武汉大学 电机学 第1章_导论(201910)
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大学电机学PPT第一章
任一闭合磁路上磁动势的代数和恒等于磁压降的代数和。
回路①：H1l1+H3l3=N1i1 回路②：-H2l2-H3l3=-N2i2 回路③：H1l1-H2l2=N1i1-N2i2
Y.Q.Xiong 2010 《电机学》第1章 导论 24
磁路与电路的比较
磁路
磁通 Φ 磁动势 F 磁阻 Rm 磁压降 Hl 磁导 Λm 欧姆定律 Φ = F / Rm 基氏第一定律 ΣΦ=0 基氏第二定律 ΣF=ΣHl=ΣΦR
Y.Q.Xiong 2010
《电机学》第1章 导论
15
2. 铁磁材料的磁导率
材料的磁导率
=B／H
单位： H/m 真空中的磁导率 0 = 4π×10-7 H/m 非铁磁材料的磁导率 ≈ 0 为常数 铁磁材料磁导率（常用 Fe 表示）的特点 ① Fe>> 0 ② Fe为非常数，随B的变化而变化 ③ 存在磁饱和现象：当铁磁材料中的B达到一定的程度后， 随着H的增加，B的增加逐渐变慢，因此 Fe随着H的增加 而减小。
7
伺服驱动
Y.Q.Xiong 2010
《电机学》第1章 导论
8
倒视镜 电机 启动 电机
天窗电机
座椅调 整电机 散热风 扇电机 助力转 向电机
雨刷 电机
电机在日常生 活中的应用
Y.Q.Xiong 2010
《电机学》第1章 导论
9
4. 本课程的性质任务
课程性质：技术基础课。 课程内容：直流电机、变压器、交流电 机共同问题、异步电机、同步电机。 教材 ： 辜 承 林 等 ， 《电机学 》（ 第三 版），华中科技大学出版社，2010年。 参考书：《电机学（第三版）学习指导 与习 题 解 答 》， 华 中科技大学出版社 2010年。 学习方法 课程网站：
回路①：H1l1+H3l3=N1i1 回路②：-H2l2-H3l3=-N2i2 回路③：H1l1-H2l2=N1i1-N2i2
Y.Q.Xiong 2010 《电机学》第1章 导论 24
磁路与电路的比较
磁路
磁通 Φ 磁动势 F 磁阻 Rm 磁压降 Hl 磁导 Λm 欧姆定律 Φ = F / Rm 基氏第一定律 ΣΦ=0 基氏第二定律 ΣF=ΣHl=ΣΦR
Y.Q.Xiong 2010
《电机学》第1章 导论
15
2. 铁磁材料的磁导率
材料的磁导率
=B／H
单位： H/m 真空中的磁导率 0 = 4π×10-7 H/m 非铁磁材料的磁导率 ≈ 0 为常数 铁磁材料磁导率（常用 Fe 表示）的特点 ① Fe>> 0 ② Fe为非常数，随B的变化而变化 ③ 存在磁饱和现象：当铁磁材料中的B达到一定的程度后， 随着H的增加，B的增加逐渐变慢，因此 Fe随着H的增加 而减小。
7
伺服驱动
Y.Q.Xiong 2010
《电机学》第1章 导论
8
倒视镜 电机 启动 电机
天窗电机
座椅调 整电机 散热风 扇电机 助力转 向电机
雨刷 电机
电机在日常生 活中的应用
Y.Q.Xiong 2010
《电机学》第1章 导论
9
4. 本课程的性质任务
课程性质：技术基础课。 课程内容：直流电机、变压器、交流电 机共同问题、异步电机、同步电机。 教材 ： 辜 承 林 等 ， 《电机学 》（ 第三 版），华中科技大学出版社，2010年。 参考书：《电机学（第三版）学习指导 与习 题 解 答 》， 华 中科技大学出版社 2010年。 学习方法 课程网站：
华科大辜承林主编《电机学》课后习题答案
3
变压器电势变为：
a + c + vt µ I mb c + vt Φ = b ∫ a + vt Bxdt = 0 s in ω t ln a + 2π a + vt µ 0bω dφ c +vt cos ωt eT = − dt = − 2 ln a + π a+ vt
线圈中感应电势 e = ev
Φ A 10.9×10 = 12.25 = 0.89( T ) ×10 −4
−4
查磁化曲线 H F e = 299( A ) m 气隙： H δ = 0.89 磁动势: 4π × 10 − 7 = 7.08599 ×10 − 5( A ) m
F = H Fel + Hδδ
= 299 × 0.4 + 7.08599× 10 =473.9(A)
5
× 0.5× 10−3
1．19 少？
∵F=NI ∴I=F／N=473.9／600=0.79(A) 设 1．18 题的励磁绕组的电阻为 120 Ω ，接于 110V 的直流电源上，问铁心磁通是多 先求出磁势： ∵是直流电源
φ ∴ φ 不变， e = − d dt
=0
∴I
110 =U R = 120
∴F
∴ NI1 = H 1l1 − H 2 l2 =1420×0.5-140×0.2=640(A)
8
第二章 直流电机 2．1 为什么直流发电机能发出直流电流？如果没有换向器，电机能不能发出直流电流？ 换向器与电刷共同把电枢导体中的交流电流， “换向”成直流电，如果没有换向器， 电机不能发出直流电。 2．2 试判断下列情况下，电刷两端电压性质 （1）磁极固定，电刷与电枢同时旋转； （2）电枢固定，电刷与磁极同时旋转。 (1)交流 ∵电刷与电枢间相对静止，∴电刷两端的电压性质与电枢的相同。 （2）直流 电刷与磁极相对静止，∴电刷总是引出某一极性下的电枢电压，而电枢不 动，磁场方向不变 ∴是直流。 2．3 在直流发电机中，为了把交流电动势转变成直流电压而采用了换向器装置；但在直流 电动机中，加在电刷两端的电压已是直流电压，那么换向器有什么呢？ 直流电动机中， 换向法把电刷两端的直流电压转换为电枢内的交流电， 以使电枢无论 旋转到 N 极下，还是 S 极下，都能产生同一方向的电磁转矩 2． 4 直流电机结构的主要部件有哪几个？它们是用什么材料制成的， 为什么？这些部件的 功能是什么？ 有 7 个 主磁极 换向极， 机座 电刷 电枢铁心，电枢绕组，换向器 见备课笔记 2．5 从原理上看，直流电机电枢绕组可以只有一个线圈做成，单实际的直流电机用很多线 圈串联组成，为什么？是不是线圈愈多愈好？ 一个线圈产生的直流脉动太大，且感应电势或电磁力太小，线圈愈多，脉动愈小， 但 线圈也不能太多，因为电枢铁心表面不能开太多的槽，∴线圈太多，无处嵌放。 2．6 何谓主磁通？何谓漏磁通？漏磁通的大小与哪些因素有关？ 主磁通： 从主极铁心经气隙，电枢，再经过相邻主极下的气隙和主极铁心，最后经 定子绕组磁轭闭合，同时交链励磁绕组和电枢绕组，在电枢中感应电动势，实现机电能量转 换。 漏磁通： 有一小部分不穿过气隙进入电枢，而是经主极间的空气隙钉子磁轭闭合，不 参与机电能量转换， Φδ 与饱和系数有关。 2． 7 什么是直流电机的磁化曲线？为什么电机的额定工作点一般设计在磁化曲线开始弯曲 的所谓“膝点”附近？ 磁化曲线： Φ 0 = f ( F0 )
《电机学》课件 第一章导论
B3 B 3 / A3 1.0T
H 3 383A / m H B / 0 H 3 l 3 H 133.2A
F1 Hl H 1l1 H 3 l 3 H
H 1 l1 F1 H 3 l 3 H
2 3 1 3.69 10 4 Wb
三峡发电机转子吊装成功
1.4电机中的基本电磁定律
1.全电流定律
H dl I
l
H dl l ' H dl I I1 I 2 I 3
l
1.4电机中的基本电磁定律
2.电磁感应定律
d d e N dt dt
d dt dx t x e N Nv t x
欧姆定律 磁 路 基 本 定 律 基尔霍夫第二定律
F Ni Hl Rm
Ni F m F l /( A) Rm
基尔霍夫第一定律
0
1.6 磁路基本定律及计算方法
磁路与电路的主要区别
电路 电阻率恒定 电压、电流线性 磁路 导磁率变化 磁势、磁通非线性
1.3世界及我国电机发展简史及趋势
1833年，诞生第一台永久磁铁励磁的直流电动机；从此电 机在人间生根、发芽,以优异的能量转换机制，向大自然攫 取能量供人类使用； 1845年，电磁铁代替永久磁铁，用于直流电动机励磁； 1860年，法国人G.Plante向法国科学院送交铅酸电池样品； 1866年，自励直流发电机发明(Siemens)； 1880年，爱迪生提出叠片铁芯(Edison) 1882年，第一条直流输电线路，Depratz把水电站2KW直流 电→57km输电线→慕尼黑, 直流电动机由电池供电改为发电 机供电；
《电机学》课件 第一章
2. 本课程与电力行业的紧密联系
a 对于电力系统自动化专业的技术人员，必然要从事电力系统 稳定性的研究，则首先要了解各电气设备的特性； b 对于从事电气工程自动化专业的技术人员，要搞清楚所控 制的对象及其各类电动机的特性，才能搞好自动控制
1-1 概述
三、学习《电机学》的什么内容
• •
电机的原理、结构、特性和应用 直流电机、变压器、异步电机、 同步电机
3、电磁力定律
载流导体在磁场中要受到力的作用—电磁力
F Bli
左手定则
1-3 基本电磁定律
电机可逆性原理
如在电机轴上外施机械功率，通过电机导体在磁场中 作用产生感应电势可输出电功率；如在电机电路中从电 源输入电功率，则载流导体在磁场作用下可使电机旋转 而输出机械功率。
任何电机既可以作为发电机运行，又可以作 为电动机运行。 不论用作发电机或电动机，感应电势和电磁 力都同时作用于导体。
1-2 磁路及磁路定律
•
2、磁路的欧姆定律
H dl Hl Ni
B /A Ni F m F L /( A ) R m
H B/
1-2 磁路及磁路定律
3、磁路的基尔霍夫第一定律 定律内容: 穿出(或进入)任一闭和面的总磁通量恒 等于零(或者说，进入任一闭合面的磁通量恒等 于穿出该闭合面的磁通量)，这就是磁通连续性 定律。
1-4 铁磁材料及特性
2、铁磁材料
•
软磁材料--磁滞回线窄，HC及Br小
•
•
硬磁材料--磁滞回线宽，HC及Br大
HC及Br大，难退磁---永磁材料
1-4 铁磁材料及特性
1-4 铁磁材料及特性
1-4 铁磁材料及特性
电机学 第一章 绪论
即 • 7. 磁路与电路的异同 • （1）同：绝大多数概念等价 • （2）异：a 电流是电荷的移动
磁通是假想的用于描述磁场的量 b 直流电流通过电阻消耗能量
恒定磁通通过磁阻不消耗能量
16
六、B－H曲线
• 1．磁化曲线 • 起始段：μ较小； • 线性区：μ（较大）近似为直线 • 饱和区：μ很小，H增大，B基本不变
Bg
Ag
1.25
Hg
Bg
0
0.994106
Fg H g Lg 5964
• 3．总体
所需的总磁势为
F＝FI + Fg = 6162(A) 线圈所需的励磁电流为
* 机：机械能，电机中与之相关的有转矩、 转速等。
9
一、磁场、磁感应强度
• 磁场：运动电荷（电流）周围存在的一种特殊物质 • 洛伦兹力：磁场中载流导体所受到的力 • 磁感应强度：描述磁场强弱的物理量 B
二、磁力线、磁通量（Φ）
1.磁力线
（ 1）定义：用假想存在的曲线来表示磁场的分布，
（ 2）性质： – “符合右手螺旋定则”； – “永不相交，确定点的B方向确定、唯一”； – “闭合、无起点、终点”。
• 2.磁路欧姆定律
* （1）部分磁路
• 电路：R＝U／I
• 磁路：
R.磁阻
Rm
l
S
F Rm rm
– 比较电阻：
R l
S
15
• 4．磁导
1 S
Rm
l
• 5．磁路第一定律（节点定律）
根据磁通的连续性原理，流入磁路节点的磁通的代数和等于0.
0
• 6．磁路第二定律（回路定律） Um Ik F
10
2.磁通（磁通量）：通过磁场某一面积的磁感应
磁通是假想的用于描述磁场的量 b 直流电流通过电阻消耗能量
恒定磁通通过磁阻不消耗能量
16
六、B－H曲线
• 1．磁化曲线 • 起始段：μ较小； • 线性区：μ（较大）近似为直线 • 饱和区：μ很小，H增大，B基本不变
Bg
Ag
1.25
Hg
Bg
0
0.994106
Fg H g Lg 5964
• 3．总体
所需的总磁势为
F＝FI + Fg = 6162(A) 线圈所需的励磁电流为
* 机：机械能，电机中与之相关的有转矩、 转速等。
9
一、磁场、磁感应强度
• 磁场：运动电荷（电流）周围存在的一种特殊物质 • 洛伦兹力：磁场中载流导体所受到的力 • 磁感应强度：描述磁场强弱的物理量 B
二、磁力线、磁通量（Φ）
1.磁力线
（ 1）定义：用假想存在的曲线来表示磁场的分布，
（ 2）性质： – “符合右手螺旋定则”； – “永不相交，确定点的B方向确定、唯一”； – “闭合、无起点、终点”。
• 2.磁路欧姆定律
* （1）部分磁路
• 电路：R＝U／I
• 磁路：
R.磁阻
Rm
l
S
F Rm rm
– 比较电阻：
R l
S
15
• 4．磁导
1 S
Rm
l
• 5．磁路第一定律（节点定律）
根据磁通的连续性原理，流入磁路节点的磁通的代数和等于0.
0
• 6．磁路第二定律（回路定律） Um Ik F
10
2.磁通（磁通量）：通过磁场某一面积的磁感应
电机学第1章 导论
第一章 导 论学习指导学习目标与要求磁路是整个电机学的基础，也是电气工程专业后其它续课程的基础理论知识，例如控制电机、传感器和执行器、自动化电磁元件等课程的技术基础。
为此，要求通过磁路部分的学习，要牢固掌握：1．铁磁材料的基本特性；磁化曲线与磁滞回线；涡流和涡流损耗；2．基本电磁定律：安培环路定律及均匀磁路的欧姆定律、磁介质定律，电磁感应定律；3．电机的分析研究方法。
学习重点1．铁磁材料的基本特性2．基本电磁定律学习难点1．铁磁材料特性的非线性；2．磁路的磁阻和激磁电抗的概念第一节 概 述一、电机的定义依据电磁感应定律和电磁力定律实现机电能量转换和信号传递与转换的装置。
二、电机的主要类型电机的种类很多，分类方法也很多。
如按运动方式分，静止的有变压器，运动的有直线电机和旋转电机，直线和旋转电机继续按电源性质分，又有直流电机和交流电机两种，而交流电机按运行速度与电源频率的关系又可分为异步电机和同步电机两大类。
分类还可以进一步细分下去，这里就不一一列举了。
鉴于直线电机较少应用，而电机学只侧重于旋转电机的研究，故上述分类结果可归纳为：⎧⎪⎧⎪⎪⎨⎧⎨⎪⎨⎪⎪⎩⎩⎩变压器直流电机电机旋转电机异步电机交流电机同步电机 以上分类方法从理论体系上讲是合理的，也是大部分电机学教材编写的基本构架。
但从习惯角度，人们还普遍接受另一种按功能分类的方法，具体是：⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎩将电能转换为机械能，驱动电力机械由原动机拖动，将机械能转换为电能进行信号的传递和转电动机：发电机：电机控制电机：变压器，变流换，控制系统中的执行，检测或解算元件分别用于改变电压，电流，频率和相位器，移相器： 需要指出的是，发电机和电动机只是电机的两种运行形式，其本身是可逆的。
也就是说，同一台电机，既可作发电机运行，也可作电动机运行，只是从设计要求和综合性能考虑，其技术性和经济性未必兼得罢了。
然而，无论是发电机运行，还是电动机运行，电机的基本任务都是实现机电能量转换，而前提也就是必须能够产生机械上的相对运动。
电机学导论
1.3 电机中的基本电磁定律
一、全电流定律
➢ 电流是产生磁场 的源。
➢ 全电流定律（安 培环路定律）： 磁场强度沿任意 的闭合路径的线 积分等于闭合路 径包围的导体电 流的代数和。
17
二、电磁感应定律
➢ 只要与线圈交链的磁链 Ψ发生了变化，线圈内 就会感应出电动势。
➢ 感应电动势倾向于在线 圈内产生电流，以阻止 Ψ的变化。
35
➢铁磁材料的磁化
在外磁场的作用下，铁磁材料内部的磁筹重 新排列，使得内部磁效应不能抵消，因而在 宏观上对外显示磁性。
36
➢ 电机的分类
电 机
➢ 电机中使用的材料
导电材料、导磁材料、结构材料、绝缘材料
28
➢ 电机中的基本电磁定律
一、全电流定律
29
二、电磁感应定律
① 运动电动势
右手定则 e
② 变压器电动势
e = Blv
e与Φ成右手螺旋关系
➢ 感应电势与磁通的关系
当磁通按正弦规律变化时 感应电动势为
感应电动势滞后磁通90度
B(ζ)
x
b vl
➢ 运动电动势为：
o ζ
e
➢ 式中磁场、线圈运动方向和感应电动势之间的关系由 右手定则（发电机定则）确定。
22
e
右手定则
23
三、电磁力定律
➢ 磁场对电流的作用是磁场的基本特征之一。通电 导体置于磁场中（电流方向与导体方向不平行） 会受到力的作用，此力称为电磁力。
➢ 对于长直载流导体，若磁场与之垂直，则电磁力 为 F=B l i 这就是通常所说的电磁力定律，也叫毕奥--萨伐电 磁力定律。
用于导体之间和各类构件之间的绝缘处理。电 机常用绝缘材料按性能划分为A、E、B、F、 H、C等6个等级。如B级绝缘材料可在130℃下 长期使用，超过130℃则很快老化，但H级绝 缘材料允许在180℃下长期使用。
武汉大学 电机学 第1章_导论(10) 共90页PPT资料
1.1 概 述
1.1.1 电机的定义
广义言之，电机可泛指所有实施电能生产、传输、 使用和电能特性变换的机械或装置。然而，由于生产、 传输、使用电能和实施电能特性变换的方式很多，原理 各异。作为电类相关学科，特别是电气工程学科的主要 技术基础课，电机学的主要研究范畴仅限于那些依据电 磁感应定律和电磁力定律实现机电能量转换和信号传递 与转换的装置。依此定义，严格地说，这类装置的全称 应该是电磁式电机，但习惯上已将之简称为电机。
注：若i与l符合右手螺旋关
l
系， 取正号，否则取负号 。
其中大拇指所指为i的方向，四
2020/1/14
武汉大学电气工程学院刘启胜
☆ 精确模型研究
3 0 0 M W 汽 轮 发 电 机 I f ， I fN U U N 的 电 抗
2020/1/14
值
武汉大学电气工程学院刘启胜
☆ 新能源技术
风力发电
2020/1/14
武汉大学电气工程学院刘启胜
☆ 新能源技术
波浪发电
波浪能电站外景
2020/1/14
武汉大学电气工程学院刘启胜
☆ 特殊新用途（电磁发射，纳米电机）
电磁发射技术的发展及其军事应用 超微电机与微型机器人技术 人工心脏技术
2020/1/14
武汉大学电气工程学院刘启胜
(2)电机领域我国正在研究的项目举例
☆ 航天超声波电机 ☆ 高速发电的发电机 ☆ 人工肌肉直线电机
☆ 超导电机 ☆ 电动机故障诊断
电动机： 将电能转换为机械能，驱动电力机械
电机
变压器，变流器，变频器，移相器：
进行信号的传递和转换，控制系统 中的执行，检测或解算元件
控制电机：分别用于改变电压，电流，频率和相位
1.1.1 电机的定义
广义言之，电机可泛指所有实施电能生产、传输、 使用和电能特性变换的机械或装置。然而，由于生产、 传输、使用电能和实施电能特性变换的方式很多，原理 各异。作为电类相关学科，特别是电气工程学科的主要 技术基础课，电机学的主要研究范畴仅限于那些依据电 磁感应定律和电磁力定律实现机电能量转换和信号传递 与转换的装置。依此定义，严格地说，这类装置的全称 应该是电磁式电机，但习惯上已将之简称为电机。
注：若i与l符合右手螺旋关
l
系， 取正号，否则取负号 。
其中大拇指所指为i的方向，四
2020/1/14
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☆ 精确模型研究
3 0 0 M W 汽 轮 发 电 机 I f ， I fN U U N 的 电 抗
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值
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☆ 新能源技术
风力发电
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☆ 新能源技术
波浪发电
波浪能电站外景
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☆ 特殊新用途（电磁发射，纳米电机）
电磁发射技术的发展及其军事应用 超微电机与微型机器人技术 人工心脏技术
2020/1/14
武汉大学电气工程学院刘启胜
(2)电机领域我国正在研究的项目举例
☆ 航天超声波电机 ☆ 高速发电的发电机 ☆ 人工肌肉直线电机
☆ 超导电机 ☆ 电动机故障诊断
电动机： 将电能转换为机械能，驱动电力机械
电机
变压器，变流器，变频器，移相器：
进行信号的传递和转换，控制系统 中的执行，检测或解算元件
控制电机：分别用于改变电压，电流，频率和相位
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第一章 导 论
1.了解电机的作用与电机学的任务 2.掌握基本电磁定律 3.掌握铁磁材料的磁化特性
2020年5月4日星期一
武汉大学电气工程学院刘启胜
1.1 概 述
1.1.1 电机的定义
广义言之，电机可泛指所有实施电能生产、传输、 使用和电能特性变换的机械或装置。然而，由于生产、 传输、使用电能和实施电能特性变换的方式很多，原理 各异。作为电类相关学科，特别是电气工程学科的主要 技术基础课，电机学的主要研究范畴仅限于那些依据电 磁感应定律和电磁力定律实现机电能量转换和信号传递 与转换的装置。依此定义，严格地说，这类装置的全称 应该是电磁式电机，但习惯上已将之简称为电机。
圈提供，则： Hl＝Ni
螺管线圈
Ni：作用在磁路上的安匝数（磁路磁动势），单位A。
2020年5月4日星期一
武汉大学电气工程学院刘启胜
1.3.2 电磁感应定律
电流
产生
电磁感应
磁场
1831年法拉第 实验
闭合回路 m 变化
产生
感应电流
2020年5月4日星期一
武汉大学电气工程学院刘启胜
一、 电磁感应现象
永动机？ f
b
感应电动势的大小如何计算?
2020年5月4日星期一
武汉大学电气工程学院刘启胜
三、法拉第电磁感应定律
通过回路面积内的磁通量发生变化时，回路中产 生的感应电动势与磁通量对时间的变化率成正比。
e
k
d
dt
在SI制中比例系数K为1
e
d
dt
库仑定律
毕-沙定律 电磁感应定律
1 2I2
2020年5月4日星期一
武汉大学电气工程学院刘启胜
☆ 机电一体化 如果用正在发展的新型永磁无刷直流电动机代替普通 电动机,效果如下：
电冰箱：>1000万台/年，电量少15%
洗衣机：>1100万台，噪音降低10分贝，节 省电能50%，节水20%
2020年5月4日星期一
武汉大学电气工程学院刘启胜
永磁直流无刷直流电动机外形图
武汉大学电气工程学院刘启胜
1.1.4 电机的作用
☆ 能源系统的关键设备
电能——电机 发电——输电——用电
☆ 各领域中有特殊要求的动力装置
2020年5月4日星期一
武汉大学电气工程学院刘启胜
1.发电环节——各种电机
2020年5月4日星期一
引进600MW汽轮发电机
武汉大学电气工程学院刘启胜
2020年5月4日星期一
Ni Rm
Nim
则：
L
N2 Rm
N2m
N——线圈的匝数 m——磁路的磁导 Rm——磁路的磁阻
2020年5月4日星期一
武汉大学电气工程学院刘启胜
五、互感系数与互感电动势
因两个载流线圈中电流变化而 Φ12
在对方线圈中激起感应电动势 的现象称为互感应现象。
I1
Φ 21
I2
1) 互感系数(M)
若两回路几何形状、尺寸及相对位置不变， 周围无铁磁性物质。实验指出：
2020年5月4日星期一
武汉大学电气工程学院刘启胜
3.当前研究、开发与创新
（1）国内外与电机相关的研究领域 ☆ 精确模型研究
☆ 新能源技术（风力发电，波浪发电，高速 “电、热、 冷”三联供机组）
☆ 机电一体化(电机、电力电子与微电子结合)
☆ 特殊新用途（电磁发射，纳米电机）
2020年5月4日星期一
☆ 信息技术（雷达驱动） ☆ 航天航空航海 ☆ 生物医学工程（多种医疗设备）
2020年5月4日星期一
武汉大学电气工程学院刘启胜
1.2 电机发展历程及当前状况
1.历程
1833年 1885年 1889年
直流电机 异步电动机 三相系统
2020年5月4日星期一
武汉大学电气工程学院刘启胜
至今保留在美国麻省理工学院
的由爱迪生发明的一种直流电动机
2020年5月4日星期一
武汉大学电气工程学院刘启胜
2.我国目前实际应用情况
☆ 汽发：消化引进，设计600MW ☆ 700MW水发, 三峡电站
500kV输电线路以及相应的变压器 500kV直流输电，西电东送运行中 400MW燃气轮机联合循环机组
☆ 引进建设
600MW核电机组 各种电动汽车
☆ 超导电机 ☆ 电动机故障诊断
☆ 舰船驱动用电动机 ☆ 智能型电力电子变压器
2020年5月4日星期一
武汉大学电气工程学院刘启胜
1.3 电机学中的基本电磁定律
1.3.1 全电流定律
也称安培环路定律，沿空间任意条闭合回路，磁
场强度H的线积分等于该闭合回路所包围的电流的代
数和。 r r
ÑHdl i
l
其中
为了把发电厂发出的电力输送到四面八方 的用户，需要将发电机输出的 20 kV 左右的电 压升高。在我国，一般升高到220kV或500kV。 为了输送一定大小的功率、采用高电压。
20kV/500kV(220kV) 500kV(220kV)/110kV 110kV/35kV 35kV/10kV 10kV/380V
2020年5月4日星期一
武汉大学电气工程学院刘启胜
连接发电机与电网的升压变压器
连接发电机的 封闭母线
与电网相连 的高压出线端
2020年5月4日星期一
武汉大学电气工程学院刘启胜
3.用电环节——电动机 1）各行业广泛使用电动机
2020年5月4日星期一
武汉大学电气工程学院刘启胜
4.在高新技术领域的新应用
国产300MW汽轮发电机
武汉大学电气工程学院刘启胜
国产200MW汽轮发电机定子
2020年5月4日星期一
武汉大学电气工程学院刘启胜
国产200MW汽轮发电机定子铁心
2020年5月4日星期一
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现场运行的水轮发电机
2020年5月4日星期一
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2.输配电环节——变压器
其中
F=Ni：磁路的磁动势
HFelFe：铁心上的磁压降 Hδδ：气隙上的磁压降
带气隙的铁心磁路
注：i 与 l 符合右手螺旋关系,电机学中习惯大拇指所
指为 l 的方向，四指为多匝线圈中 i 方向。
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设有向回路 l 与圆 环的中心圆重合，则沿 着回线 l 磁场强度 H 处 处相等且其方向处处与 回线切线方向相同（称 为均匀磁场），同时闭 合回线所包围的总电流 由通有电流 i 的 N 匝线
武汉大学电气工程学院刘启胜
自感电动势：
eL
dm
dt
d (Li ) dt
LdII dL dt dt
若回路几何形状、尺寸不变，周围介质的磁导率不变，
则： dL 0 dt
自感电动势
eL =
L di dt
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自感系数L的大小：
L N
ii 由磁路欧姆定律：
Ψ
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磁通链数
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2. 自感系数与自感电动势
m LI
1）L的意义： 若 I = 1 A，则 L m
自感系数在数值上等于回路中通过单位电流时，通 过自身回路所包围面积的磁通量。
m LI
L的计算:
L=φm/I 单位：H ，mH , µH
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a
感应电流
f v
感应电流
b
产生
阻碍 产生
阻碍
导线运动 磁通量变化
楞次定律：感应电动势产生的感应电流方向，
总是使感应电流的磁场通过回路的磁通量阻碍原 磁通量的变化。
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判断感应电流的方向：
1、判明原磁场的方向；
2、确定原磁场磁通量的变化
i1
i2 i3
H： 磁场强度，安/米(A/m)
注：若i与l符合右手螺旋关
l
系， 取正号，否则取负号 。
其中大拇指所指为i的方向，四
H dl
指为l方向。
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当气隙长度δ远远小于两侧 的铁心截面的边长时， 铁心和
气隙中为均匀磁场，则
FN iH FelFeH
电动机： 将电能转换为机械能，驱动电力机械
电机
变压器，变流器，变频器，移相器：
进行信号的传递和转换，控制系统 中的执行，检测或解算元件
控制电机：分别用于改变电压，电流，频率和相位
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1.1.3 电机中所用的主要材料
已经知道电机是进行机电能量转换或讯号转换的机 械电磁装置，由此，电机中所用的材料无外乎： 1）导电材料：构成电机中的电路系统，为了减少损耗， 要求材料的电阻率小，常用的有紫铜和铝。 2）导磁材料：构成电机中的磁路系统，要求材料具有 较高的导磁率和较底的铁耗系数，常用硅钢片、钢板和 铸钢。
S N
G
a
N
S
b
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S N
G
a
b
1
当回路 1中电流
发生变化时，在 回路 2中出现感
ε
应电动势。
R
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NHale Waihona Puke SΦm 2G
m B •d S B dc S os电
S
S
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3）绝缘材料：作为带电体之间及带电体与铁心间的电 气隔离，要求耐热好，介电性能高。
1.了解电机的作用与电机学的任务 2.掌握基本电磁定律 3.掌握铁磁材料的磁化特性
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1.1 概 述
1.1.1 电机的定义
广义言之，电机可泛指所有实施电能生产、传输、 使用和电能特性变换的机械或装置。然而，由于生产、 传输、使用电能和实施电能特性变换的方式很多，原理 各异。作为电类相关学科，特别是电气工程学科的主要 技术基础课，电机学的主要研究范畴仅限于那些依据电 磁感应定律和电磁力定律实现机电能量转换和信号传递 与转换的装置。依此定义，严格地说，这类装置的全称 应该是电磁式电机，但习惯上已将之简称为电机。
圈提供，则： Hl＝Ni
螺管线圈
Ni：作用在磁路上的安匝数（磁路磁动势），单位A。
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1.3.2 电磁感应定律
电流
产生
电磁感应
磁场
1831年法拉第 实验
闭合回路 m 变化
产生
感应电流
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一、 电磁感应现象
永动机？ f
b
感应电动势的大小如何计算?
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三、法拉第电磁感应定律
通过回路面积内的磁通量发生变化时，回路中产 生的感应电动势与磁通量对时间的变化率成正比。
e
k
d
dt
在SI制中比例系数K为1
e
d
dt
库仑定律
毕-沙定律 电磁感应定律
1 2I2
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☆ 机电一体化 如果用正在发展的新型永磁无刷直流电动机代替普通 电动机,效果如下：
电冰箱：>1000万台/年，电量少15%
洗衣机：>1100万台，噪音降低10分贝，节 省电能50%，节水20%
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永磁直流无刷直流电动机外形图
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1.1.4 电机的作用
☆ 能源系统的关键设备
电能——电机 发电——输电——用电
☆ 各领域中有特殊要求的动力装置
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1.发电环节——各种电机
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引进600MW汽轮发电机
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Ni Rm
Nim
则：
L
N2 Rm
N2m
N——线圈的匝数 m——磁路的磁导 Rm——磁路的磁阻
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五、互感系数与互感电动势
因两个载流线圈中电流变化而 Φ12
在对方线圈中激起感应电动势 的现象称为互感应现象。
I1
Φ 21
I2
1) 互感系数(M)
若两回路几何形状、尺寸及相对位置不变， 周围无铁磁性物质。实验指出：
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3.当前研究、开发与创新
（1）国内外与电机相关的研究领域 ☆ 精确模型研究
☆ 新能源技术（风力发电，波浪发电，高速 “电、热、 冷”三联供机组）
☆ 机电一体化(电机、电力电子与微电子结合)
☆ 特殊新用途（电磁发射，纳米电机）
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☆ 信息技术（雷达驱动） ☆ 航天航空航海 ☆ 生物医学工程（多种医疗设备）
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1.2 电机发展历程及当前状况
1.历程
1833年 1885年 1889年
直流电机 异步电动机 三相系统
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2.我国目前实际应用情况
☆ 汽发：消化引进，设计600MW ☆ 700MW水发, 三峡电站
500kV输电线路以及相应的变压器 500kV直流输电，西电东送运行中 400MW燃气轮机联合循环机组
☆ 引进建设
600MW核电机组 各种电动汽车
☆ 超导电机 ☆ 电动机故障诊断
☆ 舰船驱动用电动机 ☆ 智能型电力电子变压器
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1.3 电机学中的基本电磁定律
1.3.1 全电流定律
也称安培环路定律，沿空间任意条闭合回路，磁
场强度H的线积分等于该闭合回路所包围的电流的代
数和。 r r
ÑHdl i
l
其中
为了把发电厂发出的电力输送到四面八方 的用户，需要将发电机输出的 20 kV 左右的电 压升高。在我国，一般升高到220kV或500kV。 为了输送一定大小的功率、采用高电压。
20kV/500kV(220kV) 500kV(220kV)/110kV 110kV/35kV 35kV/10kV 10kV/380V
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连接发电机与电网的升压变压器
连接发电机的 封闭母线
与电网相连 的高压出线端
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3.用电环节——电动机 1）各行业广泛使用电动机
2020年5月4日星期一
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4.在高新技术领域的新应用
国产300MW汽轮发电机
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国产200MW汽轮发电机定子
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国产200MW汽轮发电机定子铁心
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现场运行的水轮发电机
2020年5月4日星期一
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2.输配电环节——变压器
其中
F=Ni：磁路的磁动势
HFelFe：铁心上的磁压降 Hδδ：气隙上的磁压降
带气隙的铁心磁路
注：i 与 l 符合右手螺旋关系,电机学中习惯大拇指所
指为 l 的方向，四指为多匝线圈中 i 方向。
2020年5月4日星期一
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设有向回路 l 与圆 环的中心圆重合，则沿 着回线 l 磁场强度 H 处 处相等且其方向处处与 回线切线方向相同（称 为均匀磁场），同时闭 合回线所包围的总电流 由通有电流 i 的 N 匝线
武汉大学电气工程学院刘启胜
自感电动势：
eL
dm
dt
d (Li ) dt
LdII dL dt dt
若回路几何形状、尺寸不变，周围介质的磁导率不变，
则： dL 0 dt
自感电动势
eL =
L di dt
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自感系数L的大小：
L N
ii 由磁路欧姆定律：
Ψ
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磁通链数
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2. 自感系数与自感电动势
m LI
1）L的意义： 若 I = 1 A，则 L m
自感系数在数值上等于回路中通过单位电流时，通 过自身回路所包围面积的磁通量。
m LI
L的计算:
L=φm/I 单位：H ，mH , µH
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a
感应电流
f v
感应电流
b
产生
阻碍 产生
阻碍
导线运动 磁通量变化
楞次定律：感应电动势产生的感应电流方向，
总是使感应电流的磁场通过回路的磁通量阻碍原 磁通量的变化。
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判断感应电流的方向：
1、判明原磁场的方向；
2、确定原磁场磁通量的变化
i1
i2 i3
H： 磁场强度，安/米(A/m)
注：若i与l符合右手螺旋关
l
系， 取正号，否则取负号 。
其中大拇指所指为i的方向，四
H dl
指为l方向。
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当气隙长度δ远远小于两侧 的铁心截面的边长时， 铁心和
气隙中为均匀磁场，则
FN iH FelFeH
电动机： 将电能转换为机械能，驱动电力机械
电机
变压器，变流器，变频器，移相器：
进行信号的传递和转换，控制系统 中的执行，检测或解算元件
控制电机：分别用于改变电压，电流，频率和相位
2020年5月4日星期一
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1.1.3 电机中所用的主要材料
已经知道电机是进行机电能量转换或讯号转换的机 械电磁装置，由此，电机中所用的材料无外乎： 1）导电材料：构成电机中的电路系统，为了减少损耗， 要求材料的电阻率小，常用的有紫铜和铝。 2）导磁材料：构成电机中的磁路系统，要求材料具有 较高的导磁率和较底的铁耗系数，常用硅钢片、钢板和 铸钢。
S N
G
a
N
S
b
2020年5月4日星期一
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S N
G
a
b
1
当回路 1中电流
发生变化时，在 回路 2中出现感
ε
应电动势。
R
2020年5月4日星期一
武汉大学电气工程学院刘启胜
NHale Waihona Puke SΦm 2G
m B •d S B dc S os电
S
S
2020年5月4日星期一
武汉大学电气工程学院刘启胜
3）绝缘材料：作为带电体之间及带电体与铁心间的电 气隔离，要求耐热好，介电性能高。