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1、 第第 1 章章 电机学基础知识电机学基础知识 1电机与拖动电机与拖动教材系列教材系列大连理工大学电气工程学院 刘凤春制作231.1 电机的基本功能与主要类型电机的基本功能与主要类型一、按照能量转换和信号传递所起的作用分类一、按照能量转换和信号传递所起的作用分类一、按照能量转换和信号传递所起的作用分类一、按照能量转换和信号传递所起的作用分类 1. 1. 发电机发电机发电机发电机 将机械能转换为电能。将机械能转换为电能。2. 2. 电动机电动机电动机电动机 将电能转换为机械能。将电能转换为机械能。3. 3. 变压器、变流器、变频机、移相器变压器、变流器、变频机、移相器变压器、变流器、变频机、移相
2、器变压器、变流器、变频机、移相器 变换电压、电流、频率、相位。变换电压、电流、频率、相位。4. 4. 控制电机控制电机控制电机控制电机 作为自动控制系统的控制元件，起检测、放大、作为自动控制系统的控制元件，起检测、放大、 执行和校正作用。执行和校正作用。 4二、按照电机的结构特点及电源性质分类二、按照电机的结构特点及电源性质分类 1. 1. 变压器变压器变压器变压器 2. 2. 旋转电机旋转电机旋转电机旋转电机 静止的电机。静止的电机。 51.2 电机的基本原理电机的基本原理一、磁场的基本概念一、磁场的基本概念 1. 1. 磁感应强度与磁力线磁感应强度与磁力线磁感应强度与磁力线磁感应强度与磁力
3、线 (1) 磁场：由电流或永磁体产生。磁场：由电流或永磁体产生。 (2) 磁感应强度磁感应强度 B（特斯拉，（特斯拉，T）： 用于表征磁场的强弱和方向，矢量。用于表征磁场的强弱和方向，矢量。 (3) 磁力线的分布和方向：磁力线的分布和方向：62. 2. 磁通量与磁通连续性原理磁通量与磁通连续性原理磁通量与磁通连续性原理磁通量与磁通连续性原理 u 在均匀磁场中：在均匀磁场中： u 磁通磁通 (韦伯，韦伯，Wb) ： 穿过某一截面穿过某一截面 A 的磁感应强度的磁感应强度 B 的通量。的通量。 = A B dA = BA u 磁通连续性：磁通连续性： = A B dA = 0 B = /A 磁通密
4、度磁通密度。 73. 3. 磁场强度与磁导率磁场强度与磁导率磁场强度与磁导率磁场强度与磁导率 u 磁场强度磁场强度 H ( A/m) ： 表征磁场的强弱和方向的量，矢量。表征磁场的强弱和方向的量，矢量。 u 磁导率磁导率 ( H/m )： 表征磁场中介质的导磁能力。表征磁场中介质的导磁能力。 真空的磁导率：真空的磁导率： 0 = 4 107 H/m u H 与与 B 的关系与区别的关系与区别 (在各向同性介质中在各向同性介质中) B = H H I，与介质的性质无关。，与介质的性质无关。 B 与与 I 的大小和介质的性质均有关。的大小和介质的性质均有关。 84. 4. 磁场储能磁场储能磁场储能
5、磁场储能 u 磁场中能够储存能量。磁场中能够储存能量。 u 电机通过磁场储能实现机电能量的转换。电机通过磁场储能实现机电能量的转换。 u 磁场中的能量密度为磁场中的能量密度为u 磁场中的总储能为磁场中的总储能为u 对于线性介质，对于线性介质， 为常数，则为常数，则（n 个电流回路建立的磁场）个电流回路建立的磁场） 9二、磁路及其基本定律二、磁路及其基本定律 变压器磁路变压器磁路 直流电机磁路直流电机磁路 101. 1. 安培环路定律安培环路定律安培环路定律安培环路定律 如图：如图： i = i1i2i3 2. 2. 磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律 11 磁动势磁动势磁
6、动势磁动势（A）：）： F = N i (作用在磁路上的安匝数作用在磁路上的安匝数) 磁阻磁阻磁阻磁阻： 不是常数不是常数 Rm 非线性非线性 3. 3. 磁路的基尔霍夫第一定律磁路的基尔霍夫第一定律磁路的基尔霍夫第一定律磁路的基尔霍夫第一定律 任一闭合面：任一闭合面： = 0 右图：右图： 2 = 1 3 12 i = Hklk N i = H1l1H2 l2 = Rm1 1Rm2 2 或或 Ni = H1l1H3 l3 = Rm1 1Rm3 3 4. 4. 磁路的基尔霍夫第二定律磁路的基尔霍夫第二定律磁路的基尔霍夫第二定律磁路的基尔霍夫第二定律 一般：一般： 13 【例例1-1】 图示的磁
7、路由电工钢片叠压而成，铁心的图示的磁路由电工钢片叠压而成，铁心的 叠压系数为叠压系数为 kFe= 0.94，各段铁心的截面积相同，均为，各段铁心的截面积相同，均为 A = 0.810-3 m2，各段磁路的长度分别为，各段磁路的长度分别为 l1 = 0.08 m, l2= 0.1 m, l3= 0.037 m, l4= 0.037 m，l5 = 0.1 m， = 0.006 m， 已知已知 Fe = 1900 0，N = 2000，如要求铁心中，如要求铁心中 =110-3 Wb, 求需要多大的励磁电流。求需要多大的励磁电流。 解：解： 铁心铁心: Ak = kFeA = 0.940.810-3
8、m2 = 0.75210-3 m2 14气隙气隙： 总磁动势总磁动势及电流及电流: 15三、电磁感应定律三、电磁感应定律 正方向（参考方向）正方向（参考方向） 设设 = m sin t 则则 e =N m cos t = Em sin( t 90o) 1. 1. 变压器电动势变压器电动势变压器电动势变压器电动势 162. 2. 运动电动势运动电动势运动电动势运动电动势 e = Bv l 1. 1. 电感和电动势电感和电动势电感和电动势电感和电动势 = Li （线性磁介质）（线性磁介质） 四、线圈的电路方程四、线圈的电路方程 右手定则右手定则 172. 2. 电路方程电路方程电路方程电路方程 u
9、 = uRe 电抗：电抗：X = L = 2 f L 阻抗：阻抗：Z = RjX 铁心线圈电路：铁心线圈电路： （L 为非线性电感）为非线性电感） 18五、电磁力定律与电磁转矩五、电磁力定律与电磁转矩 f = Bl i (N) 1. 1. 电磁力定律电磁力定律电磁力定律电磁力定律 2. 2. 电磁转矩电磁转矩电磁转矩电磁转矩 Te = 2 f r = 2Bl i r (N m) 19六、电机的可逆性原理六、电机的可逆性原理 运行方式运行方式运行方式运行方式 电磁力电磁力电磁力电磁力/ /电磁转矩电磁转矩电磁转矩电磁转矩 电动势电动势电动势电动势 电动机电动机 驱动性质，驱动性质， 反电动势，反
10、电动势， 驱动外部机械负载驱动外部机械负载 由外施电源所克服由外施电源所克服 发电机发电机 阻力性质，阻力性质， 电源性质，电源性质， 为外施机械力所克服为外施机械力所克服 为外接负载供电为外接负载供电 (1)电动机：施加电动机：施加 i ，电磁力电磁力 ，电磁转矩，电磁转矩 ， 旋转，旋转， 驱动机械负载驱动机械负载 。 (2) 发电机：施加转矩发电机：施加转矩 T，旋转旋转，感应电动势感应电动势 输出电流，输出电流， 输出电功率。输出电功率。 201.3 电机的制造材料电机的制造材料一、概述一、概述 导磁材料导磁材料 导电材料导电材料绝缘材料绝缘材料 结构材料结构材料 散热、冷却、润滑材料
11、散热、冷却、润滑材料 ：铸铁、铸钢、硅钢铸铁、铸钢、硅钢 ：铜、铝铜、铝 ：纸、木材、玻璃、树脂漆、陶瓷、石英纸、木材、玻璃、树脂漆、陶瓷、石英 211. 1. 高导磁性高导磁性高导磁性高导磁性 0 ( r 1) 二、铁磁材料的重要特性二、铁磁材料的重要特性 2. 2. 磁饱和性磁饱和性磁饱和性磁饱和性 B = H（ 常数）常数） 3. 3. 磁滞性磁滞性磁滞性磁滞性22p 常见材料的常见材料的 磁化曲线磁化曲线 DR320 H0.1 DR320 H1 DR320 H10 234. 4. 铁心损耗铁心损耗铁心损耗铁心损耗 (1) 磁滞损耗磁滞损耗 Ph 电工钢片电工钢片: n = 1.6 2.
12、3(2) 涡流损耗涡流损耗 Pe (3) 减小铁损耗的方法减小铁损耗的方法 使用软磁材料减小使用软磁材料减小Ph 。 增大铁心的电阻率，减小涡流及其损耗增大铁心的电阻率，减小涡流及其损耗 。用很薄的硅钢片叠成铁心，减小涡流及其损耗用很薄的硅钢片叠成铁心，减小涡流及其损耗 。241. 1. 退磁曲线退磁曲线退磁曲线退磁曲线 三、永磁材料的特性三、永磁材料的特性 永磁材料的磁滞回线在第二象限的部分称为退磁曲永磁材料的磁滞回线在第二象限的部分称为退磁曲线，它是永磁材料的基本特性曲线。线，它是永磁材料的基本特性曲线。 252. 2. 回复线回复线回复线回复线 回复磁导率：回复磁导率：263. 3. 内
13、禀退磁曲线内禀退磁曲线内禀退磁曲线内禀退磁曲线 4. 4. 稳定性稳定性稳定性稳定性 内禀磁感应强度与磁场强度的关系内禀磁感应强度与磁场强度的关系(1) 热稳定性热稳定性(2) 磁稳定性磁稳定性(3) 化学稳定性化学稳定性(4) 时间稳定性时间稳定性27四、电机中常用的永磁材料四、电机中常用的永磁材料四、电机中常用的永磁材料四、电机中常用的永磁材料(1)铝镍钴永磁体铝镍钴永磁体(2) 铁氧体铁氧体 (3) 稀土永磁材料稀土永磁材料 28 例例1-2 图示磁路由铁心、图示磁路由铁心、NdFeB永磁和气隙三段永磁和气隙三段 构成，铁心部分由电工钢片叠压而成，铁心的叠压系数构成，铁心部分由电工钢片叠压而成，铁心的叠压系数为为kFe= 0.94，永磁体和铁心的截面积相同，均为，永磁体和铁心的截面积相同，均为 A ，铁心的总长度为铁心的总长度为 lFe = 0.5m，永磁体的退磁曲线为直线，永磁体的退磁曲线为直线， 剩磁密度剩磁密度Br =1.2T，矫顽力，矫顽力Hc850kA/m，磁化方向长，磁化方向长度度 lm= 0.01m，气隙长度，气隙长度 = 0.001m，已知铁心的磁导，已知铁心的磁导率为空气磁导率的率为空气磁导率的 1900 倍，求气隙磁通密度。倍，求气隙磁通密度。 解：解：A = 0.810-3 m229
