1绪论

电机学(上)华南理工大学电力学院曹江华caojianghua@2013.9课程介绍z必修课，专业基础课z64课时，4学分：考勤10%、课堂练习10%、期末考试80%z参考书籍：•《电机学》, 汤蕴璆主编, 机械工业出版社.•《电机学》, 李发海主编, 清华大学出版社.•《电机学》,汪国梁主编, 机械工业出版社.•《电机学习题解析》, 胡虔生主编, 中国水利电力出版社.•《电机学要点与解题》, 阎治安, 崔新艺编著, 西安交通大学出版社.电机学绪论¾电机中的基本电磁定律¾电机的基本概念¾电机的分类¾电机中使用的材料¾电机在国民中的作用¾课程任务内容及学习方法¾铁磁材料特性¾全电流定律¾电磁感应定律¾电磁力定律¾磁路基本定律及其计算方法¾磁路基本定律¾磁路计算方法¾自感和互感¾概述¾铁磁材料的磁导率¾磁化曲线¾磁滞与磁滞损耗¾涡流与涡流损耗¾铁耗一、概述1. 电机的基本概念电机是依据电磁感应定律和电磁力定律，由电路和磁路构成的能实现机电能量转换或信号传递与转换的装置。

e = B l v电路磁路f = B l i机械能电能变压器基本结构感应电机的基本结构感应电机外形图感应电机结构图感应电机的基本结构实物解剖图感应电机转子隐极同步电机结构实物图大型汽轮发电机定子铁心槽汽轮发电机完工后的定子汽轮发电机转子加工2. 电机的分类¾按运动方式分类电机¾按功能分类电机3. 电机中使用的材料①导电材料：铜线、铝线。

制成绕组，构成电路。

②导磁材料：0.35或0.5mm 厚硅钢片。

构成磁路。

③结构材料：铸铁、铸钢和钢板。

承受力。

④绝缘材料：聚酯漆、环氧树脂、玻璃丝带等。

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 等5个等级。

180155130120105允许温度O CH F B E A 绝缘等级4. 电机在国民经济中的作用①电力系统220k V =¾发电环节—各种发电机火力发电厂¾发电环节—各种发电机汽轮发电机组¾发电环节—各种发电机水力发电站¾发电环节—各种发电机水轮发电机组¾发电环节—各种发电机风力发电场输配电环节—变压器变电站输配电环节—变压器电力变压器②工业纺织车间②工业机加工车间③农业播种③农业抽水灌溉④交通运输⑤国防航空⑤国防航空⑥日常生活洗衣机电机空调电机5. 课程任务、内容及分析方法①课程任务：掌握几种典型电机的基本结构、电磁过程、运行特性和理论分析方法。

②课程内容：变压器、直流电机、交流电机的绕组电动势和磁动势、感应电机以及同步电机。

③电机学特点：理论性很强的技术基础理论课，同时又具有专业课的性质；既以高等数学、物理学、电路、电磁场等理论课为基础，又为后续电力系统、控制原理等专业课作准备。

分析电机的一般步骤：①各类电机的基本运行原理和结构；②根据结构的具体特点，分析各类电机内部的电磁关系；③根据内部的电磁关系，写出电磁过程的数学描述即数学模型，包括：基本方程式、等效电路和相量图；④利用上述数学模型分析计算各类电机的运行特性和性能指标。

运行特性主要是反映电动机机械量输出之间关系的机械特性和发电机输出电能质量的的外特性。

二、铁磁材料特性1. 铁磁材料的磁导率¾磁导率的定义μ= B/H¾非铁磁材料的磁导率μ≈μ= 4π×10-7H/m为常数¾铁磁材料的磁导率μFe>>μ0①μFe为非常数，随B的变化而变化②μFe③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，因随着H的增加而减小。

此μFe¾磁介质的分类：①非铁磁物质：如空气、铜、铝和绝缘材料等，磁导率近似等于真空磁导率，即相对磁导率μr ≈1②铁磁物质：如铁、钴、镍及它们的合金等，磁导率μFe 远大于真空磁导率μ0达数千甚至上万倍，即μFe >>μ0，或者说，铁磁物质相对磁导率μr >>1¾铁磁物质的磁化将铁磁物质放入磁场后，磁场会显著增强。

铁磁材料在外磁场中呈现很强的磁性，这一现象称为铁磁物质的磁化。

¾磁化机理铁磁物质内部有许多称为磁畴的天然磁化区，在未放入磁场时，磁畴的排列杂乱无章，其磁效应相互抵消对外不呈现磁性。

当放入磁场后，各磁畴沿外磁场方向转动而趋向一致,形成一附加磁场叠加在外磁场上。

磁畴（未磁化）磁畴（磁化）在外磁场H作用下，磁感应强度B将发生变化，二者之间的关系曲线称为磁化曲线，记为B=f(H)。

3. 磁滞与磁滞损耗¾磁滞概念¾剩磁¾矫顽力¾磁滞回线¾不同铁磁材料有不同的磁滞回线，且同一愈大，铁磁材料，Bm磁滞回线所包围的面积也愈大。

¾软磁材料：磁滞回线很窄，剩磁Br和矫顽力H c小，硅钢片、铸铁、铸钢等等。

磁导率较高, 用于制造电机和变压器的铁心。

¾硬磁材料：磁滞回线很宽，剩磁B r和矫顽力H c大，或叫永磁材料。

铁氧体、稀土钴、钕铁硼等。

剩磁B r大，可以用于制造永久磁铁。

¾基本磁化曲线：对同一铁磁材料，选择不同的H进行反复磁化，可得一系列大小不同的磁滞回线，将各磁滞回线在第一象限内的顶点联接起来得到的曲线称为基本磁化曲线。

¾磁滞损耗：铁磁材料在交变磁场作用下的反复磁化过程中，磁畴会不停转动，相互之间会不断摩擦，因而就要消耗一定的能量，产生功率损耗。

这种损耗称为磁滞损耗。

¾磁滞损耗的大小与磁滞回线的面积、电流频率f 和铁心体积V 成正比。

通常磁滞回线包围的面积与磁滞回线的最大值B m 的n 次方成正比，故有：式中，C h —磁滞损耗系数，取决于材料性质；对一般电工硅钢片，n =1.6~2.3。

¾由于硅钢片的磁滞回线面积很小，而且导磁性能好。

因此，大多数电机、变压器或普通电器的铁心都采用硅钢片制成。

h p fV HdB =∫ nh h mp C fB V =4. 涡流与涡流损耗¾涡流：铁磁材料在交变磁场将有围绕磁通呈涡旋状的感应电动势和电流产生，简称涡流。

¾涡流损耗：涡流在其流通路径上的等效电阻中产生的I2R损耗称为涡流损耗。

¾涡流损耗与磁场交变频率f2、厚2成正度d2和最大磁感应强度Bm比，与材料的电阻率ρ成反比。

¾要减少涡流损耗，首先应减小厚度，其次是增加涡流回路中的电阻。

电工钢片中加入适量的硅，制成硅钢片，显著提高电阻率。

5. 铁耗¾铁耗：铁磁材料在交变磁场作用时，磁滞损耗和涡流损耗是同时发生的。

因此，在电机和变压器的计算中，当铁心内的磁场为交变磁场时，常将磁滞损耗和涡流损耗合在一起来计算，并统称为铁心损耗，简称铁耗。

¾铁耗p Fe ∝f βB m 2。

其中1＜β＜2，β与材料性质有关。

对于一般的电工钢片，在正常的工作磁通密度范围内(1T<B m <1.8T)，有式中，C Fe —铁心的损耗系数；G —铁心重量。

1.32Fe Fe mp C f B G≈三、电机中的基本电磁定律1. 电路定律¾基尔霍夫电流定律：在电路中，对任意一个节点，电流的代数和恒等于零。

对于正弦交流电路，有0i∑=0 I ∑=&¾基尔霍夫电压定律：在电路中，对任何一个回路，若沿某一方向环绕一周，则回路内各段电压的代数和恒等于零。

或任何一个回路内所有电动势的代数和恒等于所有电压降的代数和。

对于正弦交流电路，有0u ∑=e u∑=∑或0 U ∑=&EU ∑=∑&&或2. 磁场基本知识 ¾ 磁通密度 B （简称磁 密或磁感应强度)磁通量Φ = ∫ B ⋅ dSS若对于均匀磁场，若B与S垂直，则Φ = BS磁链磁场强度H磁势B = μH2014-1-22F = NiΨ = NΦ413. 全电流定律-电生磁 ¾ 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。

¾ 电流是产生磁场 的源。

r v r ' r' ∫ Η ⋅ dl = ∫ ′ H ⋅ dl = ∑ I = I1 + I 2 − I3l l2014-1-22 423. 全电流定律-电生磁r v 式中：∫ Η ⋅ dl 是磁场强度矢量沿任意闭合线(常取磁通作为闭合回线)的线积分； ΣI 是穿过闭合回线所围面积的电流的代数和。

l∫lr v Η ⋅ dl = ∑ I安培环路定律电流正负的规定：任意选定一个闭合回线的围绕方向，凡是电流方向与闭合回线围绕 方向之间符合右螺旋定则的电流作为正、反之为负。

在均匀磁场中 Hl = NI所以安培环路定律将电流与磁场强度联系起来。

¾ 当磁路由不同材料构成时，可以将整个磁路按材料 及截面积的不同分成n段，每段内磁通密度和磁场 强度处处相等，全电流定律可写成∑Hk =1nk⋅ lk = ∑ Ni¾ 对于右图，有Ni = ∑ H k lk =H1l1 + H 2l2 + H δ δk =1 32014-1-22444. 电磁感应定律-磁生电 ¾ 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。

¾ 感应电动势倾向于在线 圈内产生电流，以阻止 Ψ的变化。

¾ 当电动势的正方向与磁 通方向符合右手螺旋法 则时，有dΨ dΦ e=− = −N dt dt2014-1-22 45¾ 感应电动势的分类： ① 变压器电动势：线圈和磁场相对静 止，由与线圈交链的磁通本身随时 间变化而产生的感应电动势。

dΦ dΨ e=− = −N dt dt② 运动电动势：由于线圈和磁场之间 存在相对运动导致线圈中磁链发生 变化而产生的感应电动势，也称为 切割电动势。

运动电动势的方向用 右手定则确定。

e = Blv2014-1-22 465. 电磁力定律-电能与机械能的转化 ¾ 磁场对电流的作用是磁场的基本特征之一。

对于长直 载流导体，若磁场与之垂直，则计算电磁力大小的公 式为 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。

式中电磁力F、磁场B和载流 导体 l 的关系由左手定则确定。

普通电机中，l 通常 沿轴线方向，而B沿径向方向。

2014-1-2247四、磁路基本定律及其计算方法1. 磁路基本定律 ¾ 磁路：与电路相仿，将磁通比拟为电流，则磁路是磁 通行经的路径。