電機學基礎知識

第1章電機學基礎知識

02二月2023山東理工大學電工電子教研室11.1電機的基本功能與主要類型1.3電機的制造材料1.2電機的基本原理1.1電機的基本功能與主要類型02二月2023山東理工大學電工電子教研室2一、按照能量轉換和信號傳遞所起的作用分類1.發(fā)電機

將機械能轉換為電能。2.電動機將電能轉換為機械能。3.變壓器、變流器、變頻機、移相器

變換電壓、電流、頻率、相位。4.控制電機

作為自動控制系統(tǒng)的控制元件，起檢測、放大、執(zhí)行和校正作用。電機定義：是指依據電磁感應定律實現電能的轉換或傳遞的一種電磁裝置。02二月2023山東理工大學電工電子教研室3二、按運動方式及電源性質分類電機靜止電機-----------------變壓器旋轉電機直流電機交流電機異步電機

同步電機控制電機直流發(fā)電機直流電動機異步發(fā)電機異步電動機同步發(fā)電機同步電動機電機與電力拖動的發(fā)展概況三、電、電機與電力拖動的發(fā)展史02二月2023山東理工大學電工電子教研室41.電與電機的發(fā)展概況在公元585年，泰勒斯發(fā)現了摩擦起電；

1672年格里凱解釋了摩擦起電；

1746年荷蘭的莫伸布洛克在萊頓鎮(zhèn)制造了萊頓瓶；

1752年美國的富蘭克林解釋了雷和電的關系。十八世紀末和十九世紀初，由于生產發(fā)展的需要，在電磁方面的研究工作發(fā)展的很快。1785年庫侖首先從實驗室中確定了電荷間的相互作用力，即庫侖定律，使電荷的概念開始有了定量的意義。電機與電力拖動的發(fā)展概況02二月2023山東理工大學電工電子教研室51820年丹麥的奧斯特從實驗室中發(fā)現了電流對磁針有力的作用，揭開了電學理論新的一頁；同一年德國的安培確定了通過有電流的線圈其作用與磁鐵相似，這指出了磁現象的本質問題；

1826年德國的歐姆在通過實驗而得出歐姆定律；電機與電力拖動的發(fā)展概況1831年英國的法拉第發(fā)現電磁感應定律，為研制各種電機奠定了重要的理論基礎；

法拉第與最早的發(fā)電機——法拉第盤02二月2023山東理工大學電工電子教研室61832年皮克斯在電磁感應理論的指導下，制造了第一臺發(fā)電機；電機與電力拖動的發(fā)展概況1833年楞次建立了確定感應電流方向的原則；

皮克斯發(fā)明的直流發(fā)電機其后他致力于電機理論的研究并闡明了電機的可逆性原理。

1834年雅比克制造出世界第一臺電動機，從而證明了實際應用電能的可能性。02二月2023山東理工大學電工電子教研室7

雅可比發(fā)明的世界上第一臺電動機模型與實用電動機02二月2023山東理工大學電工電子教研室8

1838年，俄國人用一臺直流電動機拖動輪船，以4km/h的速度逆流而上和順流而下，這是最早的實用電動機。

1845年用電磁鐵代替了永久磁鐵，此前電機中的磁極是用永久磁鐵制造的。電機與電力拖動的發(fā)展概況1866年，德國科學家西門子制成的第一臺自激式發(fā)電機，標志著制造大容量發(fā)電機技術的突破，具有劃時代的意義。02二月2023山東理工大學電工電子教研室9Siemens和他的自激式發(fā)電機02二月2023山東理工大學電工電子教研室101886年，特斯拉研制出兩相異步電動機。

特斯拉與他發(fā)明的兩相異步電動機1885年，費那里斯發(fā)現了兩相電流能產生旋轉磁場。02二月2023山東理工大學電工電子教研室11電機工程得以飛躍發(fā)展是與俄羅斯杰出的工程師多里沃－多勃羅沃爾斯基的工作分不開的，他是三相電路系統(tǒng)的創(chuàng)始者；他在1889年相繼發(fā)明和制造出三相異步電動機和三相變壓器，并首先采用了三相輸電線，使電機基本定型。一個多世紀以來，電機的基本結構似乎并沒有多大的變化，但電機的類型有了很大的發(fā)展，在運行性能、經濟指標等方面都有了很大的改進和提高。電機與電力拖動的發(fā)展概況02二月2023山東理工大學電工電子教研室12隨著自動控制系統(tǒng)和計算機裝置的發(fā)展，在一般旋轉電機的理論基礎上，又發(fā)展了許多種可靠性，高精度、快速響應的控制電機，成為電機學科的一個獨立的分支。我國的電機工業(yè)在建國以來發(fā)生了巨大的變化?，F在已建立了自己的工業(yè)體系，有統(tǒng)一的國家標準、統(tǒng)一的電機、變壓器系列，能生產成套的大、小型火力和水力發(fā)電設備，基本上能生產滿足國民經濟生產需要的各種電機。電機與電力拖動的發(fā)展概況02二月2023山東理工大學電工電子教研室132．電力拖動的發(fā)展概況最初電動機拖動代替了蒸汽或水力的拖動；當時電動機拖動生產機械的方式是通過天軸來實現的，稱為“成組拖動”。即由一臺電動機拖動一組生產機械，從電動機到各種生產機械的能量傳送以及在各生產機械之間的能量分配完全用機械的方式，靠天軸及機械傳動來實現。電動機遠離車間，車間內有大量的天軸、長皮帶和皮帶輪等，能量在傳遞過程中損耗大、效率低、易出事故，若電動機發(fā)生故障，成組的生產機械將停產，這是一種落后的拖動方式。電機與電力拖動的發(fā)展概況02二月2023山東理工大學電工電子教研室14二十世紀以來，生產機械上廣泛采用“單電機拖動系統(tǒng)”，即一臺生產機械由一臺單獨的電動機拖動；電動機與生產機械在結構上密切配合，從而進一步簡化機構容易實現生產機械運動的全部自動化。用一臺電動機拖動具有多個工作機構的生產機械，則機械內部仍保留著復雜的機械傳動機構；從上世紀三十年代起，廣泛采用了“多電機拖動系統(tǒng)”，即每一個工作機構用單獨電機帶動，這樣生產機械結構大大簡化；例對銑床來說共有3臺電機即主軸電機、進給電機和冷卻電機。電機與電力拖動的發(fā)展概況02二月2023山東理工大學電工電子教研室15隨著生產機械的發(fā)展，對上述單機、多機拖動系統(tǒng)提出了更高的要求：要求提高加工精度與工作速度，要求快速起動、制動及反轉。實現在寬廣范圍內調速及整個生產過程自動化等。完成這些任務，除電動機外，還需有其他裝置，組成自動化的電機拖動系統(tǒng)。隨著電機及電器制造工業(yè)及各種自動化元件的發(fā)展，自動電力拖動系統(tǒng)得到不斷的更新發(fā)展。最初采用的控制系統(tǒng)是繼電器—接觸器型的。屬于有觸點斷續(xù)控制系統(tǒng)。電機與電力拖動的發(fā)展概況02二月2023山東理工大學電工電子教研室16隨著電子技術的不斷發(fā)展，無觸點控制系統(tǒng)已被大量采用，從分離元件到集成電路，直到近幾年來的微機處理系統(tǒng)。由于有觸點控制系統(tǒng)有其獨特的優(yōu)點，目前仍被廣泛采用。建國以來，電力拖動自動化系統(tǒng)技術的發(fā)展有了很大的成績，建立了一些有一定電力拖動自動化水平的工廠，建立了一批科研與設計機構，自行設計和制造了一批具有一定水平的生產自動線。但與先進國家相比差距較大；控制電機方面，由于我們起步較晚，差距更大。電機與電力拖動的發(fā)展概況02二月2023山東理工大學電工電子教研室17電機與電力拖動的發(fā)展概況

專業(yè)技術基礎課程。了解各類電機的基本結構。

理解電機中的能量轉換關系。

掌握電機穩(wěn)態(tài)運行時的分析方法和運行性能。

理解電機穩(wěn)態(tài)運行時各種參數的物理意義，并能熟練應用等效電路和相量圖。通過實驗，掌握電機的基本實驗方法和電機使用的基本技能。四、本課程的性質和任務02二月2023山東理工大學電工電子教研室18電機與電力拖動的發(fā)展概況變壓器電機動力電機控制電機直流電機交流電機異步電機同步電機電機：發(fā)電機和電動機。電能機械能電動機發(fā)電機磁場水能熱能風能原子能五、教學內容02二月2023山東理工大學電工電子教研室191.2電機的基本原理一、磁感應強度磁感應強度B

表示磁場內某點磁場強弱和方向的物理量。磁感應強度B的大小磁感應強度B的方向

與電流的方向之間符合右手螺旋定則。磁感應強度B的單位:

特斯拉(T)，1T=1Wb/m2

1.2.1磁場的基本物理量02二月2023山東理工大學電工電子教研室20磁場的基本物理量二、磁通磁通：穿過垂直于B方向的面積S中的磁力線總數。

說明:

如果不是均勻磁場，則取B的平均值。在均勻磁場中=BS或

B=/S

磁感應強度B在數值上可以看成為與磁場方向垂直的單位面積所通過的磁通,故又稱磁通密度。磁通的單位:韋[伯](Wb)1Wb=1T·m2均勻磁場:

各點磁感應強度大小相等，方向相同的

磁場，也稱勻強磁場。02二月2023山東理工大學電工電子教研室21H與B的區(qū)別①H∝I，與介質的性質無關。②

B與電流的大小和介質的性質均有關。磁場的基本物理量磁場強度H的單位：安培/米（A/m)三、磁場強度磁場強度H

：表示磁場內某點磁場強弱和方向的物理量。是計算磁場時所引用的一個物理量，通過它來確定磁場與電流之間的關系。02二月2023山東理工大學電工電子教研室22磁場的基本物理量由實驗可測得：真空的磁導率為：真空磁導率是一個常數，將其它物質的磁導率和它比較是很方便的。四、磁導率磁導率：表示磁場媒質磁性的物理量，衡量物質的導磁能力。它與磁場強度的乘積就等于磁感應強度，即：磁導率的單位：亨/米（H/m）02二月2023山東理工大學電工電子教研室23磁場的基本物理量也即當磁場媒質是某種物質時某點的磁感應強度B與在同樣電流下真空時該點的磁感應強度B0之比的倍數。自然界的所有物質按磁導率的大小，大體上可分為磁性材料和非磁性材料。

相對磁導率

r：

任一種物質的磁導率和真空的磁導率0的比值。02二月2023山東理工大學電工電子教研室24磁通所通過的路徑稱為磁路。1.2.2磁路及其基本定律＋u－ΦΦ主磁通漏磁通磁路i02二月2023山東理工大學電工電子教研室25電機中常用的基本定律一、全電流安培環(huán)路定律沿任何一條閉合回線L，磁場強度H的線積分等于該閉合回線所包圍的電流的代數和

如果在均勻磁場中，沿著回線L

磁場強度H處處相等，則二、磁路的歐姆定律作用在磁路上的磁動勢

F

等于磁路內的磁通量Φ乘以磁阻

RmF稱為磁動勢02二月2023山東理工大學電工電子教研室26電機中常用的基本定律磁通量Φ等于磁通密度乘以面積

磁場強度等于磁通密度除以磁導率

于是W02二月2023山東理工大學電工電子教研室27電機中常用的基本定律三、磁路的基爾霍夫定律1.磁路的基爾霍夫第一定律或閉合面i1i2Φ1Φ2Φ302二月2023山東理工大學電工電子教研室28電機中常用的基本定律2.磁路的基爾霍夫第二定律02二月2023山東理工大學電工電子教研室29電機中常用的基本定律四、電磁感應定律在我們回顧的所有定律中這將是最重要的一個。簡單的說電磁感應定律就是變化的電場附近會產生變化的磁場，而變化的磁場附近會產生變化的電場。定義：無論何種原因使的與閉合線圈交鏈的磁鏈ψ隨著時間t變化時，線圈中將會產生感應電動勢e根據原因的不同，感應電動勢可分為以下兩類：02二月2023山東理工大學電工電子教研室30電機中常用的基本定律1.變壓器電動勢指線圈位置靜止不變，穿過線圈的磁通Ф發(fā)生變化，這樣在線圈內將產生感應電動勢，其大小與線圈的匝數和磁通變化率成正比，方向由楞次定律決定2.切割（運動）電動勢當磁場和線圈導體之間有相對運動時，使得穿過線圈的磁通隨著時間的變化而變化。此時的e叫做運動電動勢e=Blv方向由右手定則判定。02二月2023山東理工大學電工電子教研室313.自感系數L由自感系數的定義而由磁路的歐姆定律所以結論：當磁路為非線性時，自感系數是一個變量，隨磁路的飽和程度的增加而下降。稱為磁導電機中常用的基本定律02二月2023山東理工大學電工電子教研室32電機中常用的基本定律

五、電磁力定律載流導體在磁場中要受到力的作用，方向用左手定則判定。

f=Bil

在旋轉電機中，作用在轉子載流導體上的電磁力將使轉子受到一個力矩（等于力乘以轉子半徑），這個力矩稱之為電磁轉矩。電磁轉矩在電機的能量形態(tài)轉換起到重要的作用，以后會詳細研究它。

回顧右手定則，左手定則02二月2023山東理工大學電工電子教研室33電機中常用的基本定律六、電路定律（1）歐姆定律：u=iR（2）基爾霍夫第一定律（電流定律）∑i=0（3）基爾霍夫第二定律（電壓定律）在電路中，對任一回路，沿回路環(huán)繞一周，回路內所有元件的電壓代數和等于零，即∑u=0。1.3制造電機所用的材料02二月2023山東理工大學電工電子教研室341.3.1概述

制造材料主要包括：導磁材料、導電材料、絕緣材料、結構材料、散熱材料、冷卻材料、潤滑材料等。

導電材料：銅、鋁。導磁材料：各種成分的鑄鋼（電工鋼片）。

絕緣材料：各種絕緣紙、油性玻璃漆布、有機硅玻璃粘帶、酚醛玻璃纖維壓塑料······

絕緣等級

YAEBFHC容許工作溫度/℃90105120130155180＞18002二月2023山東理工大學電工電子教研室351.3.2磁性材料的磁性能一、高導磁性

磁性材料的磁導率通常都很高，即r1(如坡莫合金，其r可達2105)

。磁性材料能被強烈的磁化，具有很高的導磁性能。磁性材料主要指鐵、鎳、鈷及其合金等。磁性物質的高導磁性被廣泛地應用于電工設備中，如電機、變壓器及各種鐵磁元件的線圈中都放有鐵心。在這種具有鐵心的線圈中通入不太大的勵磁電流，便可以產生較大的磁通和磁感應強度。電機的制造材料02二月2023山東理工大學電工電子教研室36

這些小磁鐵叫做“磁疇”。磁疇（磁化前）磁疇（磁化后）在外磁場的作用下，磁疇順著外磁場方向轉向，排列整齊，顯示出磁性。

磁性物質具有高導磁性是由于內部有很多被強烈磁化的小磁鐵。電機的制造材料02二月2023山東理工大學電工電子教研室37電機的制造材料磁性物質由于磁化所產生的磁化磁場不會隨著外磁場的增強而無限的增強。二、磁飽和性BJ

磁場內磁性物質的磁化磁場的磁感應強度曲線；B0

磁場內不存在磁性物質時的磁感應強度直線；B

BJ曲線和B0直線的縱坐標相加即磁場的B-H

磁化曲線。OHBB0BJB?a?b磁化曲線當外磁場增大到一定程度時，磁性物質磁疇的磁場方向全部都轉向與外部磁場方向一致，磁化磁場的磁感應強度將趨向某一定值，如圖。02二月2023山東理工大學電工電子教研室38

B-H

磁化曲線的特征：

Oa段：B與H幾乎成正比地增加；

ab段：B的增加緩慢下來；

b點以后：B增加很少，達到飽和。OHBB0BJB?a?b有磁性物質存在時，B與H不成正比，磁性物質的磁導率不是常數，隨H而變。

有磁性物質存在時，與I不成正比。

磁性物質的磁化曲線在磁路計算上極為重要，其為非線性曲線，實際中通過實驗得出。

OHB,B磁化曲線B和與H的關系電機的制造材料02二月2023山東理工大學電工電子教研室39三、磁滯性

磁性材料在交變磁場中反復磁化，其B-H關系曲線是一條回形閉合曲線，稱為磁滯回線。磁性材料中磁感應強度B的變化總是滯后于外磁場變化的性質。磁滯回線OHB????BrHc剩磁感應強度Br(剩磁)：

當線圈中電流減小到零(H=0)時，鐵心中的磁感應強度。例如:永久磁鐵的磁性就是由剩磁產生的；自勵直流發(fā)電機的磁極，為了使電壓能建立，也必須具有剩磁。

電機的制造材料02二月2023山東理工大學電工電子教研室40磁滯回線OHB????BrHC但剩磁也存在著有害的一面，例如，當工件在平面磨床上加工完畢后，由于電磁吸盤有剩磁，還將工件吸住。為此要通入反向去磁電流，去掉剩磁，才能取下工件。矯頑磁力HC：使B=0所需的H值。磁性物質不同，其磁滯回線和磁化曲線也不同。電機的制造材料02二月2023山東理工大學電工電子教研室41

幾種常見磁性物質的磁化曲線a

鑄鐵b

鑄鋼c硅鋼片O0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0103H/(A/m)H/(A/m)123456