1、電機學電機學吳峰吳峰河海大學能源與電氣學院河海大學能源與電氣學院2013.21.1 1.1 概述概述一、電機在國民經濟中的應用電機在國民經濟中的應用什么是電機什么是電機 電機是利用電磁原理進行能量轉換或信號傳遞的電氣設備，或把與電能有關的能量轉換成機械能，是實現電能的生產、變換、傳輸、分配、使用和控制的電磁機械裝置。電機廣泛應用于工業、農業、交通運輸、日常生活、國防、人造衛星等領域。第一章第一章 緒論緒論電機應用電機應用（1）發電機：發電設備（2）變壓器：輸電設備（3）電動機：用電設備二、電機的分類電機的分類形式很多，分類方式多樣：1按功能分類按功能分類q電動機 電機q發電機 機電q變壓器 電

2、電2按速度分類按速度分類q變壓器 n=0q 同步電機 n=同步速度n0 q 異步電機 nn0 , 但接近同步速n0 q 直流電機 n不定其中：n03000轉/分3按電流性質分類按電流性質分類q直流電機直流發電機 直流電動機q交流電機 交流電動機交流發電機變壓器4按運行情況分類按運行情況分類q旋轉電機q直線電機q靜止電機（變壓器）1.31.3電機的電磁基本理論電機的電磁基本理論電機中的三大物理量電機中的三大物理量:電、磁、機械 （機電能量轉換）* 電：以“路”的形式出現，線圈（繞組）構成電路，較熟；* 磁：以“場”的形式出現，本科階段一般以磁路進行分析；* 機：機械能，電機中與之相關的有轉矩、轉

3、速等。1.3.11.3.1描述磁場的物理量描述磁場的物理量一、磁通（ ）主磁通漏磁通磁通所通過的路徑稱為磁路激勵磁路中磁通的載流線圈稱為勵磁繞組或激磁繞組，勵磁線圈中的電流稱為勵磁電流；直流勵磁 恒定磁通 直流磁路交流勵磁 交變磁通 交流磁路二、磁壓磁壓是磁路中兩點間的磁位降落，即磁位降。在路徑上1、2間的磁位降為212112dlUmmmH H式中：Um為磁壓，單位為A（安培）；H為磁場強度矢量； 為標量磁位函數。mmH H三、磁阻磁阻類似于電路的電阻，但與電阻不同的是他不是一個能量損耗元件。與電路歐姆定律類似，磁阻的定義為：mmRU式中：Rm為磁阻，單位為H-1此式為磁路歐姆定律。做以下兩點

4、假定磁路所在區域的磁性材料是均質和各向同性的在垂直于磁通密度B的橫截面Am上，B均勻不變mBA再假定沿B方向的磁路長度lm上，磁場強度H不變mmmmmmAlBAHlUR式中： 為磁性材料的導磁系數， 。HB四、磁導磁導等于磁阻的倒數。mmR1磁導和磁阻描述磁場的特性，主要用來計算電感。1.3.21.3.2磁路基本定律磁路基本定律一、安培環路定律（全電流定律）v在磁場中，磁場強度矢量H沿任何一閉合路徑的線積分等于穿過該閉合路徑所包圍面積中流過電流的代數和。nKkIdlH1式中：電流方向與閉合回路繞行方向符合右手螺旋定則為正，反之為負磁動勢（F）：磁場由電流所激發，磁場回路中所匝鏈的電流的總和稱為

5、磁動勢。沿磁場中任一閉合回路，總磁動勢等于總磁壓磁動勢和磁壓的單位均為：AnKkIdlHF1二、電磁感應定律磁鏈：穿過線圈的磁通形成磁鏈。設，線圈有N匝，通過的電流產生匝鏈在線圈中的磁通為 ，那么磁鏈 為Nv當線圈中的磁鏈發生變化時，線圈中將產生感應電動勢dtdNdtde產生感應電動勢通常有以下兩種不同的方式：磁鏈本生是由交流電流產生的，也就是說磁鏈本身隨時間變化，這樣產生的電動勢被稱為變壓器電動勢磁場不變，由于線圈所包圍的面積改變，使得線圈中磁鏈的變化，這樣產生的電動勢稱為運動電動勢或速度電動勢， e=Blv三、電磁力、電磁轉矩通電導體在磁場中所受的力稱為電磁力BliFe發電機的本質：外力作

6、用于導體，使其以v運動，則輸入機械功率Fev；產生感應電勢e，與外電路形成電流i, 則輸出電功率ei。對于旋轉電機，導體上所受的電磁力乘以導體導旋轉軸之間的距離，得到電磁轉矩T。rFTe四、磁路定律1. 磁路的歐姆定律在閉合的磁路中，磁通等于作用于磁路上的磁動勢F與磁導的乘積，或者磁動勢等于磁通與磁阻的乘積；mmFRF關系與電路中的歐姆電路相類似。2. 磁路的基爾霍夫第一定律v穿出（或進入）任一閉合曲面的總磁通的代數和恒等于零，或穿出任一曲面的磁通量等于進入該曲面的磁通量。 003213. 磁路的基爾霍夫第二定律v任一閉合磁路上磁動勢的代數和恒等于該閉合磁路各段磁壓的代數和。ikUIF實質上是

7、安培環路定律的另一種表達形式。mmmRRRF3331114. 磁路和電路的關系eIRFRm4. 磁路和電路的關系例： 圖(a)為硅鋼片疊成的磁路（尺寸的單位：mm），圖(b)所示為硅鋼片的磁化曲線，勵磁線圈有1000匝。求當鐵芯中磁通為1103Wb時，勵磁線圈中的電流為多少？設鐵芯的疊片因數(疊片凈厚度與總厚度之比)為0.94.解1.鐵芯部分：鐵芯部分：鐵芯的凈面積為 Ai =2010-3401030.94=0.752103(m2)鐵芯磁路的平均長度為 Li=2(100+80)-6=354(mm)=0.354(m)鐵芯中的平均磁通密度為 由磁化曲線查得相應的鐵芯磁場強度為Hi=560Am。鐵芯

8、段磁路所需的磁動勢為 (A) TABii33. 1198iiiLHF 2氣隙部分氣隙部分不計氣隙處磁通的擴散現象，則氣隙磁通與鐵芯中的磁通相同，因為氣隙部分的面積為Ag =2010-340103=0.8103(m2)所以氣隙部分的感應強度、磁場強度和氣隙部分所需的磁勢為 3 3總體總體所需的總磁勢為FFI + Fg = 6162(A)線圈所需的勵磁電流為IFiN6.162 (A)要點：氣隙雖小，但所需的磁勢卻很大。甚至可忽略鐵芯的磁壓降。25. 1ggAB6010994. 0ggBH5964gggLHFH/m104701.3.31.3.3鐵磁材料的磁化曲線鐵磁材料的磁化曲線非鐵磁材料空氣、銅、

9、鋁和絕緣材料磁導率等于真空的磁導率，鐵磁材料鐵、鎳、鈷及其合金磁導率遠大于真空的磁導率，甚至上萬倍H/m10470v磁化曲線磁化曲線描述磁場兩個基本物理量磁通密度B和磁場強度H之間的關系；B-H曲線是磁性材料最基本的特性； 起始段：較小； 線性區：（較大）近似為直線 飽和區：很小，H增大，B基本不變v磁滯回線磁滯回線 磁滯現象：磁場強度從某一數值減小，曲線不沿原來的曲線變化，當H減小到0，B不為0 ； 磁滯回線：磁場強度緩慢循環變化，B-H曲線是一條封閉的曲線；圖中：Hc為矯頑磁力，Br為剩磁Hc較小軟磁材料容易被磁化，較小的外磁場產生較高的磁通密度外磁場消失，磁性基本消失Hc較大硬磁材料不容

10、易被磁化外磁場消失后，能保持相當強且穩定的磁性鐵心損耗導磁材料在交變的磁場中反復被磁化，將產生能量損耗，損耗被稱為鐵心損耗；鐵心損耗包括： 磁滯損耗：正比于頻率 渦流損耗：正比于頻率的平方，正比于疊片厚度的平方，所以用很薄的硅鋼片（0.30.5mm）而不用整塊鐵：恒定磁場中的靜止導磁體不會產生損耗。1.41.4電機的制造材料電機的制造材料q導電材料q鐵磁材料q絕緣材料q結構材料一、導電材料銅電機的繞組鋁鼠籠式異步電動機的轉子輸電線路炭、石墨電刷二、鐵磁材料軟磁材料電機和變壓器的鐵心鑄鋼、鑄鐵、電工鋼片硬磁材料永磁材料鑄造型鋁鎳鈷、粉末型鋁鎳鈷、鐵氧體等三、絕緣材料導體與導體間、導體和機殼或鐵心間必須用絕緣材料隔開；天然的、人工的、有機的和無機的；絕緣的壽命受溫度影響較大，在熱的作用下，絕緣材料會逐漸老化，即機械強度和絕緣性能逐漸喪失；變壓器油是一