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1、姜卫东,合肥工业大学电气与自动化工程学院 博士、博士后 主要研究方向：特种电机设计与控制、电磁场理论及应用、电力电子变流技术 南区教育部光伏系统工程研究中心203室 055129014288033,绪 论,什么是电机？ 电机学中所说的电机，是指依靠电磁感应作用而运行的电气设备，用于机械能和电能之间的转换、不同形式电能之间的变换、或者信号的传递与转换。,电机在国民经济中的运用,电机是完成多种能量形式转换的有效工具，而电能又是最容易实现传输、变换的能量形式，可以说，如果没有电机就没有现代工业，下面就电能的产生、传输和利用等多个方面来说明电机在国民经济中的作用。,完整的发电、传输、用电系统,电能的产
2、生,若电机用于将其它形式的能量转换为电能，则被称为发电机（Generator）,它主要实现以下三种能量的转换： 水能转化为电能水力发电机； 化石能转化为电能火力发电机； 风能转化为电能风力发电机。,葛洲坝水利枢纽工程,三峡电站,三峡水力发电机组,三峡电站的水轮发电机全球最大的水轮发电机,火力发电厂,火力发电机组,丹麦Vestas公司生产的风力发电机组,电能的传输、变换,电能的传输和变化离不开电机。要传输一定的电能，为了减小传输线上的损耗，希望电压越高越好，而用户用电则为低压电。因此在电能的传输中必须使用变压器。 电能的变换包括幅值、频率、相位以及交直流形式上的变换。,大型电力变压器（保定天威生
3、产）,配电变压器,电路板上所使用的低压高频变压器,电能的利用,电能的利用主要是指将电能转换为所需的能量形式，其中最为主要的就是将电能转换为机械能。要求在转换过程中（1）、转换效率高；（2）、可靠性高。 往往在能量转换的同时也能对运动进行控制，这就引入了一个新的研究分支电力传动。 相对而言，电机这一概念往往是指电动机。,哈尔滨电机厂生产的1MW电机,手机震动电机,电动自行车所用的无刷直流电机,第一章 磁路 Magnetic Circuit,研究磁路的必要性： 电机是以磁场为介质进行机电能量转换的装置。,两个简单的物理事实： 1、变化的磁场会产生电场由磁生电机械能向电能转换； 2、通电导体会在磁场
4、中受力电能向机械能的转换。,在工程中，通常将磁场问题简化为磁路问题。,一 磁场的基本常用量,磁感应强度（又称磁通密度）B 表征磁场强弱及方向的物理量。单位：Wb/m2,磁通量 垂直穿过某截面积的磁力线总和。 单位：Wb,磁场强度H 计算磁场时引用的物理量。 B=H ，单位：A/m,真实的物理量，反映了该点处的磁特性,磁感应强度的积分值，描述了磁场的总体特性,磁感应强度与该点磁导率的乘积，反映了建立该点磁场的源,第一节 磁路的基本定律,B、H、之间的关系,产生磁场的电流建立,磁势F,各点处产生磁场强度H,各点处产生磁场感应强度B,对磁感应强度积分获得,B=H,与电流流过的路径称为电路一样，磁通所
5、通过的路径称为磁路。 电流只能从导体中通过，但是磁通可以在任意介质中通过，磁通可以分为两部分。 主磁通：由于铁心的导磁性能比空气要好得多（磁导率大），所以绝大部分磁通将在铁心内通过,这部分磁通称为主磁通。 漏磁通：围绕载流线圈、部分铁心和铁心周围的空间，还存在少量分散的磁通，这部分磁通称为漏磁通。,二 磁路,三 磁路的基本定律,1 安培环路定律,磁场强度H沿任何一条闭合回线L的线积分，等于L所包围的电流的代数和,如果在均匀磁场中，沿着回线 L 磁场强度H 处处相等，则,在均匀分段均匀的磁场中，安培环路定律的表达式为,推导过程：以等截面无分支闭合铁心磁路为例： 线圈N匝，电流i，铁心截面为A，磁
6、路平均长度为l，磁导率为u,2、磁路的欧姆定律,磁通与磁密关系为,磁场强度与励磁磁势的关系为,3、磁路的基尔霍夫定律,（1）磁路的基尔霍夫电流定律（第一定律）,或,磁路的基尔霍夫电流定律,A,N,i,（2）磁路的基尔霍夫电压定律,磁路和电路的几点差别：,1（功率损耗问题）电路中有电流I 时，就有功率损耗；而在直流磁路中，维持一定磁通量，铁心中没有功率损耗。,2 （磁路非理想）电路中的电流全部在导线中流动；而在磁路中，总 有一部分漏磁通。,3 （磁路的饱和性）电路中导体的电阻率在一定的温度下是恒定的；而磁路中铁心的导磁率随着饱和程度而有所变化。,4 （磁路的非线性）在线性电路中，计算时可以用叠加
7、原理；而在磁路中，B和H之间的关系为非线性，因此计算时不可以用叠加原理。,磁畴及磁化,(A)未磁化,(B)磁化,外加磁场,H,第二节 常用铁磁材料及其特性,一、铁磁物质的磁化,磁畴受磁场力而转动,未磁化时，铁磁材料的磁畴是无序排列的，对外不表现磁性。 在外磁场的作用下，磁畴顺着外磁场方向转向，排列整齐，显示出磁性。 （1）外磁场；（2）磁畴；（3）排列顺序,电机中为什么选用铁磁材料作为磁路的主要部分？,思考,电机中常用的铁磁材料的磁导率 Fe(20006000) 0,从两个方面解释： （1）提高电机效率 （2）减小电机体积,二、磁化曲线和磁滞回线,1、起始磁化曲线,将一块未磁化的铁磁材料进行磁
8、化，当磁场强度H由零逐渐增加时，磁通密度B将随之增加。用B=f (H)描述的曲线就称为起始磁化曲线。,B,H,a,b,c,d,铁磁材料的起始磁化曲线,由于外磁场较弱，磁畴不会产生大规模偏转，磁通密度增加不快。,外磁场增强，磁畴产生大规模偏转，磁通密度增加较快。,外磁场继续增加，大部分磁畴已完成偏转，B值增加变得缓慢。,磁畴全部偏转，磁化曲线基本成为与非铁磁材料BuH平行的曲线。,拐点、膝点,在各种电机、变压器的主磁路中，为了获得较大的磁通，但又不过分的增大励磁电流，通常把铁心内工作点的B选择在膝点附近。,2、磁滞回线,下面考虑两个问题，（1）磁化后磁性材料去掉外磁场；（2）对磁化后的磁性材料进
9、行反向磁化。,剩磁当H从零增加到Hm时，B相应地从零增加到Bm； 然后再逐渐减小H，B值将沿曲线ab下降。 当H=0 时，B值并不等于零，而是Br。这就是剩磁。,H,B,a,b,H,B,a,b,c,矫顽力要使B值为零，必须加上相应的反向磁场，此反向磁场强度称为矫顽力Hc。,铁磁材料的磁滞回线,H,B,a,b,c,d,e,f,磁滞回线 当H在Hm和 Hm之间反复变化时，呈现磁滞现象的BH闭合曲线，称为磁滞回线。,电工钢片实际测试的磁滞回线,3、基本磁化曲线,对同一铁磁材料，选择不同的Hm反复磁化，得到不同的磁滞回线。将各条回线的顶点连接起来，所得曲线称为基本磁化曲线。 基本磁化曲线和起始磁化曲线
10、差别很小，磁路计算时使用的磁化曲线都是基本磁化曲线。,基本磁化曲线,基本磁化曲线,H,B,三、铁磁材料,1、软磁材料：磁滞回线较窄，剩磁和矫顽力都较小的材料，常用的软磁材料有电工硅钢、铸铁、铸钢等。可用来制造电机、变压器的铁心。,2、硬磁材料（永磁材料）：剩磁和矫顽力都较大的材料。包括铝镍钴、铁氧体、稀土钴、钕铁硼等。,永磁材料（钕铁硼）退磁曲线（第二象限）,退磁曲线,内禀退磁曲线,单位：千高斯,单位：千奥斯特,硅钢片（WHY50，0.5mm）磁滞回线,四、铁心损耗,1、磁滞损耗材料被交流磁场反复磁化，磁畴相互摩 擦而消耗的能量。,2、涡流损耗铁心内部由于涡流在铁心电阻上产生的 热能损耗。,3
11、、铁心损耗磁滞损耗和涡流损耗之和。,硅钢片中的涡流,B,返回,变压器中的涡流分布情况（Infolytica 软件计算）,第三节 直流磁路的计算,磁路计算正问题已知磁路中的量，求解磁路源的问题 给定磁通量，计算所需的励磁磁动势（励磁电流）,磁路计算逆问题已知磁路的源（磁动势），求解磁路中的量的问题 给定励磁磁势，计算磁路内的磁通量,磁路计算正问题的步骤： 1）将磁路按材料性质和不同截面尺寸分段； 2）计算各段磁路的有效截面积Ak和平均长度lk； 3）计算各段磁路的平均磁通密度Bk ，Bk=k/Ak； 4）根据Bk求出对应的Hk； 5）计算各段磁位降Hklk，最后求出 F= Hklk。,磁路计算逆
12、问题因为磁路为非线性的，用试探法。,一、简单串联磁路,例1-2 铁心由铸钢和空气隙构成，截面积AFe=0.0009 m2，磁路平均长度lFe=0.3m，气隙长度=510-4m，求该磁路获得磁通量=0.0009Wb时所需的励磁磁动势。,解：（1）将磁路分为铁心和气隙两个部分；,（5）计算各段内的磁位降，算出所需的励磁磁动势,（2）计算每一段磁路的面积与长度；,（3）计算每一段磁路的平均磁密；,（4）计算每一段磁路的磁场强度，铁磁材料通过查基本磁化曲线获得；,F=HFelFe+Hl=655A,二、简单并联磁路,例1-3 铁心由DR530硅钢片构成，铁心柱和铁轭截面积AFe=0.0004m2，磁路平均长度lFe=0.05m，气隙长度 1 =2=2.510-3m，励磁线圈匝数N1=N2=1000匝。不计漏磁通，试求在气隙中产生磁通密度B=1.211T时，所需的励磁电流。,解：,中间磁路长度：,两边磁路长度：,气隙磁位降：,中间铁心磁位降：,查磁化曲线：,总磁动势和励磁电流为：,两边铁心磁通密度和磁位降：,查磁化曲线：,第四节 交流磁路的特点,应从以下几个方面分析交流磁路的特点： （1）损耗特点：涡流损耗和磁滞损耗； （2）感应电动势：磁通量随时间变化，在励磁线圈中产生感应电动势； （3）波形畸变：磁饱和现象会导致电流、磁通和电动势波形畸变。,第一章 结束,
