电机学概述

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：
H dl J ds
l s
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
i2
i1
i3
思考
dl
L
H
1、全电流定律（安培环路定律）（续）
对于仅存在载流导体的情况：
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 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：
0 r1
B=0H
O
B ( )
此时 B与 H 呈线性关系。
H( I )
磁性物质
磁性物质特点：磁畴。 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。
基本步骤: （由磁通 求磁通势F=NI ） (1) 分段，求各段磁感应强度 Bi 各段磁路截面积不同，通过同一磁通 ，故有： B1 , B2 , ... , Bn S1 S2 Sn (2) 求各段磁场强度 Hi 根据各段磁路材料的磁化曲线 Bi=f ( Hi) ,求B1， B2 ，……相对应的 H1， H2 ，……。 (3) 计算各段磁路的磁压降 （Hi li ） (4) 根据下式求出磁通势（ NI ）
(1) 在分析磁路时离不开“磁场”的概念； (2)在处理电路时一般可以不考虑漏电流，在处理磁路 时一般都要考虑漏磁通； (3)磁路欧姆定律和电路欧姆定律只是在形式上相似。 由于 不是常数，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； (4)在电路中，当 E=0时，I=0；但在磁路中，由于有 剩磁，当 F=0 时， 不为零；
F H l R
i i i i i i

c

s
mi
mi U mi
i i
F Ni H i li Rmi mi U mi
磁路与电路的比较 磁路
磁通势F 磁通
电路
电动势 E 电流 I 电流密度 J
磁感应强度B l 磁阻 R m
I N
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
集理论性、实用性为一体
课程内容（电机原理）
Rm
1 H A B
1 l A
U m H l 磁位降
1 l 磁阻 A
U m Rm
磁路基尔霍夫定律
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
B dS 0 0
S
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 的代数和 H dl J da
u e
欧姆定律
u Ri
5、牛顿第二运动定律
对平动刚体

对旋转刚体
dv f m dt
d T J dt
第三节 电机中所用的材料与磁路
绝缘材料 电路部分 －导电材料、
电机
磁路部分 － 导磁材料 结构部分－结构材料
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
r / 0 (0 4 10 H / m)
7
• 电机中使用的铁磁材料的典型相对磁导率 范围：2000－80000
三. 磁性材料的特性
按相对磁导率，将材料分为
• 非磁性物质：μ r约为1
• 磁性（铁磁）物质：μ 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
• 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。
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
i

对于等截面、磁密分布均匀、材料 + u1 一致的简单磁路 – 假设磁通为Φ ，磁动势为F=Ni，磁 路截面积为A，磁路平均长度为l
N1
N2
B da B A
s
B A
F N i H l
未来电机及其系统发展趋势（图）
新市场 能源有效利用系统 组合驱动
附加值、难易程度
新电磁模型 超高效率驱动 超高速、超小型、轻量 适应环境系统：清洁化、超低音化 剩余寿命诊断技术 全球化 对应成本硬件技术 智能电机 组合技术 时间 长寿命化 超高性能化技术
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 与磁场、磁路相关 电磁力定律 与等值电路相关 电路定律 与动力学问题相关 牛顿第二运动定律
H dl I
l
F
1
F
3
F
2
例： 按图中顺时针l1、l2取回路有 ：
i1
i2
N1
l1
l3
N2
l2
H1l1 H 2 l2 N1i1 N 2 i2
按图中顺时针l1、l3取回路有 ：
H1l1 H 3l3 N1i1
2、电磁感应定律
(1)线圈感应电动势:
当与线圈交链的磁链Ψ随时间变化时，线圈中将感应 电动势e，e的大小等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：
在例1(1)，(2)两种情况下，如线圈中通有同样大 小的电流0.39A，要得到相同的磁通 ，铸铁材料 铁心的截面积和硅钢片材料铁心的截面积，哪一 个比较小？ 【分析】 如线圈中通有同样大小的电流0.39A， 则铁心中的磁场强度是相等的，都是260 A/m。 查磁化曲线可得， B铸铁 = 0.05T、 B硅钢 =0.9T, B硅钢是B铸铁的17倍。 因 =BS，如要得到相同的磁通 ，则铸铁铁 心的截面积必须是硅钢片铁心的截面积的17倍。 结论：如果线圈中通有同样大小的励磁电流，要 得到相等的磁通，采用磁导率高的铁心材料，可 使铁心的用铁量大为降低。
d d e N dt dt
（式中N为线圈匝数）
2、电磁感应定律（续）
(2)运动导体感应电动势：
导体在磁场中运动切割磁力线，产生电动势：
e (v B ) dl
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：
e Blv
（方向用右手定则确定）
3、电磁力定律
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；
B
b •
B BJ B0
O
磁化曲线
H
思考
几种常见磁性物质的磁化曲线
B/T
1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 103 H/(A/m)
c b
c b
a 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
a H/(A/m) 1.0103
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. 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)。
If
N S N S
+ –
i0
u1
–

+
1
N1
直流电机的磁路 变压器的磁路
N2
简单磁路的几个概念
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
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
A
电阻 R A I + _ E R
l

F NI l Rm A