第一章 电机学
电机学第一章中国电力出版社
2021/6/26
e N d
dt
eBlv
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两种感应电势
线圈中磁链的变化 (1)磁通本身就是由交流电流所产生，也就是说磁通本
身随时间在变化着，这样产生的电势称为变压器电势 。（线圈与磁场相对静止）
(2)磁通本身不随时间变化，但由于线圈与磁场间有相对 运动而引起线圈中磁链的变化，这样产生的电势称为 运动电势或速度电势。 e=Blv
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2、磁通量
– 通过磁场中某一面积的磁感应线数称为通过 该面积的磁通量(磁通)，符号、单位Wb
• =BScos
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（三）磁场强度H、磁导率： B=H
– 磁导率，决定于介质性质，H／m。变化范围
很大。
– 真空磁导率0=4×10-7H／m – 非铁磁物质：如空气、铜、铝和绝缘材料等，
L N N F N I N N 2
II I
I
• 电机的电感（电抗）与电机磁路的饱和有关 • 电机的电感(电抗)与电机的电、磁结构有关 • 对应不同的磁通需引用多种不同的电抗
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（七）电磁感应定律
• 设有一线圈位于磁场中 ，当该线圈中的磁链 发生变化时，线圈中将有感应电动势(简称电 势)产生。感应电势的数值与线圈所匝链的磁 链的变化率成正比。感应电势的方向将倾向于 产生一电流，如电流能流通，该电流的磁化作 用将阻止线圈的磁链发生变化。
电机学
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电机学
绪论 变压器 交流电机共同理论 异步电机 同步电机
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第一章 绪 论
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第一章 绪论
电机学知识点讲义汇总
电机学知识点讲义汇总第一章 基本电磁定律和磁路电机的基本工作原理是建立在电磁感应定律、全电流定律、电路定律、磁路定律和电磁力定律等定律的基础上的，掌握这些基本定律，是研究电机基本理论的基础。
▲ 全电流定律全电流定律 ∑⎰=I Hdl l式中，当电流方向与积分路径方向符合右手螺旋关系时，电流取正号。
在电机和变压器的磁路计算中，上式可简化为∑∑=Ni Hl▲电磁感应定律 ①电磁感应定律 e=-dtd N dt d Φ-=ψ 式中，感应电动势方向与磁通方向应符合右手螺旋关系。
②变压器电动势磁场与导体间无相对运动，由于磁通的变化而感应的电势称为变压器电动势。
电机中的磁通Φ通常是随时间按正弦规律变化的，线圈中感应电动势的有效值为m fN E φ44.4=③运动电动势e=Blv④自感电动势 dtdiL e L -= ⑤互感电动势 e M1=-dt di 2 e M2 =-dtdi1 ▲电磁力定律f=Bli▲磁路基本定律 ① 磁路欧姆定律 Φ=A l Ni μ=mR F =Λm F 式中，F=Ni ——磁动势，单位为A ；R m =Alμ——磁阻，单位为H -1； Λm =lA R m μ=1——磁导，单位为H 。
② 磁路的基尔霍夫第一定律0=⎰sBds上式表明，穿入（或穿出）任一封闭面的磁通等于零。
③ 磁路的基尔霍夫第二定律∑∑∑==mRHl F φ上式表明，在磁路中，沿任何闭合磁路，磁动势的代数和等于次压降的代数和。
磁路和电路的比较第二章 直流电动机一、直流电机的磁路、电枢绕组和电枢反应 ▲磁场是电机中机电能量转换的媒介。
穿过气隙而同时与定、转子绕组交链的磁通为主磁通；仅交链一侧绕组的磁通为漏磁通。
直流电机空载时的气隙磁场是由励磁磁动势建立的。
空载时，主磁通Φ0与励磁磁动势F 0的关系曲线Φ0=f （F 0）为电机的磁化曲线。
从磁化曲线可以看出电机的饱和程度，饱和程度对电机的性能有很大的影响。
▲ 电机的磁化曲线仅和电机的几何尺寸及所用的材料有关，而与电机的励磁方式无关。
电机学1
第一章直流电机的原理与结构一、名词解释1、电枢：在电机结构中能量转换的主要部件或枢纽部分。
2、换向：直流电机元件的换向是元件从一条支路经过固定不动的电刷短路，进入另一条支路，电流方向的改变过程。
3、额定值：在正常的、安全的条件下，电气设备所允许的最大工作参数。
4、电机：机电能量（或机电信号）相互转换的机械电磁装置。
5、交流电机：交流电能与机械能量相互进行转换的机械电磁装置。
6、交流电动机：把交流电能转换为机械能量的机械电磁装置。
7、交流发电机：把机械能量转换为交流电能的机械电磁装置。
8、直流电机：直流电能与机械能量相互进行转换的机械电磁装置。
9、直流发电机：把机械能量转换为直流电能的机械电磁装置。
10、直流电动机：把直流电能转换为机械能量的机械电磁装置。
11、第一节距：同一元件的两有效件边在电枢圆周上所跨的距离。
12、第二节距：相邻两元件前一个元件的末边与后一个元件首边，在电枢圆周上所跨的距离。
13、第三节距：相邻两元件同名边（同为首边或末边）在电枢圆周上所跨的距离。
14、极距：相邻两个磁极轴线之间的距离。
15、电角度：磁场在空间变化一周的角度表示。
二、填空1、电机铁心损耗一般包括磁滞损耗、涡流损耗。
2、电机铁心损耗一般包括磁滞损耗、涡流损耗。
3、电机铁心损耗一般包括磁滞损耗、涡流损耗。
4、直流电机电枢反应是主磁场与电枢磁场的综合。
5、直流电机电枢反应是主磁场与转子磁场的综合。
6、直流电机电枢反应是主磁场与转子磁场的综合。
7、直流电机电枢反应是定子磁场与转子磁场的综合。
8、直流电机电枢反应是定子磁场与转子磁场的综合。
9、直流电机电枢反应是定子磁场与转子磁场的综合。
10、直流电机电枢反应是励磁磁场与转子磁场的综合。
11、直流电机电枢反应是励磁磁场与转子磁场的综合。
12、直流发电机电枢反应是励磁磁场与转子磁场的综合。
13、直流发电机电枢反应是主磁场与电枢磁场的综合。
14、直流电动机电枢反应是主磁场与转子磁场的综合。
电机学基础知识
对于某一电路，在任意时刻，沿任一回路，各支路电压的
代数和恒等于零。
ut 0
12
第1章 电机学基础知识
1.1.5 安培环路定律（全电流定律）
在磁场中，磁场强度H沿任意闭合回路 l 的线积分，等于
该闭合回路所包围的所有电流的代数和。 l Hdl i
i1
i2
i3 1. 对于通电螺线管，磁场是均匀
的，磁场强度H处处相等，总电
1.2.1 电机的磁路
磁路
主磁通
i1 ＋
u1 －
1 2
i2 ＋
u2 －
N
S
S
励磁绕组
漏磁通 变压器磁路
N
直流电机磁路
15
第1章 电机学基础知识
1.2.2 磁路定律
∮ 1. 安培环路定律 H dl = ∑i l 如图： ∑i = i1＋i2－i3
2. 磁路的欧姆定律
∮H dl = Hl = N i
l
② 软磁材料 B－H 曲线窄， Br 小、Hc 小。 用于制造变压器、电机等电器的铁心。
③ 矩磁材料 B－H 曲线形状接近矩形， Br 大、Hc 小。 用于计算机中，作记忆单元。
29
第1章 电机学基础知识
Φ
4. 铁心损耗
(1) 磁滞损耗 Ph (2) 涡流损耗 Pe
铜损耗使线圈发热，
铁损耗使铁心发热。 0.35mm
流由通有电流的匝线圈提供：
l
H lN i
H dl
13
第1章 电机学基础知识
2.工程中用到几何形状复杂的磁路，可以将磁路分成几 段，分别应用安培环路定律，再求电流的总和。
n
Hklk i
1
3.对于带气隙的铁心磁路，磁 场是不均匀的
电机学 第一章 绪论
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 第一章磁路
起始磁化曲线
oa段
ab段
bc段
cd段
膝点
饱和
铁磁材料 图1-7.
µ Fe = f ( H ) 磁化曲线见示意
� 应用: 设计电机和变压器时，为使主磁路内得 到较大的磁通量而又不过分增大励磁磁动势， 通常把铁心内的工作磁通密度选择在膝。 剩磁:去掉外磁场之后，铁磁材料内仍然保留的 磁通密度 B r 。 矫顽力:要使B值从减小到零，必须加上相应的反 向外磁场，此反向磁场强度Hc称为矫顽力。 磁滞:铁磁材料所具有的这种磁通密度B的变化滞 后于磁场强度H变化的现象。 磁滞现象是铁磁材料的另一个特性。
2．硬磁(永磁)材料 定义:磁滞回线宽、剩磁和矫顽力都很大的铁磁材 料称为硬磁材料，又称为永磁材料。 附图1-11b 磁性能指标 剩磁 矫顽力 最大磁能积
铸造型 铝镍钴
种类示意图
粉末型 铝镍钴
永磁材料 种类
铁氧体
稀土钴
钕铁硼
四、铁心损耗 1．磁滞损耗 定义: 铁磁材料置于交变磁场中时，磁畴相 互间不停地摩擦、消耗能量、造成损耗，这种 损耗称为磁滞损耗。 n 公式: p = C fB V
Hδ lδ = 385A
F = H FelFe + H δ lδ = 432.6 A
返回
2．简单并联磁路 定义:指考虑漏磁影响，或磁回路有两个以上分 支的磁路。 点击书本进入例题1-３
例 题
� [例1—3] 图1—14a所示并联磁路，铁心所 用材料为DR530硅钢片，铁心柱和铁轭的截面 积均为 A = 2 × 2 × 10 −4 m 2 ，磁路段的平均长 −3 度l = 5 ×10−2 m ，气隙长度 δ1 =δ2 = 2.5×10 m 励磁线圈匝数 N 1 = N 2 = 1000 匝。不计漏磁通，试求在气隙内产生 B δ =1．211T的磁通密度时，所需的励磁电流i。
电机学第1章磁路
涡流损耗
铁芯是有阻值的，当磁通交变时，铁芯中就会感应交变的电 势，进而在铁心内引起环流。这些环流通作涡流状流动，称 为涡流涡流引起的损耗，称为涡流损耗。
pw k w f B
2
2 m
思考：如何尽量减小涡流损耗？
• 为减小涡流损耗， 电机和变压器的铁 心都用含硅量较高 的薄硅钢片叠成。
后于磁场强度变化，通常在电机内也可理解为磁通落后于 激磁电流的现象，称为磁滞现象）。
磁滞回线：磁场强度H缓慢地循环变化，B－H曲线封 闭曲线 • 磁滞现象是铁磁材料的另一个特性。
B
Bm
b
a
Br
Hc
c f e
Hc
H
Hm
Hm
d
Bm
图1-7 铁磁材料的磁滞回线
基本磁化曲线：
对同一铁磁材料，选择不同的磁场强度进行反复 磁化，可得一系列大小不同的磁滞回线，再将各 磁滞回线的顶点联接起来，所得的曲线。
2.磁化曲线和磁滞回线
磁化曲线：将一块尚未磁化的铁磁材料进行磁化，当磁 场强度H由零逐渐增大时，磁通密度B将随之增大， 得到曲线B=f(H)。 特性：①具有高的导磁性能；②磁化曲线呈非线性（饱 和特性）它的磁化曲线具有饱和性，磁导率μFe不 是常数，且随H的变化而变化。 磁滞回线在oa段：当H增大→B增大，但B增大速度较慢 在ab段：当H增大→B增大，B增大速度快； 在bc段：B随H增大的速度又较慢； 在cd段：为磁饱和区（又呈直线段）。其中拐弯点b称 为膝点；c点为饱和点。 • 过了饱和点c，铁磁材料的磁导率趋近μ0。
R
k
mk
Fm
• 磁路和电路的比拟仅是一种数学形式上的类似、 而不是物理本质的相似。
电机学第一章 磁路
H
随着磁场强度H的增大，饱和程度增加，μFe减 小，Rm增大，导磁性能降低.
B
c b
B = f ( H)
d
μFe = f ( H )
a
B = μ0 H
H
设计电机和变压器时，为使主磁路内得到较大的 磁通量而又不过分增大励磁磁动势．通常把铁心 内的工作磁通密度选择在膝点附近
B
c b
膝点 饱和点
B = f ( H)
四、铁心损耗
1．磁滞损耗
定义: 铁磁材料置于交变磁场中时，磁畴相 互间不停地摩擦、消耗能量、造成损耗，这种 损耗称为磁滞损耗。 公式: n h h m
p = C fB V
应用:由于硅钢片磁滞回线的面积较 小，故电机和变压器的铁心常用硅钢片叠成。
2．涡流损耗
¾涡流：铁磁材料在交变磁场将 有围绕磁通呈蜗旋状的感应电动 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f， 厚度d和最大磁感应强度Bm的平 方成正比，与材料的电阻率成反 比。 ¾要减小涡流损耗，首先应减小 厚度，其次是增加涡流回路中的 电阻。电工硅钢片中加入适量的 硅，制成硅钢片，显著提高电阻 率
表1.1 磁路和电路对比表 序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 电 基本物理量 或基本定律 电 流 电 压 电 阻 电 导 电流密度 电导率 基尔霍夫 第一定律 基尔霍夫 第二定律 欧姆定律 路 符号或 定义 I U R=l/(γA) G=1/R J=I/A 单位 A V Ω S A/m2 S/m 磁 路 单 位 Wb A 1/H H Wb/m2(T) H/m 基本物理量或 符号或 基本定律 定义 磁 通 φ F 磁动势 磁 阻 磁 导 磁通密度 磁导率 磁通连续性 原理 Rm=l/(μA)
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3. 陈世元主编 《电机学》. 中国电力出版社。
4. 李发海主编 《电机学》.科学出版社。
建议参考习题册
1.《电机学习题解答》.熊永前主编.华中科技大学出版社。
2.《新编电机学题解》.孙克军主编.华中科技大学出版社。 3.《电机学实例解析》.龚世缨主编.华中科技大学出版社。 4.《电机学习题与题解》.孙旭东主编.科技出版社。
为过原点直线
2、在铁磁材料中：
B H
不为常数
磁化曲线:
B f (H )
如右图所示为一曲线
2、在铁磁材料中：
图中，C 点称为拐 点，拐点前为非饱和区 （线性区）；拐点后称 为饱和区。
问题：为什么铁磁材料的磁化曲线会存在拐点？
2、在铁磁材料中： 设计电机时，使其 工作在C点附近，若 工作在线性区说明铁 磁材料没有得到充分 利用，电机体积大， 浪费铁磁材料；若工 作在饱和区，虽然工 作电流增加很大，但 磁感应强度几乎不变，浪费电能，也浪费铜线。
三、磁滞性
将一块尚未磁化的铁磁
材料放在磁场中进行磁化，
反复磁化一个循环，形成一
磁滞回线：“a-b-c-d-e-f-a”
当H=0时，B=Br Br 称为剩余磁感应强度； 当B=0时，H=Hc， Hc 称为矫顽力。
1、铁磁材料产生磁滞的原因 在外磁场作用下，磁畴翻转，产生摩擦，由于 这种摩擦的存在，外磁场停止作用时，磁畴不能够 恢复到原来的状态，保留一定的剩磁，因此形成磁 滞和剩磁。
在自然界各种能源中，电能具有大规模集中
生产，远距离经济传输，智能化自动控制的突出
特点，电机是电能生产、传输、使用和控制的核 心装备，因此电机在现代社会所有行业和部门中
占据着重要的地位。
1. 对电力工业本身来说，电机是发电厂和变 电站的主要设备，完成电能的转换、传输和分配。
2. 在机械制造及各种工农业生产中广泛应用， 一个现代化的大中型企业，通常要装备几千台 乃至上万台不同型号的电机。
0 4 10 7 亨 米 (H/m)
2、铁磁材料 如：硅钢、铸钢、坡莫合金等这一类材料，它 们的导磁能力很强，称铁磁材料。
特点:
--- 磁导率
(1) 0 ( 是 0的几百 ~ 几千倍）
(2)
不是常数,其大小与材料所处的磁场强
弱有关
(3) 相对磁导率
r
r 0
电 机 学
主编 辜承林 陈乔夫 熊永前
说明几点
• 《电机学》是非常重要的专业基础课，是必修课。
共64学时，其中讲课48学时，实验16学时。
• 使用教材:
辜承林主编《电机学》第三版，华中科技大学出版社出版。
• 建议参考书:
1.王正茂主编《电机学》. 西安交通大学出版社。 2.马宏忠主编《电机学》.高教出版社。
2、铁磁材料分类 按照磁滞回线的形状分为软磁材料和硬磁材料。
软磁材料 硬磁材料。
磁滞回线窄，剩 磁小(如铸钢、硅 钢)，可制成变压 器和电机的铁芯
磁滞回线宽， 剩磁大(如铁氧体、 稀土铝合金）， 可制成永久磁铁。
3、基本磁化曲线
同一材料在不同的Hm值下有不同的磁滞回线, 选择不同的Hm反复磁化，得到一系列磁滞回线， 将其顶点连接起来，即为基本磁化曲线。
3. 在航空、航天、制导、定位、家用电器以
及自动办公设备等等都有电机的应用。
§1.2 磁场中的基本物理量 一、磁感应强度与磁通
1.磁感应强度B (磁通密度/磁密) 磁感应强度是表示磁场中某一点磁场强弱和方 向的物理量，是一个矢量。
F B LI
或
F BLI
F 或 F BLI B LI
F —载流导体在磁场中受到的电磁力，单位：(牛) L —导体长度，单位：（米）
Φ B
(Φ BS )
F NI HI (H ) l l 可得与之相似曲线：
Φ f (I )
4、铁芯损耗（铁耗）
磁滞损耗 铁芯损耗 涡流损耗
p Fe ph pw
ph 磁滞损耗 pw 涡流损耗
(1) 、磁滞损耗
磁滞损耗经验计算公式：
ph K h fBm V
I —导体中流过的电流，单位：（安）
B —磁感应强度，单位：（T / 特斯拉）
4 或 1特 10 高斯 1T 10 Gs
4
1mT 10Gs
2. 磁通
磁感应强度B与垂直于B的平面面积A的乘积， 称为磁通Φ，磁通Φ也是一个矢量。
Φ BA
单位：(韦伯/Wb）
2 2
1Wb 1T 1m 1Wb 10 Mx
r 0
r 2000 ~ 6000
电机所用的铁磁材料：
为什么铁磁材料会具有高导磁性呢？
因为在铁磁物质内部存在着许多很小的天然磁 化区域，相当于一块块小磁铁，称为磁畴。
二、磁饱和性
1、在非铁磁材料中：
B 0 H
0 4 10 H m
7
为常数 磁化曲线 B f ( H )
学习方法
1.上课注意听讲； 2.认真完成作业；
3.认真完成每一个实验。
第一章
§1.1 概述
一、什么是电机？
导论
电机是利用电磁感应原理进行能量转换的装置
二、电机分类
交流电机 电机 电机 变压器 直流电机
异步电动机 异步电机 异步发电机 同步电机 直流电动机 直流发电机 同步电动机 同步发电机
三、电机的用途
无单位
三、磁场强度 H
磁场强度H是计算磁场时引入的一个物理量, 也 是矢量,它与磁感应强度(磁密)B的关系为:
H
B
单位: 安/米(A/m)
F NI l l
F ---- 磁动势 (单位:安培A)
§1.3 铁磁材料的特性
一、高导磁性
在通电线圈中放入铁磁材料制成的铁心，线 圈中的磁场会大大增加，这种现象，叫做铁磁物 质的磁化，所以说铁磁材料具有高导磁性。 用相对磁导率表示：
式中： K h ---- 不同材料的计算系数
f ---- 电流频率 Bm ---- 磁感应强度（磁密）的最大值
V ---- 铁芯体积
1Mx 1Gs 1cm
单位：(麦克斯韦/Mx）
二、磁导率(或导磁率或导磁系数)
在工程上通常用磁导率来表示各种材料导磁能 力的强弱，并且根据导磁率大小，把各种材料分成 铁磁材料和非铁磁材料。
1、非铁磁材料
如：空气、木材、铜、铝等这一类材料，它们 的导磁能力很弱，其磁导率接近真空的磁导率，称 非铁磁材料。