第一章导轮.

第一章导论第二章直流电机第三章变压器第四章交流电机绕组的基本理论第五章异步电机第六章同步电机第1章导论概述电机的基本概念电机的分类电机中使用的材料电机中的基本电磁定律全电流定律电磁感应定律电磁力定律铁磁材料特性铁磁材料的磁导率磁化曲线磁滞与磁滞损耗涡流与涡流损耗铁耗磁路基本定律及其计算方法磁路基本定律磁路计算方法自感和互感1.1概述电机学是电气工程学科的主要技术基础课1.1.1电机的定义广义：电机可泛指所有实施电能生产、传输、使用和电能特性变换的机械或装置。狭义：在电气工程学科中，电机学的主要研究范畴仅限于依据电磁感应定律和电磁力定律实现机电能量转换和信号传递与转换的装置；或说：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=Blvf=Bli机械能电能电路磁路1.1.2电机的主要类型按运动方式分类按功能分类电机电机需要指出的是，发电机和电动机只是电机的两种运动形式，从基本原理上看，他们本身是可逆的。也就是说，同一台电机，既可以作发电机运行，也可作电动机运行，只是从设计要求和综合性能考虑，其技术性和经济性未必兼得。电机的基本结构：电机的基本任务是实现机电能量转换，而前提也就是必须能够产生机械上的相对运动。对于旋转电机，在结构上就必须要求有一个静止部分和一个旋转部分，而且两者之间还要有一个适当的间隙。在电机学中，静止部分称为定子，旋转部分称为转子，间隙称为气隙。气隙中的磁场分布及其变化规律在能量转换过程中起决定性作用。1.1.3电机中使用的材料电机中有电路和磁路，因此要有良好的导电材料和导磁材料。导电材料要求导电性能好，电阻损耗小，一般选用紫铜材料。导磁材料又叫铁磁材料，主要采用硅钢片硅钢片，亦称电工钢片，其导磁率极高，这样能够减少电机体积，降低励磁损耗，但会有磁滞损耗。除上述两种材料外，还要有使电机成为一个整体的结构材料；还要有介电强度高、耐热性能好的绝缘材料。1.3电机中的基本电磁定律1.3.1全电流定律—安培环路定律在电机中不存在运流电流，位移电流，则麦柯斯韦第一方程（全电流定律）积分形式可以表述为如下。IdlHL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。电流是产生磁场的源。321IIIldHldΗll1.3.2电磁感应定律当一个匝数为N的线圈与磁场相交链时，则产生的电动势为dtdNdtde亦称楞次定律。式中负号表明电动势将产生的电流所激励的磁场总是倾向于阻止线圈中的磁链的变化。导致磁通变化的原因可归为两大类：一类是磁通由交变电流产生，即磁通是时间t的函数；另一类是线圈与磁场间有相对运动，即磁通是位移变量x的函数。则dxxdttd从而有：VTeexNvtNe其中：eT为变压器电动势；eV为速度电动势。下面分别讨论1.eT变压器电动势设线圈与磁场相对静止，与线圈交链的磁通随时间变化，按正弦规律变化，即tmsin则：)90sin(cos0tEtNeemmT该式表明电动势变化规律与磁通相同，但在相位上之后900。感应电动势的有效值mmmmfNfNNEE44.42222.运动电动势如图，设匝数为N的线圈在恒定磁场（B不随时间变化，但随ζ按一定规律分布）中以速度v沿ζ方向运动，线圈两边平行，但与ζ垂直，宽度为b,有效长度为l，距原点距离为x，则任意时刻穿过线圈的磁通为bxxndBl)(线圈产生的运动电动势为lvBNbxBxBNvleennnv)]()([Bn、v、e三者关系有右手定则确定。显然，若使磁场能充分利用并得到最大值（也是电机设计基本准则），则要求：垂直线圈平面与两运动边得B相反bxBXBBBnn1.3.3电磁力定律1.电磁力定律磁场对电流作用是磁场的基本特征之一BldiFdF用毕奥—萨法尔描述BliFilB、、三者关系用左手定则描述显然，B与i垂直时F最大。普通电机中，l沿轴线，B在径向方向。这种考虑与产生最大感应电动势的基本设计准则是一致的。根据左手定则，可知电磁力作用在转子的切向方向，因而就会在转子上产生转矩。2.电磁转矩对于单根导体产生的电磁转矩为BlirFrTa对于匝数为N的线圈，设线圈两侧边所在处的磁场分别为B1和B2，则有)(21BBNlirTc显然当B1=-B2时电磁转矩最大。对于一台沿圆周均匀布置线圈的电机，要求气隙磁场尽可能均匀，则电机的最大可能电磁转矩是MNBliDTTMjcjem1在电动机里，电磁转矩是驱动性质的转矩；在发电机里电磁转矩是制动性质的转矩。电磁转矩还可以用功率的关系求得。设P为电机的电磁功率，Ω为电机气隙磁场旋转角速度，则有PTem1.4铁磁材料特性1.4.1铁磁材料的磁导率一、磁导率的定义=B/H非铁磁材料的磁导率≈0=4π×10-7H/m为常数铁磁材料的磁导率FeFeμ0Fe为非常数，随B的变化而变化，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，因此Fe随着H的增加而减小。二、磁化曲线在外磁场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)。μ=f(H)，叫做磁导率曲线1.4.2磁滞与磁滞损耗1、磁滞概念：B的变化滞后于H的变化的现象被称为磁滞。2、剩磁3、矫顽力4、磁滞回线5、上升磁化曲线与下降磁化曲线不重合6、不同铁磁材料有不同的磁滞回线，且同一铁磁材料，Bm愈大，磁滞回线所包围的面积也愈大。7、软磁材料：磁滞回线很窄。硅钢片、铸铁、铸钢等等。8、硬磁材料：磁滞回线很宽，或叫永磁材料。铁氧体、稀土钴、钕铁硼等。9、基本磁化曲线将所有磁滞回线在第一象限的顶点连接起来得到的磁化曲线就叫基本磁化曲线磁滞损耗：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。对于带铁心的螺线线圈圆环有即而电源供给线圈的瞬时功率为又线圈电压与感应电动势平衡，由电磁感应定律得设铁心内的磁感应强度为B，则铁心内磁通为则V为铁心的体积NiHlNHliuipdtdNeuBAdtdBVHNHldtdBNAidtdNuip在一个周期内瞬时功率的平均值就是铁心的磁滞损耗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。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。ThHdBfVpdtTp011.4.3涡流与涡流损耗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。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。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。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。1.4.4铁耗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。单位重量铁耗pFe∝fβBm2。其中1＜β＜2，β与材料性质有关。1.5磁路基本定律及其计算方法与电路相仿，将磁通比拟电流，则磁路是电机‘电器中的磁通行的路径。磁通有主磁通（工作磁通）和漏磁通；因此磁路也有主磁路和漏磁路。在电机中，主磁通是实现机电能量转换所需的磁通。磁路计算的任务是确定磁动势F、磁通Φ和磁路结构(如材料、形状、几何尺寸等)的关系磁路电路磁通Φ电流i磁动势F电动势e磁阻Rm电阻R磁压降Hl电压降u磁导Λm电导G欧姆定律Φ=F/Rm欧姆定律i=u/R基氏第一定律ΣΦ=0基氏第一定律Σi=0基氏第二定律ΣF=ΣHl=ΣΦR基氏第二定律Σe=Σu=ΣiR磁动势磁路欧姆定律：因推得磁阻Rm=l/(A)l为磁路的长度A为铁心截面积磁导Λm=1/Rm1.5.1磁路基本定律1.磁路欧姆定律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。NiHlldHFABBHFRFAlNimm铁磁材料的磁阻随饱和程度的提高而增加进入或穿出任一封闭面的总磁通量的代数和等于零，或穿入任一封闭面的磁通量恒等于穿出该封闭面的磁通量。2.磁路基尔霍夫第一定律图示的有分支磁路：Φ1+Φ2=Φ3根据得ΣΦ=00dSSB3.磁路基氏第二定律根据和磁路欧姆定律得NiHlldHFFRFAlNimm而同理对回路2结论:ΣF=ΣNi=ΣHl=ΣΦRm任一闭合磁路上磁动势（Ni）的代数和恒等于磁压降（Hl）的代数和。回路①：H1l1+H3l3=N1i1回路②：-H2l2-H3l3=-N2i2回路③：H1l1-H2l2=N1i1-N2i2注意μ随B变化比较显著3311111lHlHFiNldH333333111111;ABHABH3311333311111mmRRAlAlF1.5.2铁心磁路计算两大类型：A、给定磁动势F求磁通，用计算机求B、给定磁通Φ求磁动势，应用于电机变压器设计1.串联磁路计算（已知磁通）步骤（1）将磁路分段，保证每段磁路的均匀性（2）计算各段磁路的截面积和平均长度（3）由B=Φ／Ａ确定各段的平均磁感应强度（4）由B确定H（铁磁材料由磁化曲线确定）（5）计算各段磁压降Hl（6）由磁路基尔霍夫第二定律确定磁动势F(4)查D23硅钢片磁化曲线表，得BFe=1.1T时，HFe=493A/m；对气隙部，(5)铁心部分磁压降HFel=493×0.3A=147.9A气隙部分磁压降Hδδ=8.75352×105×0.5×10−3A=437.7A(6)磁动势F=HFel+Hδδ=585.6A励磁电流解(1)磁路分为铁心部分和气隙部分两段。(2)不计边缘效应，则两部分磁路的截面积均为A=9×10−4m2，铁心部分磁路长度l=0.3m，气隙部分磁路长δ=0.5×10−3m。(3)忽略漏磁，两部分的磁通密度均为例1.1在图中，铁心用硅钢片D23叠成，截面积A=9×10−4m2，铁心的平均长度l=0.3m，气隙长度δ=0.5×10-3m，线圈匝数N=500匝，试求产生磁通Φ=9.9×10-4Wb时所需的励磁磁动势F和励磁电流I。TAB1.1109109.944./1075352.8/1041.157mAmABHANFI17.15006.5852.并联磁路计算（已知磁通）步骤（1）、（2）磁路分段处理与串联磁路计算相同（3）根据磁路基尔霍夫第一、第二定律列出节电方程和回路方程并求解（4）分段逐一确定磁密B和与之对应的磁场强度H（5）计算磁动势F1.5.3永磁体磁路计算永磁体是利用硬磁材料的剩磁工作的。永磁体充磁永磁体工作于左图磁滞回线的去磁段CR，通称为退磁曲线（由厂家提供）。永磁体计算必须结合退磁曲线进行1.已知磁路尺寸，求气隙中的工作磁通充磁后，闭合磁路上的平均磁感应强度为材料的剩磁Br，也就是退磁曲线上的R点整个磁路内的磁通为撤去衔铁后，磁阻增大，但磁动势F=0由基尔霍夫第二定律有忽略边缘效应和漏磁有则有斜率为的直线，与退磁曲线的交点为工作点气隙中的工作磁通为显然Hd为负值所以已知永磁体磁路尺寸确定气隙工作磁通或磁体工作点的过程是一个结合材料退磁曲线进行图解的过程。ABro0HHl0/BHHlB0l0tanABd2.已知气隙长度和工作磁通，设计磁体（略）1.5.4交流磁路特点通常，由于励磁电流不同，人们将铁心磁路分成交流和直流两大类。所谓交流磁路，就是由交流电流