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1、第一章 电机的基本原理,第一节 概 述,一、电机在国民经济中的重要作用,在现代社会中，电能的应用非常广泛。,电能的产生，将自然界中其他形式的能量转换为电能。最常见的有火力发电和水力发电。,电能的传输：为减小损耗，一般采用高压输电。,在用户侧，利用电能驱动电动机工作，带动生产机械，实现电能向机械能的转换。,工业中应用、农业中应用、军事中应用和交通运输业。,二、电机的基本构成和分类,最常见的电机是旋转电机，它产生旋转运动，有一静止部分(称为定子)和一旋转部分(称为转子)，二者之间有一空气隙。,电机是基于电磁感应定律实现能量转换的装置。,要实现能量转换，必须有一个闭合磁路产生磁场，磁场与两个或两个以
2、上的电路耦合。,电机中的能量转换，就是通过有关电路中磁链的变化来实现的。,(1)按照能量转换方式分,电动机将电能转换为机械能,发电机将机械能转换为电能,电能转换装置将一种形式的电能转换为另一种形式的电能，包括变压器(输入和输出的电压不同)、变频机(输入和输出的频率不同)、变流机(输出和输入的波形不同，将直流变为交流)和移相器(输入和输出的相位不同)。,控制电机不以功率转换为主要职能，在电气、机械系统中起调节、放大和控制作用。,(2)根据运动方式分,旋转电机产生旋转运动,静止电机不产生运动 (变压器),直线电机产生直线运动,(3)根据供电电源分,直流电机使用或产生直流电,交流电机使用或产生交流电
3、。根据供电电源的相数，分为单相电机和三相电机。,(4)根据同步速度分,没有固定的同步速度的电机直流电机,静止设备变压器,转速等于同步速度的电机同步电机,作为电动机运行时，速度总低于同步速；作为发电机运行时，速度大于同步速感应电机,速度可以从同步速度以下调至同步速度以上交流换向器电机,第二节 磁场与磁路,一、与磁场有关的基本概念,1 磁感应强度、磁场强度和磁导率,磁场是由电流(运动电荷)或永磁体在其周围空间产生的一种特殊形态的物质，可用磁感应强度和磁场强度来表征其大小和方向。,磁感应强度定义为通以单位电流的单位长度导体在磁场中所受的力，是一个矢量，用B表示，单位为特斯拉(T)，也称为磁通密度，或
4、简称磁密。,磁场强度也是一个矢量，用H表示，单位为A/m,磁感应强度和磁场强度之间的关系可表示为,BH,为磁导率，决定于磁场所在点的材料特性，单位为H/m。,根据材料的导磁性能，可将其分为铁磁材料和非铁磁材料。,非铁磁材料的磁导率可认为与真空的磁导率0相同。,铁磁材料主要是铁、镍、钴以及它们的合金，其磁导率是非铁磁材料磁导率的几十倍至数千倍。,由于材料的磁导率变化范围很大，常采用相对磁导率r来表征材料的导磁性能，r为材料的磁导率与真空磁导率的比值,2 磁通与磁通连续性定理,磁通是通过磁场中某一面积A的磁力线数，用表示,单位为韦伯(Wb)。,均匀磁场中，穿过面积A的磁通为,磁通连续性定理：由于磁
5、力线是闭合的，对于任何一个闭合曲面，进入该闭合曲面的磁力线数应等于穿出该闭合曲面的磁力线数。若规定磁力线从曲面穿出为正、进入为负，则通过闭合曲面的磁通恒为零,3 磁动势和安培环路定律,磁场强度沿一路径l的线积分定义为该路径上的磁压降，也称为磁压，用符号U表示，单位为A,安培环路定律：磁场强度沿任一闭合路径的线积分等于该路径所包围的电流的代数和。,电流的正方向与积分路径的方向之间符合右手螺旋关系,由于磁场为电流所激发，上式中闭合路径所包围的电流数称为磁动势，用F表示，单位为A。,4 磁链与电磁感应定律,处于磁场中的一个N匝线圈，若其各匝通过的磁通都相同，则经过该线圈的磁链为,当线圈中的磁链发生变
6、化时，线圈中将产生电动势，称为感应电动势。,感应电动势的大小与磁链的变化率成正比；,感应电动势的方向倾向于产生一电流，若该电流能流通，所产生的磁场将阻止线圈磁链的变化。【楞次定律】,【电流正方向与磁通正方向符合右手螺旋关系】，【正电动势产生正电流】，则感应电动势可表示为,单位为V。上式称为电磁感应定律。,若磁场由交流电流产生，则磁通随时间变化，所产生的电动势称为变压器电动势。,若磁场不随时间变化，但线圈与磁场之间有相对运动，也会引起线圈磁链的变化，所产生的电动势称为运动电动势。,运动电动势的大小可用另一种形式表示,三者之间互相垂直，电动势的方向用右手定则确定,5 电磁力与电磁转矩,若将一导体置
7、于磁场中，导体中通以电流i，则其将受到电磁力作用，电磁力的大小可表示为,电磁力的方向可用左手定则确定，即将左手伸开，使磁力线指向手心，拇指在手掌平面中与其它四指成90角，其它四指指向电流的方向，则拇指所指方向就是电磁力的方向,二、磁路及其基本定理,在电机中，通常把复杂的三维磁场问题的求解简化为相应磁路的计算，在绝大多数情况下可以满足工程精度的要求。,1 磁路,所谓磁路，就是磁通流过的路径。,磁路的基本组成部分是磁动势源和磁通流过的物体，磁动势源为永磁体或通电线圈。由于铁磁材料的导磁性能远优于空气，绝大部分磁通在铁磁材料内部流通。,铁心的截面积均匀(为A)，磁路的平均长度为L，假设磁通经过该磁路
8、的所有截面且在截面上均匀分布,将磁通和磁动势的关系与电路中电流和电压的关系类比，定义,为该段磁路的磁阻，单位为A/Wb。,上式表征了磁通、磁动势和磁阻之间的关系，称为磁路的欧姆定律。,磁阻可用磁路的材料特性和尺寸表示为,若磁路中有n个磁阻Rm1、Rm2、Rmn串联，则等效磁阻Req为,若磁路中有n个磁阻Rm1、Rm2、Rmn并联，则等效磁阻Req为,磁阻的倒数称为磁导，用(lambda )表示,单位为Wb/A,磁路方程与电路方程在形式上非常相似,电路和磁路虽然形式上相同，但在物理本质上有本质的区别：,电路中的电流是运动电荷产生的，是实际存在的，而磁路中的磁通仅仅是描述磁现象的一种手段；,电路中
9、通过电流要产生损耗，但当铁心中的磁通不变时不产生损耗；,在温度一定的前提下，导体的电阻率是恒定的，而导磁材料的磁导率随其中磁场的变化而变化；,导体和非导体的导电率之比可达1016，电流沿导体流动；而常用铁磁材料的相对磁导率通常为103105，磁场不只在铁磁材料中存在，在非铁磁材料中也存在。,2 磁路的基本定理,(1)磁路的基尔霍夫第一定律,对于图中的节点a，在其周围取一闭合面，根据磁通连续性定理，流入该闭合面的磁通的代数和恒等于零,磁路的基尔霍夫第一定律，是磁通连续性定理在等效磁路中的具体体现。,(2)磁路的基尔霍夫第二定律,带开口铁心的电抗器，磁路中含有通电线圈、铁心和气隙。线圈匝数为N，流
10、过的电流为i,取一条通过电抗器铁心和气隙中心线的闭合路径，根据安培环路定律,和 分别为铁心和气隙中的磁场强度,为铁心部分的磁场强度， 为气隙长度,铁心和气隙分别用等效磁阻Rm1和Rm2等效,F为激磁线圈的磁动势，F=Ni,任何闭合磁路上的总磁动势等于组成该磁路的各磁阻上的磁压降之和，称为磁路的基尔霍夫第二定律，是安培环路定律在等效磁路中的具体体现。,【例1-1】 有一铁心，其尺寸见图，铁心的厚度为0.1m，相对磁导率为2000，上面绕有1000匝的线圈，当线圈内通以0.8A的电流时，能产生多大磁通？,解：用磁路的欧姆定律求解。,取通过铁心中心线的路径为平均磁路。,铁心的上、下、左三边宽度相同，
11、可取为磁路1，右边取为磁路2。,磁路1的平均长度为l1=1.3m，截面积为A1=0.150.1=0.015m2 ，则磁路1的磁阻为,磁路2的平均长度为l2=0.45m，截面积为A2=0.10.1=0.01m2，则磁路2的磁阻为,磁路的总磁阻为,线圈的磁动势为,则产生的磁通为,第三节 铁磁材料的特性,铁磁材料包括铁、镍、钴及它们的合金、某些稀土元素的合金和化合物、铬和锰的一些合金等。,其特点是：将其放入磁场后，磁场会显著增强。,一、铁磁材料的磁化曲线,铁磁材料的磁化曲线是磁通密度和磁场强度之间的关系B=f(H)，是铁磁材料最基本的特性曲线。,对于非铁磁材料，其磁导率接近于真空的磁导率0，磁化曲线
12、为一直线B=0H。,对于铁磁材料，由于磁导率随磁场强度的变化而变化，且存在磁滞现象，磁化曲线比较复杂。,1 初始磁化曲线,初始磁化曲线是将未经磁化的铁磁材料放入磁场中，磁场强度从零开始逐渐增大而得到的B=f(H)曲线。,B=f(H),在无外加磁场时，铁磁材料就已经达到一定程度的磁化，称为自发磁化。,自发磁化是分成许多小区域进行的，这些小区域称为磁畴，磁畴可用永磁体表示。,未经磁化的铁磁材料中，各磁畴自发磁化的取向是杂乱的，磁效应相互抵消，整个材料不显示磁性。,当施加外磁场时，磁畴的轴线方向将向外磁场方向转动，当外加磁场足够强时，磁畴的轴线方向与外磁场方向一致，材料显示很强的磁性。,将未磁化的铁
13、磁材料置于外磁场中，当磁场强度很小时，外磁场只能使少量磁畴转向，磁通密度增加不快，此时磁导率较小；,随着外磁场的增强，大量磁畴开始转向，磁通密度增加很快，磁导率很大；,当外磁场增大到一定程度时，大部分磁畴已经转向，未转向的磁畴较少，继续增大外磁场时，磁通密度增加缓慢，磁导率逐渐减小，这种现象称为饱和。,磁化曲线开始弯曲的点，称为膝点。,可以看出，不同的材料有不同的磁导率，同一种铁磁材料，其磁导率也随磁场强度的变化而变化。,2 磁滞回线,将铁磁材料置于外磁场中进行周期性磁化，得到的B=f(H)曲线非常复杂，最突出的特点是B的变化落后于H的变化，这种现象称为磁滞。,将未磁化的铁磁材料置于外磁场中，
14、当H从零开始增加到Hm时，B相应地增加到Bm，,然后逐渐减小H，B将沿曲线ab下降，H下降到零后，反方向增加H到-Hm，B沿bcd变化到-Bm，,再逐渐减小H的绝对值，B沿着曲线de变化,当H为零后，再增加H到Hm，则B沿efa增加到Bm,如此反复磁化，就得到图中的B=f(H)闭合曲线，称为磁滞回线,当磁场强度H为零时，磁感应强度不为零，而是一个较大的值，称为剩余磁感应强度或剩磁密度，简称剩磁，用Br表示，单位为T。,当磁感应强度为零时，H不为零，而是Hc，Hc称为磁感应矫顽力，简称为矫顽力，单位为A/m。剩磁和矫顽力是铁磁材料的重要参数。,3 基本磁化曲线,由于铁磁材料磁滞回线的形状比较复杂
15、，在工程实际中使用不便。,对于铁磁材料，在不同磁场强度的外磁场中反复磁化，可得到一系列大小不同的磁滞回线，将这些磁滞回线的顶点连接起来，就得到基本磁化曲线,各种手册中给出的磁化曲线都是基本磁化曲线。基本磁化曲线虽然不是起始磁化曲线，但二者差别不大,50TW800冷轧硅钢片的基本磁化曲线,4 铁磁材料的分类,根据磁滞回线形状的不同，可将铁磁材料分为软磁材料和永磁材料。,软磁材料的磁滞回线窄，矫顽力小，容易磁化，在较弱的外磁场作用下可得到较高的磁通密度，一旦去掉外磁场，其磁性基本消失，主要用作导磁材料。,电机中常用的导磁材料，如硅钢片、铸钢、铸铁等，都属于软磁材料。,永磁材料的磁滞回线宽,矫顽力大
16、，其特点是不容易被磁化、也不容易退磁，当外磁场消失后，仍具有相当强而稳定的磁性，可以向外部磁路提供恒定磁场，也称为硬磁材料,包括铝镍钴、铁氧体、稀土钴和钕铁硼等，在永磁电机中应用广泛,二、铁耗,将铁磁材料置于变化的磁场中，将产生铁心损耗，简称铁耗。,铁耗包括磁滞损耗和涡流损耗两种。,磁场不变时不产生铁耗。,1 磁滞损耗,磁滞损耗是磁畴之间相互摩擦而产生的损耗。,磁滞回线中，当H从零(e点)增大到最大值Hm(a点)时，单位体积的铁心消耗的能量为,当H从Hm减小到零时，单位体积铁心消耗的能量为,由于H为正、dB为负，故消耗的能量为负，向电源释放能量。,在磁场变化的半个周期内，单位体积的铁心消耗的能量为以上两部分能量之和，可用区域efabe所包围的面积表示，,在后半个周期内，将消耗同样多的能量。在磁场变化的一个周期内，单位体积铁心消耗的能量等于磁滞回线的面积,磁滞回线的面积通常可用经验公式表示,Ch为磁滞损耗系数，Ch和k的值取决于铁心的特性，对于一般
