華中科技大學(xué) 電機(jī)學(xué) 第一章 導(dǎo)論 ppt課件

1、電機(jī)學(xué)電機(jī)學(xué)Electric Machinery天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院2013.2（第（第1章章 導(dǎo)論）導(dǎo)論）電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院2姓名：耿強(qiáng)姓名：耿強(qiáng)系部：天津工業(yè)大學(xué)系部：天津工業(yè)大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院 電氣工程系電氣工程系研究方向：電機(jī)系統(tǒng)及其控制研究方向：電機(jī)系統(tǒng)及其控制辦公室：辦公室：4教教C區(qū)區(qū)203室室Email：QQ：1805031596電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院3選用教材：選用教材：電機(jī)學(xué)電機(jī)學(xué)作者：辜丞林作者：辜丞林 等等出版社：華中科技大學(xué)出版社出版社：華中科技大學(xué)出版社參

2、考書：參考書：電機(jī)學(xué)電機(jī)學(xué) （湯蘊(yùn)璆（湯蘊(yùn)璆 機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工業(yè)出版社 ）Electric Machinery （A. E. Fitzgerald 英文教材）英文教材）電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院4 考核方法：考核方法： 出勤出勤 = 15%課堂成績課堂成績 作業(yè)作業(yè) = 15%課堂成績課堂成績 期末考試期末考試 = 70%課堂成績課堂成績 總成績總成績 = 80%課堂成績課堂成績 + 20%實(shí)驗(yàn)成績實(shí)驗(yàn)成績電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院5 實(shí)驗(yàn)時(shí)間：實(shí)驗(yàn)時(shí)間： 第第8周周 周二（周二（4.16） 第四大節(jié)第四大節(jié) 1、2班班 周三（周三（4.17） 第四大節(jié)第四大節(jié)

3、 3、4班班 第第9周周 周二（周二（4.23）第四、五大節(jié)）第四、五大節(jié) 1、2班班 周三（周三（4.24）第四、五大節(jié)）第四、五大節(jié) 3、4班班 第第15周周 周二（周二（6.4）第四、五大節(jié)）第四、五大節(jié) 1、2班班 周三（周三（6.5）第四、五大節(jié)）第四、五大節(jié) 3、4班班 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：4D210 第第1 1章章 導(dǎo)論導(dǎo)論 概述概述 電機(jī)的發(fā)展歷程電機(jī)的發(fā)展歷程 電機(jī)中的基本電磁定律電機(jī)中的基本電磁定律 鐵磁材料鐵磁材料 磁路基本定律及計(jì)算方法磁路基本定律及計(jì)算方法 電機(jī)中的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過程電機(jī)中的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過程 電機(jī)的發(fā)熱與冷卻電機(jī)的發(fā)熱與冷卻 電機(jī)的分析研究方法電機(jī)的分析

4、研究方法第第1 1章章 導(dǎo)論導(dǎo)論 電機(jī)的基本概念電機(jī)的基本概念 電機(jī)的分類電機(jī)的分類 電機(jī)中使用的材料電機(jī)中使用的材料 概述概述 電機(jī)的作用和地位電機(jī)的作用和地位電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院81.1 概述概述 一、電機(jī)的基本概念一、電機(jī)的基本概念電機(jī)電機(jī)是依據(jù)是依據(jù)電磁感應(yīng)定律電磁感應(yīng)定律和和電磁力定律電磁力定律，由，由電路電路和和磁路磁路構(gòu)成的能實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量或信號(hào)傳遞與轉(zhuǎn)換構(gòu)成的能實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量或信號(hào)傳遞與轉(zhuǎn)換的電磁裝置。的電磁裝置。 e = B l vf = B l i機(jī)械能機(jī)械能電電 能能電路電路磁路磁路電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院9二、電機(jī)的分類二、電機(jī)的分類 按

5、運(yùn)動(dòng)方式分類按運(yùn)動(dòng)方式分類電電機(jī)機(jī) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院10按功能分類按功能分類電電機(jī)機(jī) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院11三、電機(jī)中使用的材料三、電機(jī)中使用的材料 導(dǎo)電材料：銅線。構(gòu)成電路。導(dǎo)電材料：銅線。構(gòu)成電路。 導(dǎo)磁材料：硅鋼片。構(gòu)成磁路。導(dǎo)磁材料：硅鋼片。構(gòu)成磁路。 結(jié)構(gòu)材料：鑄鐵、鑄鋼和鋼板。承受力。結(jié)構(gòu)材料：鑄鐵、鑄鋼和鋼板。承受力。 絕緣材料：聚酯漆、環(huán)氧樹脂、玻璃絲帶等。絕緣材料：聚酯漆、環(huán)氧樹脂、玻璃絲帶等。用于導(dǎo)體之間和各類構(gòu)件之間的絕緣處理。電用于導(dǎo)體之間和各類構(gòu)件之間的絕緣處理。電機(jī)常用絕緣材料按性能劃分為機(jī)常用絕緣材料按性能劃分為A、E

6、、B、F、H、C等等6個(gè)等級(jí)。如個(gè)等級(jí)。如B級(jí)絕緣材料可在級(jí)絕緣材料可在130下下長期使用，超過長期使用，超過130則很快老化，但則很快老化，但H級(jí)絕級(jí)絕緣材料允許在緣材料允許在180下長期使用。下長期使用。 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院12四、電機(jī)的作用和地位四、電機(jī)的作用和地位 地位：地位：作為電能生產(chǎn)、傳輸、使用和電能特性作為電能生產(chǎn)、傳輸、使用和電能特性變換的核心設(shè)備，電機(jī)在現(xiàn)代社會(huì)所有行業(yè)和變換的核心設(shè)備，電機(jī)在現(xiàn)代社會(huì)所有行業(yè)和部門中占據(jù)了重要的地位。部門中占據(jù)了重要的地位。汽輪發(fā)電機(jī)汽輪發(fā)電機(jī)水泵水泵電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院13第第1 1章章 導(dǎo)論導(dǎo)論

7、 直流電機(jī)的產(chǎn)生和形成直流電機(jī)的產(chǎn)生和形成 交流電機(jī)的形成和發(fā)展交流電機(jī)的形成和發(fā)展 電機(jī)理論和設(shè)計(jì)、制造技術(shù)的足部完善電機(jī)理論和設(shè)計(jì)、制造技術(shù)的足部完善 電機(jī)的發(fā)展歷程電機(jī)的發(fā)展歷程 電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院151.2 電機(jī)的發(fā)展歷程電機(jī)的發(fā)展歷程 一、直流電機(jī)的產(chǎn)生和形成一、直流電機(jī)的產(chǎn)生和形成 1821年，法拉第發(fā)現(xiàn)載流導(dǎo)體在磁場中受力的現(xiàn)象，年，法拉第發(fā)現(xiàn)載流導(dǎo)體在磁場中受力的現(xiàn)象，從而衍生出原始機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)；從而衍生出原始機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)； 1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律；年，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律；電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化

8、學(xué)院16 1832年，皮克西制成原始的旋轉(zhuǎn)磁極式直流發(fā)電機(jī)年，皮克西制成原始的旋轉(zhuǎn)磁極式直流發(fā)電機(jī)現(xiàn)代發(fā)電機(jī)的雛形；現(xiàn)代發(fā)電機(jī)的雛形； 1833年，楞次證明了電機(jī)的可逆原理；年，楞次證明了電機(jī)的可逆原理； 18341870年，永磁體勵(lì)磁轉(zhuǎn)變?yōu)榫€圈勵(lì)磁，他勵(lì)發(fā)年，永磁體勵(lì)磁轉(zhuǎn)變?yōu)榫€圈勵(lì)磁，他勵(lì)發(fā)展到自勵(lì)，環(huán)形繞組的應(yīng)用；展到自勵(lì)，環(huán)形繞組的應(yīng)用；電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院171873年，海夫納年，海夫納阿爾泰涅克發(fā)明了鼓形繞組；阿爾泰涅克發(fā)明了鼓形繞組；1880年，愛迪生提出了疊片鐵芯；年，愛迪生提出了疊片鐵芯；18841885年，出現(xiàn)了換向極、補(bǔ)償繞組以及碳刷；年，出現(xiàn)了換向極、

9、補(bǔ)償繞組以及碳刷；1886年，霍普金森兄弟確立了磁路歐姆定律；年，霍普金森兄弟確立了磁路歐姆定律；1891年，阿諾爾特建立了直流電樞繞組理論。年，阿諾爾特建立了直流電樞繞組理論。電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院18二、交流電機(jī)形成和發(fā)展二、交流電機(jī)形成和發(fā)展 1832年，單相交流發(fā)電機(jī)出現(xiàn)；年，單相交流發(fā)電機(jī)出現(xiàn)； 18761884年，單相交流電動(dòng)機(jī)不斷完善；年，單相交流電動(dòng)機(jī)不斷完善； 1885年，費(fèi)拉里斯與特斯拉年，費(fèi)拉里斯與特斯拉幾乎同時(shí)制成了感應(yīng)電動(dòng)機(jī)；幾乎同時(shí)制成了感應(yīng)電動(dòng)機(jī)；電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院19 1889年，多利夫年，多利夫多布羅夫斯基提出了三相制，

10、并多布羅夫斯基提出了三相制，并設(shè)計(jì)制造了三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)；設(shè)計(jì)制造了三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)； 18931899年，交流電機(jī)理論取得很多成果，如、年，交流電機(jī)理論取得很多成果，如、雙旋轉(zhuǎn)磁場理論、交軸磁場理論、雙反應(yīng)理論。雙旋轉(zhuǎn)磁場理論、交軸磁場理論、雙反應(yīng)理論。電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院20三、電機(jī)理論和設(shè)計(jì)、制造技術(shù)的逐步完善三、電機(jī)理論和設(shè)計(jì)、制造技術(shù)的逐步完善20世紀(jì)是電機(jī)發(fā)展史上的一個(gè)新時(shí)期：世紀(jì)是電機(jī)發(fā)展史上的一個(gè)新時(shí)期：電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院21電機(jī)相關(guān)理論：電機(jī)相關(guān)理論：電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院22電機(jī)相關(guān)理論：電機(jī)相關(guān)理論：電氣工程與自動(dòng)化

11、學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院23四、電機(jī)發(fā)展趨勢(shì)四、電機(jī)發(fā)展趨勢(shì) 超導(dǎo)技術(shù)有助于電機(jī)單機(jī)容量進(jìn)一步增大，效率超導(dǎo)技術(shù)有助于電機(jī)單機(jī)容量進(jìn)一步增大，效率與功率密度進(jìn)一步提高；與功率密度進(jìn)一步提高； 新型、特種電機(jī)與新原理、新結(jié)構(gòu)、新材料、新新型、特種電機(jī)與新原理、新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝、新方法聯(lián)系更加緊密；工藝、新方法聯(lián)系更加緊密； 自動(dòng)化、智能化電機(jī)系統(tǒng)將成為研究熱點(diǎn)；自動(dòng)化、智能化電機(jī)系統(tǒng)將成為研究熱點(diǎn)； 電機(jī)與電力電子以及計(jì)算機(jī)技術(shù)聯(lián)系愈加緊密。電機(jī)與電力電子以及計(jì)算機(jī)技術(shù)聯(lián)系愈加緊密。第第1 1章章 導(dǎo)論導(dǎo)論 電機(jī)中的基本電磁定律電機(jī)中的基本電磁定律 全電流定律全電流定律 電磁感應(yīng)定律電磁感

12、應(yīng)定律 電磁力定律電磁力定律電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院251.3 電機(jī)中的基本電磁定律電機(jī)中的基本電磁定律一、全電流定律一、全電流定律 全電流定律（安全電流定律（安培環(huán)路定律）：培環(huán)路定律）：磁場強(qiáng)度沿任意磁場強(qiáng)度沿任意的閉合路徑的線的閉合路徑的線積分等于閉合路積分等于閉合路徑包圍的導(dǎo)體電徑包圍的導(dǎo)體電流的代數(shù)和。流的代數(shù)和。 電流是產(chǎn)生磁場電流是產(chǎn)生磁場的源。的源。321IIIl dHl dll電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院26二、電磁感應(yīng)定律二、電磁感應(yīng)定律 只要與線圈交鏈的磁鏈只要與線圈交鏈的磁鏈發(fā)生了變化，線圈內(nèi)發(fā)生了變化，線圈內(nèi)就會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。就會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)

13、勢(shì)。 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)傾向于在線感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)傾向于在線圈內(nèi)產(chǎn)生電流，以阻止圈內(nèi)產(chǎn)生電流，以阻止的變化。的變化。 當(dāng)電動(dòng)勢(shì)的正方向與磁當(dāng)電動(dòng)勢(shì)的正方向與磁通方向符合右手螺旋法通方向符合右手螺旋法則，則則，則ddeNdtdt 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院27二、電磁感應(yīng)定律二、電磁感應(yīng)定律 導(dǎo)致磁通變換的原因：導(dǎo)致磁通變換的原因：磁通由時(shí)變電流產(chǎn)生；磁通由時(shí)變電流產(chǎn)生；磁通由線圈與磁場間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生。磁通由線圈與磁場間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生。式中：式中：eT為變壓器電動(dòng)勢(shì)，線圈與磁場相對(duì)靜止；為變壓器電動(dòng)勢(shì)，線圈與磁場相對(duì)靜止； ev為運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)（速度電動(dòng)勢(shì)、旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)或?yàn)檫\(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)（速度電動(dòng)勢(shì)、旋

14、轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)或 切割電動(dòng)勢(shì)）。切割電動(dòng)勢(shì)）。dddtxtxTveNNveetx 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院281. 變壓器電動(dòng)勢(shì)變壓器電動(dòng)勢(shì) 假設(shè)線圈與磁場相對(duì)靜止，與線圈交鏈的磁通隨時(shí)假設(shè)線圈與磁場相對(duì)靜止，與線圈交鏈的磁通隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化間按正弦規(guī)律變化 可得感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為可得感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為msin tTmmcossin90eeNtEt Eo電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院291. 變壓器電動(dòng)勢(shì)變壓器電動(dòng)勢(shì) 用有效值表示，則可得用有效值表示，則可得mmmmsin9024.442eEtEEfNfN電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院302. 運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì) 假設(shè)：

15、線圈匝數(shù)假設(shè)：線圈匝數(shù) N，兩邊平行，有效長度為，兩邊平行，有效長度為 l，寬度，寬度為為b，以速率，以速率 v 沿沿 方向運(yùn)動(dòng)；磁場方向運(yùn)動(dòng)；磁場 B( ) 不隨時(shí)間變不隨時(shí)間變化，方向垂直進(jìn)入屏幕?；较虼怪边M(jìn)入屏幕。 任意時(shí)刻穿過線圈的磁通為：任意時(shí)刻穿過線圈的磁通為： 運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)為：運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)為： 式中磁場、線圈運(yùn)動(dòng)方向和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之間的關(guān)系式中磁場、線圈運(yùn)動(dòng)方向和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之間的關(guān)系由由右手定則（發(fā)電機(jī)定則）右手定則（發(fā)電機(jī)定則）確定。確定。 dx bnxlB vnnneeNvl BxBxbN B lv 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院31電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)

16、化學(xué)院32三、電磁力定律三、電磁力定律 磁場對(duì)電流的作用是磁場的基本特征之一。通電磁場對(duì)電流的作用是磁場的基本特征之一。通電導(dǎo)體置于磁場中（電流方向與導(dǎo)體方向不平行）導(dǎo)體置于磁場中（電流方向與導(dǎo)體方向不平行）會(huì)受到力的作用，此力稱為會(huì)受到力的作用，此力稱為電磁力電磁力。 對(duì)于長直載流導(dǎo)體，若磁場與之垂直，則電磁力對(duì)于長直載流導(dǎo)體，若磁場與之垂直，則電磁力為為 F=B l i 這就是通常所說的這就是通常所說的電磁力定律電磁力定律，也叫畢奧，也叫畢奧-薩伐電薩伐電磁力定律。磁力定律。 式中電磁力式中電磁力F、磁場、磁場B和載流導(dǎo)體和載流導(dǎo)體 l 的關(guān)系由的關(guān)系由左手左手定則（電動(dòng)機(jī)定則）定則（電動(dòng)

17、機(jī)定則）確定。普通電機(jī)中，確定。普通電機(jī)中，l 通常沿通常沿軸線方向，而軸線方向，而B沿徑向方向。沿徑向方向。電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院33三、電磁力定律三、電磁力定律 電磁力作用于轉(zhuǎn)子的切向方向，即產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，稱電磁力作用于轉(zhuǎn)子的切向方向，即產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，稱為為電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩。單根導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為：。單根導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為：Ts=Fr = B l i r 對(duì)于對(duì)于N匝線圈所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為：匝線圈所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為：Tc= N l i r (B1-B2) 電機(jī)最大可能的電磁轉(zhuǎn)矩為電機(jī)最大可能的電磁轉(zhuǎn)矩為Tem= M N B l i D電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院3

18、4三、電磁力定律三、電磁力定律 在在電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)中，中，電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的原動(dòng)力，是驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的原動(dòng)力，電磁轉(zhuǎn)矩表現(xiàn)為驅(qū)動(dòng)性質(zhì)，電磁轉(zhuǎn)矩表現(xiàn)為驅(qū)動(dòng)性質(zhì)，電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。 在在發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)中，原動(dòng)機(jī)克服發(fā)電機(jī)中，原動(dòng)機(jī)克服發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩，電磁轉(zhuǎn)，電磁轉(zhuǎn)矩表現(xiàn)為制動(dòng)性質(zhì)，矩表現(xiàn)為制動(dòng)性質(zhì)，機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。第第1 1章章 導(dǎo)論導(dǎo)論 鐵磁材料特性鐵磁材料特性 鐵磁材料的磁導(dǎo)率鐵磁材料的磁導(dǎo)率 磁滯與磁滯損耗磁滯與磁滯損耗 渦流與渦流損耗渦流與渦流損耗 交流鐵芯損耗交流鐵芯損耗電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院361.4 鐵磁材料特性鐵磁

19、材料特性一、鐵磁材料的磁導(dǎo)率一、鐵磁材料的磁導(dǎo)率 磁導(dǎo)率的定義磁導(dǎo)率的定義 = B/H B為磁感應(yīng)強(qiáng)度（磁通密度），為磁感應(yīng)強(qiáng)度（磁通密度），H為磁場強(qiáng)度矢量為磁場強(qiáng)度矢量 鐵磁性材料包括鐵、鈷、鎳及它們的合金。鐵磁性材料包括鐵、鈷、鎳及它們的合金。 非導(dǎo)磁材料的磁導(dǎo)率均為常數(shù)，接近真空磁導(dǎo)率非導(dǎo)磁材料的磁導(dǎo)率均為常數(shù)，接近真空磁導(dǎo)率 0 = 410-7 H/m 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院37 鐵磁材料的磁導(dǎo)率鐵磁材料的磁導(dǎo)率 Fe Fe0 Fe為非常數(shù)，隨為非常數(shù)，隨B的變化而變化的變化而變化存在存在磁飽和現(xiàn)象磁飽和現(xiàn)象：當(dāng)鐵磁材料中的：當(dāng)鐵磁材料中的B達(dá)到一定的達(dá)到一定的程度

20、后，隨著程度后，隨著H 的增加，的增加，B的增加逐漸變慢，因的增加逐漸變慢，因此此 Fe隨著隨著H的增加而減小。的增加而減小。電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院38 磁化曲線磁化曲線 在外磁場在外磁場H作用下，磁感應(yīng)強(qiáng)度作用下，磁感應(yīng)強(qiáng)度B將發(fā)生變化，二者之將發(fā)生變化，二者之間的關(guān)系曲線稱為磁化曲線，記為間的關(guān)系曲線稱為磁化曲線，記為B=f(H)。電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院39三、磁滯與磁滯損耗三、磁滯與磁滯損耗 磁滯概念：磁滯概念：B變化滯變化滯后于后于H變化的現(xiàn)象。變化的現(xiàn)象。 不同鐵磁材料有不同不同鐵磁材料有不同的磁滯回線，且同一的磁滯回線，且同一鐵磁材料，鐵磁材料，

21、Bm愈大愈大，磁滯回線所包圍的，磁滯回線所包圍的面積也愈大。面積也愈大。剩磁密度矯頑力磁滯回線電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院40 軟磁材料軟磁材料：磁滯回：磁滯回線很窄。硅鋼片、線很窄。硅鋼片、鑄鐵、鑄鋼等等。鑄鐵、鑄鋼等等。 硬磁材料硬磁材料：磁滯回：磁滯回線很寬，或叫線很寬，或叫永磁永磁材料材料。鐵氧體、稀。鐵氧體、稀土鈷、釹鐵硼等。土鈷、釹鐵硼等。 基本磁化曲線基本磁化曲線電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院41 磁滯損耗磁滯損耗：鐵磁材料在交變磁場作用下的反復(fù)磁：鐵磁材料在交變磁場作用下的反復(fù)磁化過程中，磁疇會(huì)不停轉(zhuǎn)動(dòng)，相互之間會(huì)不斷摩化過程中，磁疇會(huì)不停轉(zhuǎn)動(dòng)，相互之間會(huì)

22、不斷摩擦，因而就要消耗一定的能量，產(chǎn)生功率損耗。擦，因而就要消耗一定的能量，產(chǎn)生功率損耗。這種損耗稱為磁滯損耗。這種損耗稱為磁滯損耗。 磁滯損耗的大小與磁滯回線的面積、電流頻率磁滯損耗的大小與磁滯回線的面積、電流頻率f 和鐵心體積和鐵心體積V 成正比。成正比。 由于硅鋼片的磁滯回線面積很小，而且導(dǎo)磁性能由于硅鋼片的磁滯回線面積很小，而且導(dǎo)磁性能好。因此，大多數(shù)電機(jī)、變壓器或普通電器的鐵好。因此，大多數(shù)電機(jī)、變壓器或普通電器的鐵心都采用硅鋼片制成。心都采用硅鋼片制成。電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院42 假設(shè)環(huán)形鐵芯假設(shè)環(huán)形鐵芯(鐵磁材料鐵磁材料)橫截面積為橫截面積為A，平均周長為，平均

23、周長為l，N匝數(shù)線圈緊密圍繞于鐵芯上，其中電流為匝數(shù)線圈緊密圍繞于鐵芯上，其中電流為i，鐵，鐵芯內(nèi)磁場強(qiáng)度為芯內(nèi)磁場強(qiáng)度為H，由全電流定律可得，由全電流定律可得 電源供給線圈的功率為電源供給線圈的功率為 忽略線圈電阻則有忽略線圈電阻則有l(wèi)HldiHlNiiN Hlpuid,dueNBAt ddBpuiAlHt電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院43 P即為在鐵芯中建立交變磁通、克服磁疇回轉(zhuǎn)所需要即為在鐵芯中建立交變磁通、克服磁疇回轉(zhuǎn)所需要的瞬時(shí)功率，其在一個(gè)周期的瞬時(shí)功率，其在一個(gè)周期T內(nèi)的平均值就是鐵芯磁內(nèi)的平均值就是鐵芯磁滯損耗：滯損耗： 根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)：根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)： Kh為不同材料的

24、計(jì)算系數(shù)；為不同材料的計(jì)算系數(shù)；為由試驗(yàn)確定的系數(shù)。為由試驗(yàn)確定的系數(shù)。h01ddTpp tfVH BThhmpK fB V電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院44三、渦流與渦流損耗三、渦流與渦流損耗 渦流：渦流：鐵磁材料在交變磁鐵磁材料在交變磁場將有圍繞磁通呈渦旋狀場將有圍繞磁通呈渦旋狀的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流產(chǎn)生，簡稱渦流。，簡稱渦流。 渦流損耗：渦流損耗：渦流在其流通渦流在其流通路徑上的等效電阻中產(chǎn)生路徑上的等效電阻中產(chǎn)生的的I 2R損耗稱為渦流損耗。損耗稱為渦流損耗。電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院45 渦流損耗與磁場交變頻率渦流損耗與磁場交變頻率f、厚度、

25、厚度d和最大磁感應(yīng)強(qiáng)和最大磁感應(yīng)強(qiáng)度度Bm的平方成正比，與材料的電阻率的平方成正比，與材料的電阻率 成反比。成反比。 式中，式中，K為電動(dòng)勢(shì)比例常數(shù)；為電動(dòng)勢(shì)比例常數(shù)； 要減少渦流損耗，首先應(yīng)減小厚度，其次是增加渦要減少渦流損耗，首先應(yīng)減小厚度，其次是增加渦流回路中的電阻。電工鋼片中加入適量的硅，制成流回路中的電阻。電工鋼片中加入適量的硅，制成硅鋼片，顯著提高電阻率。硅鋼片，顯著提高電阻率。22222mww0d12dK f d B Vpp電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院46四、鐵耗四、鐵耗 鐵耗：鐵耗：鐵磁材料在交變磁場作用時(shí)，磁滯損耗和鐵磁材料在交變磁場作用時(shí)，磁滯損耗和渦流損耗是同

26、時(shí)發(fā)生的。因此，在電機(jī)和變壓器渦流損耗是同時(shí)發(fā)生的。因此，在電機(jī)和變壓器的計(jì)算中，當(dāng)鐵心內(nèi)的磁場為交變磁場時(shí)，常將的計(jì)算中，當(dāng)鐵心內(nèi)的磁場為交變磁場時(shí)，常將磁滯損耗和渦流損耗合在一起來計(jì)算，并統(tǒng)稱為磁滯損耗和渦流損耗合在一起來計(jì)算，并統(tǒng)稱為鐵心損耗，簡稱鐵耗。鐵心損耗，簡稱鐵耗。 單位重量鐵耗單位重量鐵耗 式中，式中，p1/50為鐵耗系數(shù)（當(dāng)為鐵耗系數(shù)（當(dāng)Bm=1T、f = 50Hz時(shí)，時(shí)，每千克硅鋼片的鐵耗），范圍為每千克硅鋼片的鐵耗），范圍為1.052.5；為頻為頻率指數(shù)，范圍為率指數(shù)，范圍為1.21.6，與材料性質(zhì)有關(guān)。，與材料性質(zhì)有關(guān)。2Fe1 50m50fppB第第1 1章章 導(dǎo)論導(dǎo)

27、論 磁路基本定律及計(jì)算方法磁路基本定律及計(jì)算方法 磁路基本定律磁路基本定律 鐵芯磁路計(jì)算鐵芯磁路計(jì)算 永磁體磁路計(jì)算永磁體磁路計(jì)算 交流磁路特點(diǎn)交流磁路特點(diǎn)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院481.5 磁路基本定律及其計(jì)算方法磁路基本定律及其計(jì)算方法 基本概念基本概念 磁路：磁路：與電路相仿，將磁通比擬為電流，則磁路是磁與電路相仿，將磁通比擬為電流，則磁路是磁通行經(jīng)的路徑。通行經(jīng)的路徑。 磁通磁通分為主磁通和漏磁通，磁路對(duì)應(yīng)的分為主磁路和分為主磁通和漏磁通，磁路對(duì)應(yīng)的分為主磁路和漏磁路。漏磁路。 主磁通是實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換所需要的磁通，因此主磁主磁通是實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換所需要的磁通，因此主磁

28、路為主要的研究對(duì)象。路為主要的研究對(duì)象。 磁路計(jì)算磁路計(jì)算：確定磁動(dòng)勢(shì)：確定磁動(dòng)勢(shì)F、磁通、磁通和磁路結(jié)構(gòu)（如材和磁路結(jié)構(gòu)（如材料、形狀、幾何尺寸等）之間的關(guān)系。料、形狀、幾何尺寸等）之間的關(guān)系。電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院49一、磁路基本定律一、磁路基本定律主磁通主磁通平均磁路長度平均磁路長度漏磁通漏磁通電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院501、磁路歐姆定律、磁路歐姆定律假設(shè)忽略漏磁且磁路上的假設(shè)忽略漏磁且磁路上的磁場強(qiáng)度磁場強(qiáng)度H處處相等，由全電處處相等，由全電流定律可知：流定律可知：dHlNiHl因因H=B/ ，而，而B=/A，可得，可得式中，式中，F(xiàn)=Ni 為磁動(dòng)勢(shì)；

29、為磁動(dòng)勢(shì)；Rm= l /(A) 為磁阻；為磁阻； m = 1 / Rm為為磁導(dǎo)。磁導(dǎo)。mmNiFFlAR電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院512、磁路基爾霍夫第一定律、磁路基爾霍夫第一定律 進(jìn)入或穿出任一封閉面的總磁通量的代數(shù)和等進(jìn)入或穿出任一封閉面的總磁通量的代數(shù)和等于零，或穿入任一封閉面的磁通量恒等于穿出該封于零，或穿入任一封閉面的磁通量恒等于穿出該封閉面的磁通量。閉面的磁通量。0 圖示的有分支磁路：圖示的有分支磁路：1+2=3電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院523、磁路基爾霍夫第二定律、磁路基爾霍夫第二定律 任一閉合磁路上磁動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和恒等于磁壓降任一閉合磁路上磁動(dòng)勢(shì)的代數(shù)

30、和恒等于磁壓降的代數(shù)和。的代數(shù)和。mFNiHlR回路：回路： H1l1+H3l3=N1i1回路：回路： -H2l2-H3l3=-N2i2回路：回路： H1l1-H2l2=N1i1-N2i2l1l2l3電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院53磁路與電路的比較磁路與電路的比較磁路磁路電路電路磁通磁通 (Wb)電流電流 i (A)磁動(dòng)勢(shì)磁動(dòng)勢(shì) F (A)電動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì) e (V)磁阻磁阻 Rm (H-1)電阻電阻 R ()磁壓降磁壓降 Hl (A)電壓降電壓降 u (V)磁導(dǎo)磁導(dǎo) m (H)電導(dǎo)電導(dǎo) G (S)歐姆定律歐姆定律 = F/Rm歐姆定律歐姆定律 i=u/R基氏第一定律基氏第一定律 =0

31、基氏第一定律基氏第一定律 i=0基氏第二定律基氏第二定律 F=Hl=Rm基氏第二定律基氏第二定律 e=u=iR電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院54二、鐵芯磁路計(jì)算方法二、鐵芯磁路計(jì)算方法 磁路計(jì)算分為兩大類：磁路計(jì)算分為兩大類： 給定磁通給定磁通，求磁動(dòng)勢(shì)，求磁動(dòng)勢(shì)F。 給定磁動(dòng)勢(shì)給定磁動(dòng)勢(shì)F，求磁通，求磁通。 注：電機(jī)和變壓器設(shè)計(jì)中的磁路計(jì)算通常屬于第注：電機(jī)和變壓器設(shè)計(jì)中的磁路計(jì)算通常屬于第一種類型的問題。對(duì)于第二種類型的問題，一般一種類型的問題。對(duì)于第二種類型的問題，一般要用迭代法確定，編程由計(jì)算機(jī)完成。要用迭代法確定，編程由計(jì)算機(jī)完成。電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院5

32、5 1、串、串/并聯(lián)磁路計(jì)算并聯(lián)磁路計(jì)算 將磁路分段，保證每段的均勻性，即材料相同、截將磁路分段，保證每段的均勻性，即材料相同、截面積相等；面積相等； 計(jì)算各段磁路的截面積計(jì)算各段磁路的截面積Ax和平均長度和平均長度l ； 根據(jù)給定磁通根據(jù)給定磁通，由，由Bx=/Ax 確定各段內(nèi)的平均磁確定各段內(nèi)的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度（簡稱磁密）感應(yīng)強(qiáng)度（簡稱磁密）; 由磁密確定對(duì)應(yīng)的磁場強(qiáng)度由磁密確定對(duì)應(yīng)的磁場強(qiáng)度Hx ； 鐵磁材料由基本磁化曲線或相應(yīng)的數(shù)據(jù)表格確定，空氣鐵磁材料由基本磁化曲線或相應(yīng)的數(shù)據(jù)表格確定，空氣隙和非鐵磁性材料由隙和非鐵磁性材料由Hx=Bx/ 0。 計(jì)算各段磁路上的磁壓降計(jì)算各段磁路上的磁

33、壓降Hxlx ； 由磁路基爾霍夫第二定律計(jì)算由磁路基爾霍夫第二定律計(jì)算F 。電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院562、自感和互感、自感和互感 自感自感u 自感的大小與匝數(shù)的平方和自感的大小與匝數(shù)的平方和磁路的磁導(dǎo)成正比；磁路的磁導(dǎo)成正比；u 鐵心線圈的自感要比空心線鐵心線圈的自感要比空心線圈的大得多；圈的大得多；u 鐵心線圈的電感不是常數(shù)，鐵心線圈的電感不是常數(shù)，當(dāng)磁路飽和程度增加時(shí)，自當(dāng)磁路飽和程度增加時(shí)，自感下降。感下降。m2mm)()(NiNiNiFNiNiLN 線圈匝數(shù)線圈匝數(shù)m自感磁通所經(jīng)磁路的磁導(dǎo)自感磁通所經(jīng)磁路的磁導(dǎo)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院57互感互感m21

34、1m1121m121212121)()(NNiiNNiFNiNiMN1 -線圈線圈1的匝數(shù)的匝數(shù)N2 -線圈線圈2的匝數(shù)的匝數(shù)m-互感磁通所經(jīng)磁路的磁互感磁通所經(jīng)磁路的磁導(dǎo)導(dǎo)u 互感的大小與兩線圈匝數(shù)互感的大小與兩線圈匝數(shù)的乘積和互感磁通所經(jīng)磁的乘積和互感磁通所經(jīng)磁路的磁導(dǎo)成正比。路的磁導(dǎo)成正比。電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院583、交流磁路特點(diǎn)、交流磁路特點(diǎn) 在磁路計(jì)算方法上與直流磁路基本相同；在磁路計(jì)算方法上與直流磁路基本相同； 在磁化特性等方面有自身的特點(diǎn)在磁化特性等方面有自身的特點(diǎn) ； 鐵芯中會(huì)產(chǎn)生損耗（磁滯損耗和渦流損耗）；鐵芯中會(huì)產(chǎn)生損耗（磁滯損耗和渦流損耗）； 交流磁路

35、中要考慮外施電壓與線圈中感應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)平衡交流磁路中要考慮外施電壓與線圈中感應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)平衡，因而其幅值會(huì)比直流磁路中大很多，線圈電阻上的壓降，因而其幅值會(huì)比直流磁路中大很多，線圈電阻上的壓降相對(duì)較小，可忽略不計(jì)；相對(duì)較小，可忽略不計(jì)； 交流磁路中，磁通、電流為交流，存在波形和相位問題。交流磁路中，磁通、電流為交流，存在波形和相位問題。第第1 1章章 導(dǎo)論導(dǎo)論 電機(jī)中的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過程電機(jī)中的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過程電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院60機(jī)電能量轉(zhuǎn)換示意圖機(jī)電能量轉(zhuǎn)換示意圖 機(jī)械系統(tǒng)對(duì)于電動(dòng)機(jī)而言是負(fù)載，對(duì)于發(fā)電機(jī)而言是原動(dòng)機(jī)；機(jī)械系統(tǒng)對(duì)于電動(dòng)機(jī)而言是負(fù)載，對(duì)于發(fā)電機(jī)而言是原動(dòng)機(jī)

36、； 電氣系統(tǒng)對(duì)于電動(dòng)機(jī)而言是電源，對(duì)于發(fā)電機(jī)而言是負(fù)載；電氣系統(tǒng)對(duì)于電動(dòng)機(jī)而言是電源，對(duì)于發(fā)電機(jī)而言是負(fù)載； 能量轉(zhuǎn)換過程在某種條件下是可逆的，遵循能量守恒原理；能量轉(zhuǎn)換過程在某種條件下是可逆的，遵循能量守恒原理； 能量轉(zhuǎn)換過程中，能量表現(xiàn)為四種形態(tài)：電能、機(jī)械能、磁場能量轉(zhuǎn)換過程中，能量表現(xiàn)為四種形態(tài)：電能、機(jī)械能、磁場儲(chǔ)能和熱能。儲(chǔ)能和熱能。1.6 電機(jī)中的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過程電機(jī)中的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過程電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院61電機(jī)能量平衡關(guān)系電機(jī)能量平衡關(guān)系 機(jī)械能機(jī)械能Wmec= 磁場儲(chǔ)能增量磁場儲(chǔ)能增量 Wm+熱能損耗熱能損耗PT 電能電能We “ ”分別表示發(fā)電機(jī)和電動(dòng)

37、機(jī)，發(fā)電機(jī)取分別表示發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)，發(fā)電機(jī)取“+”，電動(dòng)機(jī)取，電動(dòng)機(jī)取“ - ”； 熱能損耗包括：電阻損耗熱能損耗包括：電阻損耗pCu，鐵芯損耗，鐵芯損耗pFe，機(jī)械摩擦損耗，機(jī)械摩擦損耗pmec； （Wmec- pmec ）= （ Wm+pFe） （We+pCu）電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院62耦合磁場的作用耦合磁場的作用 電機(jī)進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵是耦合磁場對(duì)電氣系統(tǒng)電機(jī)進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵是耦合磁場對(duì)電氣系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的作用與反作用；和機(jī)械系統(tǒng)的作用與反作用； 耦合磁場對(duì)電氣系統(tǒng)的作用或反作用是通過感應(yīng)電動(dòng)耦合磁場對(duì)電氣系統(tǒng)的作用或反作用是通過感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)表現(xiàn)出來的；勢(shì)表現(xiàn)出

38、來的； 耦合磁場對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的作用或反作用是通過電磁力或耦合磁場對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的作用或反作用是通過電磁力或電磁轉(zhuǎn)矩表現(xiàn)出來的；電磁轉(zhuǎn)矩表現(xiàn)出來的； 耦合場即為電機(jī)中的氣隙場。耦合場即為電機(jī)中的氣隙場。第第1 1章章 導(dǎo)論導(dǎo)論 電機(jī)的發(fā)熱和冷卻電機(jī)的發(fā)熱和冷卻 電機(jī)的發(fā)熱和冷卻過程電機(jī)的發(fā)熱和冷卻過程 電機(jī)的絕緣材料和允許溫升電機(jī)的絕緣材料和允許溫升 電機(jī)的冷卻介質(zhì)和冷卻方式電機(jī)的冷卻介質(zhì)和冷卻方式電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院64一、電機(jī)的發(fā)熱與冷卻過程一、電機(jī)的發(fā)熱與冷卻過程 均質(zhì)等溫體的發(fā)熱曲線均質(zhì)等溫體的發(fā)熱曲線 均質(zhì)等溫體的冷卻曲線均質(zhì)等溫體的冷卻曲線 實(shí)際電機(jī)的發(fā)熱和冷卻過程較均質(zhì)等溫體復(fù)雜很多，但圖中所實(shí)際電機(jī)的發(fā)熱和冷卻過程較均質(zhì)等溫