回路方程并求解 （4）分段逐一確定磁密）分段逐一確定磁密B和與之對應(yīng)的磁場強(qiáng)度和與之對應(yīng)的磁場強(qiáng)度H （5）計(jì)算磁動勢）計(jì)算磁動勢F1.5.3 永磁體磁路計(jì)算永磁體磁路計(jì)算 永磁體是利用硬磁材料的剩磁工作的。 永磁體充磁 永磁體工作于左圖磁滯回線的去磁段永磁體工作于左圖磁滯回線的去磁段CR，通稱為退磁曲線（由，通稱為退磁曲線（由廠家提供）。廠家提供）。 永磁體計(jì)算

22、必須結(jié)合退磁曲線進(jìn)行永磁體計(jì)算必須結(jié)合退磁曲線進(jìn)行1.已知磁路尺寸，求氣隙中的工作磁通已知磁路尺寸，求氣隙中的工作磁通 充磁后，閉合磁路上的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度為材料的剩磁Br，也就是退磁曲線上的R點(diǎn) 整個(gè)磁路內(nèi)的磁通為 撤去銜鐵后，磁阻增大，但磁動勢F=0 由基爾霍夫第二定律有 忽略邊緣效應(yīng)和漏磁有 則有 斜率為 的直線，與退磁曲線的交點(diǎn)為工作點(diǎn) 氣隙中的工作磁通為 顯然Hd為負(fù)值 所以已知永磁體磁路尺寸確定氣隙工作磁通或磁體工作點(diǎn)的過程是一個(gè)結(jié)合材料退磁曲線進(jìn)行圖解的過程。ABro 0HHl0/BH HlB0l0tanABd 2.已知?dú)庀堕L度和工作磁通，設(shè)計(jì)磁體（略）已知?dú)庀堕L度和工作磁通，設(shè)計(jì)

23、磁體（略）1.5.4 交流磁路特點(diǎn)交流磁路特點(diǎn)通常，由于勵(lì)磁電流不同，人們將鐵心磁路分成交流和直流兩大類。所謂交流通常，由于勵(lì)磁電流不同，人們將鐵心磁路分成交流和直流兩大類。所謂交流磁路，就是由交流電流勵(lì)磁、磁場發(fā)生交變的磁路，它與直流磁路在磁路構(gòu)成磁路，就是由交流電流勵(lì)磁、磁場發(fā)生交變的磁路，它與直流磁路在磁路構(gòu)成上并不存在什么區(qū)別，鐵心線圈的電感系數(shù)統(tǒng)一用自感和互感描寫上并不存在什么區(qū)別，鐵心線圈的電感系數(shù)統(tǒng)一用自感和互感描寫.自感自感m2mm)()(NiNiNiFNiNiLN 線圈匝數(shù)線圈匝數(shù) m自感磁通所經(jīng)磁路的磁導(dǎo)自感磁通所經(jīng)磁路的磁導(dǎo)u自感的大小與匝數(shù)的平方和磁路的磁導(dǎo)成自感的大小

24、與匝數(shù)的平方和磁路的磁導(dǎo)成正比；正比； u鐵心線圈的自感要比空心線圈的大得多；鐵心線圈的自感要比空心線圈的大得多； u鐵心線圈的電感不是常數(shù)，當(dāng)磁路飽和程鐵心線圈的電感不是常數(shù)，當(dāng)磁路飽和程度增加時(shí)，自感下降。度增加時(shí)，自感下降。互感互感 m211m1121m121212121)()(NNiiNNiFNiNiMN1 -線圈線圈1的匝數(shù)的匝數(shù) N2 -線圈線圈2的匝數(shù)的匝數(shù) m-互感磁通所經(jīng)磁路的磁導(dǎo)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。所經(jīng)磁路的磁導(dǎo)成正比。磁化特性等方面特點(diǎn)。磁化特性等方面特點(diǎn)。 首先，在交變

25、磁場作用下，鐵心中將產(chǎn)生損耗首先，在交變磁場作用下，鐵心中將產(chǎn)生損耗 其次，交流磁路中要考慮外施電壓與線圈中感應(yīng)的反電動勢其次，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；因而其幅值會大很多，并且相比較之下，線圈電阻上的壓平衡；因而其幅值會大很多，并且相比較之下，線圈電阻上的壓降相對較小，一般還可以忽略。降相對較小，一般還可以忽略。 最后，就是交變磁通、電流的波形和相位的關(guān)系問題。這是最后，就是交變磁通、電流的波形和相位的關(guān)系問題。這是交流磁路的特殊問題交流磁路的特殊問題交流磁路飽和對波形的影響交流磁路飽和對波形的影響 因?yàn)橐驗(yàn)锽，Hi，因而很容易將鐵磁材料的基本磁化曲線，因而很容易將

26、鐵磁材料的基本磁化曲線B=f(H)通過比例尺變換，轉(zhuǎn)換為通過比例尺變換，轉(zhuǎn)換為i 曲線。顯然，曲線。顯然，i 曲線保留曲線保留BH 曲線的特性及非線性關(guān)系。曲線的特性及非線性關(guān)系。 由于電壓波形呈正弦是交流由于電壓波形呈正弦是交流供電系統(tǒng)的基本要求，而電磁感供電系統(tǒng)的基本要求，而電磁感應(yīng)定律嚴(yán)格定義了感應(yīng)電壓正弦應(yīng)定律嚴(yán)格定義了感應(yīng)電壓正弦交變的前提條件是磁通波形必須交變的前提條件是磁通波形必須為正弦，因此，我們把正弦交變?yōu)檎?，因此，我們把正弦交變磁通作為磁場的基本約束條件。磁通作為磁場的基本約束條件。 然而，由圖可知，由于鐵磁然而，由圖可知，由于鐵磁材料的非線性磁化特性，材料的非線性磁化特

27、性， 當(dāng)磁通當(dāng)磁通按正弦規(guī)律變化時(shí)，電流卻是一按正弦規(guī)律變化時(shí)，電流卻是一個(gè)富含奇數(shù)次諧波的尖頂波形。個(gè)富含奇數(shù)次諧波的尖頂波形。這是由于磁通較大、鐵心飽和后，這是由于磁通較大、鐵心飽和后，較小的磁通增量需要較大的勵(lì)磁較小的磁通增量需要較大的勵(lì)磁電流增量去建立的緣故。電流增量去建立的緣故。 同理，若電流按正弦規(guī)律變化，則當(dāng)電流較大，導(dǎo)致鐵心飽和同理，若電流按正弦規(guī)律變化，則當(dāng)電流較大，導(dǎo)致鐵心飽和后，電流的增加只能產(chǎn)生很小的磁通增量，故磁通呈平頂波形，由后，電流的增加只能產(chǎn)生很小的磁通增量，故磁通呈平頂波形，由它產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢則為尖頂波它產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢則為尖頂波. 對于實(shí)際系統(tǒng)，由于飽對于

28、實(shí)際系統(tǒng)，由于飽和影響，磁通、電流和電和影響，磁通、電流和電動勢波形中都會含有不同動勢波形中都會含有不同程度的諧波成分，這是我程度的諧波成分，這是我們在分析理想的線性系統(tǒng)們在分析理想的線性系統(tǒng)中所沒有碰到過的新問題。中所沒有碰到過的新問題。諧波的存在對電機(jī)和變壓諧波的存在對電機(jī)和變壓器的分析帶來困難，也對器的分析帶來困難，也對運(yùn)行造成不良影響，因此，運(yùn)行造成不良影響，因此，改善波形、削弱諧波影響改善波形、削弱諧波影響也是電機(jī)學(xué)中將要研究解也是電機(jī)學(xué)中將要研究解決的問題。決的問題。渦流損耗的影響渦流損耗的影響 由于測定磁滯回線時(shí)，一般是通入直流由于測定磁滯回線時(shí)，一般是通入直流電流逐點(diǎn)描繪的，沒

29、有考慮渦流作用，如圖電流逐點(diǎn)描繪的，沒有考慮渦流作用，如圖中的虛線所示。當(dāng)采用交流勵(lì)磁后，渦流的中的虛線所示。當(dāng)采用交流勵(lì)磁后，渦流的作用將使回線變寬，如圖中的實(shí)線所示。這作用將使回線變寬，如圖中的實(shí)線所示。這是因?yàn)楫?dāng)電流變化時(shí)，設(shè)由是因?yàn)楫?dāng)電流變化時(shí)，設(shè)由Im 增加到增加到Im，根據(jù)楞次定律，渦流的作用將是企圖產(chǎn)生一根據(jù)楞次定律，渦流的作用將是企圖產(chǎn)生一個(gè)阻止鐵心磁通增加的磁動勢。而若要維持個(gè)阻止鐵心磁通增加的磁動勢。而若要維持鐵心磁通的變化，則線圈中的電流就應(yīng)增加鐵心磁通的變化，則線圈中的電流就應(yīng)增加一個(gè)克服渦流磁動勢的增量，即原虛線上升一個(gè)克服渦流磁動勢的增量，即原虛線上升段會右擴(kuò)為實(shí)線

30、上升段。同理，在電流從段會右擴(kuò)為實(shí)線上升段。同理，在電流從Im 減小到減小到Im 過程中，虛線下降段要左擴(kuò)為實(shí)過程中，虛線下降段要左擴(kuò)為實(shí)線下降段。至于回線上、下頂點(diǎn)，因?yàn)榫€下降段。至于回線上、下頂點(diǎn)，因?yàn)?達(dá)達(dá)最大值，變化率為零，渦流亦為零，故無渦最大值，變化率為零，渦流亦為零，故無渦流效應(yīng)，實(shí)線與虛線重合。流效應(yīng)，實(shí)線與虛線重合。另外同時(shí)考慮磁滯作用，另外同時(shí)考慮磁滯作用，i 曲線不再是單值函數(shù)，而是閉合回線。曲線不再是單值函數(shù)，而是閉合回線。i 回線如圖所示，則由作回線如圖所示，則由作圖法可知，對于按正弦規(guī)律變圖法可知，對于按正弦規(guī)律變化的磁通，對應(yīng)的勵(lì)磁電流波化的磁通，對應(yīng)的勵(lì)磁電流波

31、形已完全不同于尖頂波，非但形已完全不同于尖頂波，非但不對稱變化，而且相位還超前不對稱變化，而且相位還超前磁通一個(gè)角度。進(jìn)一步的分析磁通一個(gè)角度。進(jìn)一步的分析表明，此時(shí)電流可分解成兩個(gè)表明，此時(shí)電流可分解成兩個(gè)分量，一個(gè)是與磁通同相位的分量，一個(gè)是與磁通同相位的尖頂波分量，稱為勵(lì)磁分量；尖頂波分量，稱為勵(lì)磁分量；另一個(gè)是超前磁通另一個(gè)是超前磁通90的正弦的正弦波分量，稱為鐵耗分量，是從波分量，稱為鐵耗分量，是從電源吸取有功電流、提供鐵耗電源吸取有功電流、提供鐵耗功率的反映。功率的反映。1.6 電機(jī)中的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過程電機(jī)中的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過程 實(shí)際的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的示意圖如圖所示。圖中機(jī)械系統(tǒng)對

32、發(fā)電機(jī)而言實(shí)際的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的示意圖如圖所示。圖中機(jī)械系統(tǒng)對發(fā)電機(jī)而言是原動機(jī)，對電動機(jī)而言是生產(chǎn)機(jī)械，而電氣系統(tǒng)則為是原動機(jī)，對電動機(jī)而言是生產(chǎn)機(jī)械，而電氣系統(tǒng)則為電力負(fù)載電力負(fù)載或或電源電源，二者，二者通過電機(jī)聯(lián)系在一起。本質(zhì)上講，實(shí)施這種聯(lián)系的基礎(chǔ)就是電機(jī)中的氣隙磁場，通過電機(jī)聯(lián)系在一起。本質(zhì)上講，實(shí)施這種聯(lián)系的基礎(chǔ)就是電機(jī)中的氣隙磁場，因此，我們把其稱之為耦合磁場。因此，我們把其稱之為耦合磁場。在能量轉(zhuǎn)換過程中，能量總是守恒的，電機(jī)內(nèi)部在進(jìn)行能量形態(tài)的轉(zhuǎn)換過程在能量轉(zhuǎn)換過程中，能量總是守恒的，電機(jī)內(nèi)部在進(jìn)行能量形態(tài)的轉(zhuǎn)換過程中，存在著電能、機(jī)械能、磁場儲能和熱能四種能量形態(tài)。根據(jù)能

33、量守恒原中，存在著電能、機(jī)械能、磁場儲能和熱能四種能量形態(tài)。根據(jù)能量守恒原理，在實(shí)際電機(jī)中，即不忽略損耗時(shí)，這四種能量之間存在著下列平衡關(guān)系理，在實(shí)際電機(jī)中，即不忽略損耗時(shí)，這四種能量之間存在著下列平衡關(guān)系機(jī)械能機(jī)械能Wmec=磁場儲能增量磁場儲能增量Wm+熱能損耗熱能損耗PT電能電能We式中，式中，號相對于發(fā)電機(jī)和電動機(jī)而定，發(fā)電機(jī)取號相對于發(fā)電機(jī)和電動機(jī)而定，發(fā)電機(jī)取“+”號，電動機(jī)取號，電動機(jī)取“”號。號。電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)換成熱能的損耗有三種。一是電路中的電阻損耗電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)換成熱能的損耗有三種。一是電路中的電阻損耗pCu，二是磁路中的，二是磁路中的鐵心損耗鐵心損耗pFe，三是各類機(jī)械摩擦損耗，三是

34、各類機(jī)械摩擦損耗pmec。這三部分損耗轉(zhuǎn)換為熱能后使電。這三部分損耗轉(zhuǎn)換為熱能后使電機(jī)發(fā)熱。因此，能量平衡方程式改寫為機(jī)發(fā)熱。因此，能量平衡方程式改寫為 CueFemmecmecpWpWpW當(dāng)電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，在的當(dāng)電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，在的dt時(shí)間內(nèi)，輸出電能時(shí)間內(nèi)，輸出電能uidtdWe而電阻損耗為而電阻損耗為rdtidpCu2故經(jīng)耦合磁場傳遞的總電磁能量的增量為故經(jīng)耦合磁場傳遞的總電磁能量的增量為eidtidtirudpdWdWCueem從而可得轉(zhuǎn)換為電能的電磁功率從而可得轉(zhuǎn)換為電能的電磁功率eidtdWPemem如果如果e 和和i 按同角頻率按同角頻率 成正弦規(guī)律變化，且成正弦規(guī)律變化

35、，且tIitEesin2sin2則電磁功率的平均值為則電磁功率的平均值為cosEIPem如果電機(jī)有如果電機(jī)有n 個(gè)繞組接到電氣系統(tǒng)，則電磁功率的一般表達(dá)式為個(gè)繞組接到電氣系統(tǒng)，則電磁功率的一般表達(dá)式為jjnjjemIEPcos1 綜上分析可知，電機(jī)進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵是耦合磁場對電氣系統(tǒng)和機(jī)械綜上分析可知，電機(jī)進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵是耦合磁場對電氣系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的作用和反作用。系統(tǒng)的作用和反作用。 耦合磁場對耦合磁場對電氣系統(tǒng)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。當(dāng)與電的作用或反作用是通過感應(yīng)電動勢表現(xiàn)出來的。當(dāng)與電機(jī)繞組交鏈的磁通發(fā)生變化時(shí)，繞組內(nèi)就會感應(yīng)出電動勢。正因?yàn)橛辛烁?/p>

36、應(yīng)電機(jī)繞組交鏈的磁通發(fā)生變化時(shí)，繞組內(nèi)就會感應(yīng)出電動勢。正因?yàn)橛辛烁袘?yīng)電動勢，發(fā)電機(jī)才能向電氣系統(tǒng)輸出電磁功率動勢，發(fā)電機(jī)才能向電氣系統(tǒng)輸出電磁功率(即即Pem0，隱含，隱含90)，而電，而電動機(jī)亦能從電氣系統(tǒng)吸取電磁功率動機(jī)亦能從電氣系統(tǒng)吸取電磁功率(表明表明Pem0，亦隱含，亦隱含90，或改變電，或改變電流方向而認(rèn)為流方向而認(rèn)為0)。 耦合磁場對耦合磁場對機(jī)械系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)的作用或反作用是通過電磁力或電磁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。轉(zhuǎn)矩表現(xiàn)出來的。 在發(fā)電機(jī)中，電磁轉(zhuǎn)矩對轉(zhuǎn)子起制動作用，原動機(jī)必須克在發(fā)電機(jī)中，電磁轉(zhuǎn)矩對轉(zhuǎn)子起制動作用，原動機(jī)必須克服制動性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩，即輸入機(jī)械功率給發(fā)電機(jī)，才能拖動服制動性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩，即輸入機(jī)械功率給發(fā)電機(jī)，才能拖動發(fā)電機(jī)以恒速旋轉(zhuǎn)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能輸出。發(fā)電機(jī)以恒速旋轉(zhuǎn)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能輸出。 對電動機(jī)，電磁轉(zhuǎn)矩是起驅(qū)動作用。于是，要拖動生產(chǎn)機(jī)對電動機(jī)，電磁轉(zhuǎn)矩是起驅(qū)動作用。于是，要拖動生產(chǎn)機(jī)械，輸出機(jī)械功率，就必須汲取電磁功率以產(chǎn)生具有驅(qū)動性質(zhì)械，輸出機(jī)械功率，就必須汲取電磁功