電機(jī)學(xué) 緒論(第一章)

面向21世紀(jì)課程教材電機(jī)學(xué)湯蘊(yùn)璆史乃編著李仁定主審機(jī)械工業(yè)出版社緒論§0.1電機(jī)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的作用

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)一般分為兩大類：（一）發(fā)電機(jī)——將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種電機(jī)；

（二）電動(dòng)機(jī)——將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種電機(jī)；（三）變壓器——將一種形式的電能轉(zhuǎn)換為另一種形式的電能的靜止的電器。

由于電能有易于產(chǎn)生、能夠傳輸、方便使用等特點(diǎn)，所以電機(jī)廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們?nèi)粘Ｉ钪?。（就各種電機(jī)舉例說(shuō)明）§0.2我國(guó)電機(jī)工業(yè)發(fā)展概況

解放前，我國(guó)的電機(jī)工業(yè)極端落后，只能小規(guī)模地生產(chǎn)小容量電機(jī)。解放后，我國(guó)電機(jī)工業(yè)得到快速發(fā)展。已成功研制出300MW和600MW的水氫氫冷的汽輪發(fā)電機(jī)，300MW的雙水內(nèi)冷和全氫冷的汽輪發(fā)電機(jī)，650MW的核電機(jī)組；700MW的水輪發(fā)電機(jī)。電力變壓器的最大容量已達(dá)840MVA，電壓最高為1000kV。此外還研制出許多小型的特種電機(jī)，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)。電動(dòng)機(jī)容量也已達(dá)幾十MW根據(jù)全面建設(shè)小康社會(huì)的奮斗目標(biāo)，預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)用電需求將達(dá)到7.7萬(wàn)億千瓦時(shí)，發(fā)電裝機(jī)將在2008年基礎(chǔ)上翻一番，達(dá)到16億千瓦左右。即使如此，我國(guó)2020年人均用電量也僅相當(dāng)于經(jīng)濟(jì)合作組織國(guó)家2007年水平的一半，電力工業(yè)發(fā)展的任務(wù)還相當(dāng)艱巨。2006年我國(guó)總裝機(jī)容量6.24億千瓦，年發(fā)電總量達(dá)2.85萬(wàn)億千瓦時(shí)，發(fā)電量居世界第二。2009年裝機(jī):火電74.6%，水電22.5%，核電1.0%，風(fēng)電1.8%，大機(jī)組70萬(wàn)kW（水），100萬(wàn)kW（火）。非水可再生電源，如清潔風(fēng)電開(kāi)發(fā)，將以“建設(shè)大基地、融入大電網(wǎng)”的方式進(jìn)行規(guī)劃和布局，分別在河北、內(nèi)蒙古、吉林、甘肅、新疆、江蘇等省區(qū)建設(shè)多個(gè)千萬(wàn)千瓦級(jí)風(fēng)電基地。電動(dòng)機(jī)是最大的用電戶美國(guó)占工業(yè)用電70％，中國(guó)占全國(guó)發(fā)電量的60％現(xiàn)代動(dòng)力機(jī)械：蒸氣機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、電動(dòng)機(jī)比較在功率、力矩、速度、可用行、可靠性、可維護(hù)性等方面電機(jī)都無(wú)與倫比?，F(xiàn)代社會(huì)的生產(chǎn)和生活離不開(kāi)電機(jī)

電機(jī)永在

電氣化交通特點(diǎn)：高效、節(jié)能、低碳排放方式：電氣化鐵路、電動(dòng)汽車、

地鐵與輕軌、磁懸浮與直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)由電力機(jī)車或動(dòng)車組牽引的列車行駛的鐵路電力機(jī)車單軸功率1600千瓦動(dòng)車組單機(jī)功率600千瓦逆變器功率3000千伏安以上多臺(tái)電機(jī)的同步驅(qū)動(dòng)控制鐵路系統(tǒng)的列車運(yùn)行控制電氣化鐵路電動(dòng)汽車純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車、氫燃料電池汽車汽車發(fā)展觀有益于社會(huì)發(fā)展觀清潔汽油汽車（好）油電混合動(dòng)力汽車（更好）天然氣汽車（最好）氫燃料電池汽車（最終）技術(shù)：電池高能密度、長(zhǎng)放電時(shí)間、低價(jià)格電機(jī)高功率密度驅(qū)動(dòng)電源和控制器、能量管理系統(tǒng)、智能及快

速充電技術(shù)一體化電機(jī)§0.3本課程任務(wù)學(xué)習(xí)本課程后，應(yīng)達(dá)到下列基本要求：（1）對(duì)磁路的計(jì)算方法及交流鐵芯線圈的性能有基本了解。（2）對(duì)變壓器和三種主要電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)要有一定認(rèn)識(shí)。（3）對(duì)各種電機(jī)正常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的分析方法和運(yùn)行性能，要牢固掌握.（4）對(duì)電機(jī)的能量關(guān)系、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、磁場(chǎng)儲(chǔ)能、電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，以及機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的條件有一個(gè)基本了解。

（5）對(duì)同步電機(jī)的不對(duì)稱運(yùn)行和交流電機(jī)在動(dòng)態(tài)情況下的分析方法和相應(yīng)的參數(shù)要有基本的了解；對(duì)一些典型的運(yùn)行方式和動(dòng)態(tài)過(guò)程，能作出正確的分析。（7）了解與電機(jī)有關(guān)工程問(wèn)題，各種電機(jī)的應(yīng)用范圍，電機(jī)的額定值，電機(jī)的各種性能指標(biāo)等。（6）初步了解用計(jì)算機(jī)來(lái)計(jì)算電機(jī)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)問(wèn)題的方法。（8）通過(guò)實(shí)驗(yàn)，熟練地掌握電機(jī)的基本實(shí)驗(yàn)方法和操作技能。能對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和評(píng)定，并初步具有檢查電機(jī)故障的能力。本課程內(nèi)容：異步電機(jī)

變壓器2.交流電機(jī)：1.直流電機(jī)：直流發(fā)電機(jī)；直流電動(dòng)機(jī)

同步電機(jī)電機(jī)學(xué)在電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)中的地位特點(diǎn)：難教難學(xué)第一章磁路電機(jī)的工作原理是以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)的，以電場(chǎng)和磁場(chǎng)作為藕合場(chǎng)的。所以磁場(chǎng)的強(qiáng)弱和分布不僅關(guān)系到電機(jī)的性能而且還將決定電機(jī)的體積和重量，所以磁場(chǎng)的分析和計(jì)算，對(duì)認(rèn)識(shí)電機(jī)是很重要的。本章說(shuō)明磁路的基本定律；介紹常用鐵磁材料及其性能；說(shuō)明磁路的計(jì)算方法定子鐵心定子繞組轉(zhuǎn)子鐵心轉(zhuǎn)子繞組漏磁通主磁通漏磁通(a)變壓器的磁路主磁通漏磁通(b)兩極直流電機(jī)的磁路§1.1磁路的基本定律一.磁路的概念

磁路——磁通所通過(guò)的路徑。如圖所示，圖a是變壓器的磁路，圖b是兩極直流電機(jī)的磁路。

就電流產(chǎn)生的磁通而言，絕大部分磁通將沿鐵芯形成閉合回路，稱其為主磁通。還有少量的磁通沿載流線圈、部分鐵芯和鐵芯周圍的空間形成閉和回路，這部分磁通稱為漏磁通。主磁通和漏磁通所通過(guò)的路徑分別構(gòu)成主磁路和漏磁路。用以激勵(lì)磁路中磁通的載流線圈稱為勵(lì)磁線圈（勵(lì)磁繞組）其中所通電流稱為勵(lì)磁電流（激磁電流If）。

1.安培環(huán)路定律

沿任意閉和回線L，磁場(chǎng)強(qiáng)度H的線積分恰好等于閉和回線所包圍的總電流(代數(shù)和），這就是安培環(huán)路定律。i1i2i3LdlH.二.磁路的基本定律R螺線管solenoid

若電流方向與閉和回路L的方向符合右手螺旋關(guān)系，則電流i取正號(hào)，否則取負(fù)號(hào)。

若沿著回線L，磁場(chǎng)強(qiáng)度H，沿著切線方向其大小處處相等，且閉和回線的總電流是由通有電流i的N匝的線圈所提供的。2.磁路歐姆定律

一個(gè)無(wú)分支鐵芯磁路，鐵芯上繞有N匝線圈，線圈中通有電流I鐵芯截面積為A，各截面磁通密度均勻且垂直于各截面，磁路的平均長(zhǎng)度為l，材料的磁導(dǎo)率為則磁通量將等于磁通密度乘以面積，即：得：

式中F=Ni為作用在鐵芯磁路上的安匝數(shù)，稱為磁路的磁動(dòng)勢(shì)；Rm為磁路的磁阻,其單位為A/Wb；Λ=1/Rm為磁路的磁導(dǎo)。

作用在磁路上的磁動(dòng)勢(shì)F等于磁路內(nèi)的磁通量乘以磁阻Rm，此關(guān)系稱為磁路歐姆定律。

它與電路歐姆定律相似，對(duì)應(yīng)關(guān)系為：F---E；Φ---I；Rm---R；Λ---G磁路可以用模擬的電路圖來(lái)分析。

磁阻Rm的計(jì)算公式與電阻R的計(jì)算公式相似，但應(yīng)注意在磁路中由于鐵磁材料的磁導(dǎo)率

μ

不是常數(shù)，所以磁阻不是常數(shù)，這種情況稱為非線性。3.磁路的基爾霍夫第一定律或：

穿出任意閉和面的磁通總量恒等于零，這就是磁通連續(xù)性定律。與電路中的基爾霍夫第一定律相似，稱為磁路的基爾霍夫第一定律。

電機(jī)和變壓器的磁路總是由數(shù)段不同截面、不同鐵芯組成，在磁路計(jì)算過(guò)程中，若沿著磁回路回線L，磁場(chǎng)強(qiáng)度H，在回線的某些段內(nèi)（l1、l2、l3等，共n段）沿著切線方向其大小處處相等，且閉和回線的總電流是由幾個(gè)（共m個(gè)）通有電流ij的Nj匝的線圈所提供的，則可簡(jiǎn)寫(xiě)成：4.磁路的基爾霍夫第二定律需要指出，磁路和電路的比擬只是一種數(shù)學(xué)上的類似，而不是物理本質(zhì)的相似。式表明：沿任意閉合磁路的總磁動(dòng)勢(shì)等于各段磁路磁位降的代數(shù)和。這比擬與電路中的基爾霍夫第二定律，所以稱為磁路的基爾霍夫第二定律。§1.2常用的鐵磁材料及其特性一.鐵磁物質(zhì)的磁化鐵磁物質(zhì)包括鐵、鎳、鈷等以及它們的合金。鐵磁材料在外磁場(chǎng)中會(huì)呈現(xiàn)很強(qiáng)的磁性，此現(xiàn)象稱為鐵磁物質(zhì)的磁化。這是因?yàn)椋喝缦聢DH二.磁化曲線和磁滯回線

鐵磁材料的磁導(dǎo)率μFe較分磁性材料的磁導(dǎo)率μ0大的多。（μFe=2000~6000μ0）1、磁化曲線起始磁化曲線：

鐵磁材料的B和H之間是曲線關(guān)系,我們將B=f（H）曲線稱為磁化曲線，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度H由零逐漸增加時(shí)磁通密度B將隨之增大，曲線B=f（H）稱為起始磁化曲線。BHcbaod起始磁化曲線可以分為四段：oa段——起始段；ab——線形段；bc段——拐彎段（b點(diǎn)為拐彎點(diǎn)即膝點(diǎn)）；cd段——飽和段。由于鐵磁材料的磁化曲線不是一條直線，所以μFe=B/H也隨H的變化而變化，如圖所示μFe=f（H）。通常把鐵芯的工作點(diǎn)磁通密度設(shè)計(jì)在膝點(diǎn)附近。磁滯回線

dBBmHmBrHcH-Hmabcefo

若將鐵磁材料進(jìn)行周期性磁化（如激磁電流隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化），Ｂ和Ｈ之間的關(guān)系曲線就會(huì)變成圖中曲線abcdefa所示，稱此為磁滯回線。由圖可見(jiàn)，當(dāng)Ｈ＝０時(shí)Ｂ值并不等于零，而等于Ｂr，稱此為剩余磁通密度，簡(jiǎn)稱剩磁。

要使Ｂ值從Ｂr減小到零，則應(yīng)反向加外磁場(chǎng)，當(dāng)Ｈ＝Ｈc時(shí)Ｂ＝０,稱Ｈc為矯頑力。

Ｂr，Ｈc為密度B變化滯后于磁場(chǎng)強(qiáng)度H的變化的現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象，呈現(xiàn)磁滯現(xiàn)象的B—H的閉和回線，稱為磁滯回線如圖（1-8）所示。磁滯現(xiàn)象是鐵磁材料的另一個(gè)特性?；敬呕€

對(duì)于鐵磁材料選擇不同的Hm進(jìn)行反復(fù)磁化可以得到不同大小的磁化曲線，將各磁滯回線的頂點(diǎn)連接起來(lái)所的曲線就是基本磁化曲線。電機(jī)磁路計(jì)算時(shí)所用磁化曲線都是基本磁化曲線.如上圖ob線所示。三.鐵磁材料

按照磁滯回線形狀的不同，鐵磁材料可分為軟磁材料和硬磁材料兩大類。

磁滯回線形狀較窄，Br和Hc較小的鐵磁材料。如鑄鐵、鑄鋼、硅鋼片等，其磁導(dǎo)率較大用來(lái)制造電機(jī)和變壓器的鐵芯。

磁滯回線較寬，Br和Hc較大的鐵磁材料。由于剩磁Br較大可以作成永久磁鐵因而硬磁材料也稱為永磁材料。永磁材料的種類很多。軟磁材料硬磁（永磁）材料四.鐵芯損耗

磁滯損耗

鐵磁材料放于交變磁場(chǎng)中時(shí)，材料被反復(fù)磁化小磁疇不斷地發(fā)生偏轉(zhuǎn)，小磁疇之間不停地摩擦所消耗的能量，造成的損耗稱為磁滯損耗。分析表明：磁滯損耗的大小于交變磁場(chǎng)的交變頻率、鐵芯的體積V和磁滯回線的面積有關(guān)。

Ch

為磁滯損耗系數(shù)，其大小決定于材料的性質(zhì)；實(shí)驗(yàn)證明：渦流損耗

由于鐵芯也是導(dǎo)電的，交變磁通穿過(guò)鐵芯時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律鐵芯中將產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，并引起環(huán)流。環(huán)流在鐵芯內(nèi)部圍繞磁通作旋渦狀，稱其為渦流，造成的損耗稱為渦流損耗。分析表明：渦流損耗大小于磁通交變的頻率?，磁通密度大小，鐵芯電阻率鐵芯體積等有關(guān)。經(jīng)推導(dǎo)可知：

Ce是渦流損耗系數(shù)，其大小決定于材料的電阻率；Δ為鋼片的厚度電機(jī)和變壓器的鐵芯都用含硅量較高的硅鋼片（0.35mm—0.5mm）疊成。稱：

對(duì)于一般硅鋼片，在正常磁通密度工作范圍內(nèi)（1T—1.8T），上式可以近似寫(xiě)成：

CFe為鐵芯損耗系數(shù)；G為鐵芯重量。上式表明：鐵芯損耗于頻率的1.3次方、磁通密度的平方和鐵芯重量成正比。鐵芯損耗鐵芯中磁滯損耗和渦流損耗之和。§1.3磁路的計(jì)算

磁路計(jì)算通常是給定磁通量，計(jì)算所需要的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)。若給定磁動(dòng)勢(shì)求磁通量的逆問(wèn)題，由于磁路的非線性，須進(jìn)行多次試探和迭代，才能得到答案。

簡(jiǎn)單串聯(lián)磁路

在磁路中若不計(jì)漏磁通影響，僅有一個(gè)主磁通形成的回路，而無(wú)分支磁路，此時(shí)通過(guò)各磁路的磁通是相同的，磁路計(jì)算比較簡(jiǎn)單（各段磁通密度不一定相同），但它卻是磁路計(jì)算的基礎(chǔ)。（舉例說(shuō)明）一.直流磁路的計(jì)算二.直流電機(jī)的空載磁路和磁化曲線直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)是指勵(lì)磁繞組內(nèi)通有直流電流時(shí)，由勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)單獨(dú)激勵(lì)的磁場(chǎng)?？蛰d磁路及計(jì)算簡(jiǎn)單并聯(lián)磁路

若考慮漏磁的影響，或磁回路有兩個(gè)以上的分支。電機(jī)和變壓器的磁路大多屬于這一類。（舉例說(shuō)明）一臺(tái)四極直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)分布。主極呈N、S、N、S交替排列，所以整個(gè)電機(jī)的磁場(chǎng)分布與磁極中心線對(duì)稱。勵(lì)磁電流所產(chǎn)生的磁通分為主磁通和漏磁通，主磁通Φ

穿過(guò)氣隙同時(shí)匝鏈定轉(zhuǎn)子繞組；漏磁通Φσ僅與