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1、电机学 Electrical Machinery 刘黎 liuli_link 西南交通大学电气工程学院 ？ 学什么？ 为什么学？ 怎么学？ 怎么考核？ 总评成绩：平时10%，实验10%，中期10%，期末考试70%。 课程性质及内容 课程性质 电气工程类专业 专业基础课 课程特点 课程内容（电机原理） 集理论性、实用性为一体 变压器：电力变压器 交流电机：感应电机、同步电机 直流电机：直流电动机、直流发电机 先修课程 相关课程 高等数学 大学物理 电路分析 工程力学 电磁场理论 学习方法 1、抓主要问题，有条件地略去一些次要因素； 2、抓住重点，牢固掌握基本概念、基本原理和主要特性； 3、注重类
2、比方法，分析电机的共性和特点，加深对原理 和性能的理解； 4、理论联系实际，重视科学实验和工程实践； 5、充分预习和复习，认真对待习题。 参考书目 1.电机学（教材） 2. A.E.Fitzgerald等著.刘新正等译.电机学. 电子工业出版社，2004 3. 许实章主编.电机学. 机械工业出版社， 1990 4. 汤蕴璆，史乃主编.电机学. 机械工业出版 社，1999 5. 电机学相关习题集 概 述 重点与难点： 1.了解电机发展概况； 2.复习常用基本定律； 3.掌握电机常用材料； 4.掌握磁路基本定律； 5.熟悉电机基本分析方法。 第一节 电机概况 什么是电机？ 应用电磁感应原理实现机电
3、能量转换的机械 分类 发电机：将机械能转换成电能 电动机：把电能转换成机械能 变压器：将一种电压等级的电能转换成另一种 电压等级的电能 控制电机和特种电机 电机的用途 电力工业（发电机、变压器） 电能的生产、传输、分配 机械、冶金、化学工业（电动机拖动） 运输行业（牵引） 控制系统（控制电机） 电机工业的历史与现状历史 1821年，法拉第发现载流导体在磁场中受力 1831年，法拉第发现电磁感应定律 1884年，世界上第一台直流电动机问世 1885年，世界上第一台交流电动机（笼型异步 电动机）问世 未来电机及其系统发展趋势（图） 第二节 相关基本定律 全电流定律（安培环路定律） 电磁感应定律 电
4、磁力定律 电路定律 牛顿第二运动定律 与磁场、磁路相关 与等值电路相关 与动力学问题相关 1、全电流定律（安培环路定律） 在磁场中沿任意闭合回路磁场强度的线积分等于 穿过该回路所有电流的代数和，即： 式中，电流方向与闭合回路环绕方向符合右手螺 旋关系时为正，反之为负。 安培环路定律 H L 思考 对于仅存在载流导体的情况： 1、全电流定律（安培环路定律）（续） 例：按图中顺时针l1、l2取回路有 ： 按图中顺时针l1、l3取回路有 ： 1 i 1 N 2 i 2 N 1 l 1F2 F 3 F 2 l 3 l 2、电磁感应定律 当与线圈交链的磁链随时间变化时，线圈中将感应电 动势e，e的大小等
5、于线圈所交链的磁链对时间的变化 率，e的方向符合楞次定律，数学描述为： （式中N为线圈匝数） (1)线圈感应电动势: (2)运动导体感应电动势： 当磁场均匀、导线为直线、且运动方向与 磁场和导体三者相互垂直。则： 导体在磁场中运动切割磁力线，产生电动势： 2、电磁感应定律（续） （方向用右手定则确定） 3、电磁力定律 （方向用左手定则确定） 载流导体在磁场中受力，大小为： 当磁场均匀、导体为直线且导 体电流与磁场相互垂直。则： 注：旋转电机中，转子导体上电磁力电磁转矩Tem 4、电路定律 基尔霍夫第二定律（电压定理）KVL: 基尔霍夫第一定律（电流定理）KCL: 欧姆定律 5、牛顿第二运动定律
6、 对平动刚体 对旋转刚体 第三节 电机中所用的材料与磁路 电机 电路部分 磁路部分 结构部分结构材料 导电材料、 绝缘材料 导磁材料 一、电机中所用的材料 导电材料：作为电机中的电路，常采用导电性 能好的材料，如紫铜或铝 绝缘材料：作为带电体之间和铁心间的电气隔 离。要求材料介电强度高而且耐热强度好。 导磁材料：作为电机中的磁路，常用硅钢片、 钢板和铸钢 结构材料：使各部分构成整体、支撑和连接其 他机械。要求机械强度好、加工方便。常用铸 铁、铸钢、铝合金及工程材料 二、基本磁路物理量 磁场强度H(A/m) 磁感应密度(磁密)B(T) 磁动势(磁势)F(A)：励磁绕组产生的安匝数F=Ni 磁通量
7、(磁通)(Wb)：穿过曲面S的磁通是磁感应 密度B的法线分量的面积分 磁场强度H与磁感应密度B的关系由材料特性决定 BH 称为材料的磁导率 相对磁导率：材料的磁导率与真空磁导率的比值 基本磁路物理量（续） 电机中使用的铁磁材料的典型相对磁导率 范围：200080000 三. 磁性材料的特性 按相对磁导率，将材料分为 非磁性物质：r约为1 磁性（铁磁）物质：r远大于1 铁磁物质包括铁、镍、钴等和他们的合金 铁磁物质在外磁场中呈现磁性大幅度增强 的现象 非磁性物质非磁性物质 非磁性物质分子电流的磁场方向杂乱无章，几乎非磁性物质分子电流的磁场方向杂乱无章，几乎 不受外磁场的影响而互相抵消，不具有磁化
8、特性。不受外磁场的影响而互相抵消，不具有磁化特性。 非磁性材料的磁导率都是常数，有：非磁性材料的磁导率都是常数，有： 此时此时 B B与与 H H 呈线性关系。呈线性关系。 O O HH B B 0 0 r r 1 1 B B = = 0 0 H H ( ( ) ) ( ( I I ) ) 磁性物质磁性物质 磁性物质特点：磁性物质特点：磁畴磁畴。 在外磁场作用下，磁畴方向发生变化，使之与外在外磁场作用下，磁畴方向发生变化，使之与外 磁场方向趋于一致，整体显示出磁性来，称为磁化磁场方向趋于一致，整体显示出磁性来，称为磁化 。即。即磁性物质能被磁化。磁性物质能被磁化。 磁磁 畴畴 外外 磁磁 场场
9、 在无外磁场作用时，各个磁畴排列杂乱无章，磁场在无外磁场作用时，各个磁畴排列杂乱无章，磁场 互相抵消，整体对外不显磁性。互相抵消，整体对外不显磁性。 磁磁 畴畴 磁性材料的磁性能磁性材料的磁性能 高导磁性高导磁性 r r 1 1 磁饱和性磁饱和性 当外磁场增大到一 当外磁场增大到一 定程度时，磁性物质的定程度时，磁性物质的 全部磁畴的磁场方向都全部磁畴的磁场方向都 转向与外部磁场方向一转向与外部磁场方向一 致，磁化磁场的磁感应致，磁化磁场的磁感应 强度将趋向某一定值。强度将趋向某一定值。 O O HH B B B B0 0 B BJ J B B a a b b 磁化曲线磁化曲线 思考 几种常见
10、磁性物质的磁化曲线几种常见磁性物质的磁化曲线 a a 铸铁铸铁 b b 铸钢铸钢 c c 硅钢硅钢片片 O O 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.00.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1010 3 3 HH/(A/m)/(A/m) HH/(A/m)/(A/m) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1010 3 3 B B/T/T 1.81.8 1.61.6 1.41.4 1.21.2 1.01.0 0.80.8 0.60.6 0.40.4 0.20.2 a a
11、b b a a b b c c c c 磁滞现象磁滞现象 磁滞回线磁滞回线：磁性材料在交磁性材料在交 变磁场中反复磁化，其变磁场中反复磁化，其 B B- - H H 关系曲线形成一条的回关系曲线形成一条的回 形闭合曲线。形闭合曲线。 l l磁滞现象磁滞现象：磁性材料中磁性材料中磁感应强度磁感应强度B B的变化的变化 总是滞后于外磁场变化的性质。总是滞后于外磁场变化的性质。 磁滞回线磁滞回线 O O HH B B B B r r HH c c 注：注： 磁性物质不同，其磁滞回线磁性物质不同，其磁滞回线 和磁化曲线也不同。和磁化曲线也不同。 铁磁材料分类 软磁材料 磁滞回线窄，剩磁Br和矫顽力Hc
12、小 铸铁、钢、硅钢片等 软磁材料的磁导率较高 硬磁（永磁）材料 磁滞回线宽、Br和Hc都大的铁磁材料 永磁材料的性能用剩磁Br、矫顽力Hc和最大 磁能积（BH）max三项指标表征 四.磁路 1. 1. 磁路的概念磁路的概念：磁通所通过的闭合路径。是以高导磁性 材料构成的使磁通被限制在结构所确定的路径之中的一种结 构(和电流在电路中被导体所限制是极为相似)。 + N If N S S 直流电机的磁路直流电机的磁路 变压器的磁路变压器的磁路 + 1 有线圈的铁心中，磁通分成主磁通和漏磁通 两部分 主磁通：在铁心中通过的绝大部分磁通 漏磁通：围绕载流线圈、在部分铁心和铁心 周围的空间的少量磁通 励磁
13、线圈：用来产生磁场的载流线圈 励磁电流：载流线圈中的电流 简单磁路的几个概念 2、磁路基本定理 磁路欧姆定律 磁路基尔霍夫第一定律 磁路基尔霍夫第二定律 磁路欧姆定理磁路欧姆定理 对于等截面、磁密分布均匀、材料 一致的简单磁路 假设磁通为，磁动势为F=Ni，磁 路截面积为A，磁路平均长度为l + 磁位降磁位降 磁阻磁阻 磁路基尔霍夫定律 磁路基尔霍夫第一定律：磁路基尔霍夫第一定律： 穿过任意闭曲面的总磁通恒等于零穿过任意闭曲面的总磁通恒等于零 磁路基尔霍夫第二定律：磁路基尔霍夫第二定律： 沿任意闭合磁路的总磁动势恒等于各段磁路磁位降沿任意闭合磁路的总磁动势恒等于各段磁路磁位降 的代数和的代数和
14、 磁路与电路的比较磁路与电路的比较 磁路磁路 磁通势磁通势F F 磁通磁通 磁阻磁阻 电路电路 电动势电动势 E E 电流密度电流密度 J J 电阻电阻 磁感应强度磁感应强度B B 电流电流 I I N N I I + + _ _ E E I I R R 4. 4. 直流磁路的分析计算直流磁路的分析计算 分析计算类型分析计算类型: : 给定磁通给定磁通 ，按照磁路各段的尺寸和材料，求需，按照磁路各段的尺寸和材料，求需 要的磁通势要的磁通势F=NIF=NI ， 确定线圈匝数和励磁电流。确定线圈匝数和励磁电流。 给定励磁磁动势求磁通（逆问题给定励磁磁动势求磁通（逆问题）（课内不讨论）（课内不讨论）
15、 磁路分析的特点磁路分析的特点 (1) (1) 在分析磁路时离不开在分析磁路时离不开“ “磁场磁场” ”的概念；的概念； (2)(2)在处理电路时一般可以不考虑漏电流，在处理磁路在处理电路时一般可以不考虑漏电流，在处理磁路 时一般都要考虑时一般都要考虑漏磁通漏磁通； (3)(3)磁路欧姆定律和电路欧姆定律只是在形式上相似。磁路欧姆定律和电路欧姆定律只是在形式上相似。 由于由于 不是常数不是常数，其随励磁电流而变，磁路欧姆定律，其随励磁电流而变，磁路欧姆定律 不能直接用来计算，只能用于定性分析；不能直接用来计算，只能用于定性分析； (4)(4)在电路中，当在电路中，当 E E=0=0时，时，I I=0=0；但在磁路中，由于有但在磁路中，由于有 剩磁剩磁，当，当 F F=0 =0 时，时， 不为零不为零； 基本步骤基本步骤: : （由磁通（由磁通 求磁通势求磁通势F=NIF=NI ） (1) (1) 分段，求各段磁感应强度分段，求各段磁感应强度 B B i i 各段磁路截面积不同，通过同一磁通各段磁路截面积不同，通过同一磁通 ，故有：，故有： (2) (2) 求各段磁场强度求各段磁场强度 HH i i 根据各段磁路材料的磁化曲线根据各
