1、電機的基本原理第1頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五1. 概述1.1 電機在國民經(jīng)濟中的重要作用 與其它形式的能量相比，電能具有大量生產、來源廣泛、集中管理、便于輸送、使用方便等優(yōu)點。 電機是一種與電能密切相關的能量轉換裝置，可以實現(xiàn)電能和機械能、電能和電能之間的轉換自然界里的能量，可以通過特定裝置轉換為機械能并驅動發(fā)電機運動，產生電能-發(fā)電機。為降低傳輸過程中的電能損失，通常采用高壓輸電，用變壓器將發(fā)電機產生的電壓升高，經(jīng)過高壓電力網(wǎng)傳輸?shù)接脩魝龋儆米儔浩鲗⒏唠妷航档偷竭m于用戶使用的電壓等級-變壓器。在用戶側，利用電能驅動電動機工作，帶動生產機械，實現(xiàn)電能向機械能的轉

2、換-電動機。第2頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五1.2 電機的基本構成和分類 電機是基于電磁感應定律實現(xiàn)能量轉換的裝置。要實現(xiàn)能量轉換，必須有一個磁場，磁場與兩個或兩個以上的電路耦合。電機中的能量轉換，就是通過有關電路中磁鏈的變化來實現(xiàn)的。最常見的電機是旋轉電機，它產生旋轉運動，有一靜止部分（稱為定子）一旋轉部分（稱為轉子）二者之間有一空氣隙。第3頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五第4頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五電機的種類多種多樣，一般有以下幾種分類方式：按照能量轉換方式分 電動機將電能轉換為機械能 發(fā)電機將機械能轉換為

3、電能 電能轉換裝置將一種形式的電能轉換為另一種形式的電能，包括變壓器(輸入和輸出的電壓不同)、變頻機(輸入和輸出的頻率不同)、變流機(輸入和輸入的波形不同，將直流變?yōu)榻涣?和移相器(輸入和輸出的相位不同)。 控制電機不以功率轉換為主要職能，在電氣、機械系統(tǒng)中起調節(jié)、放大和控制作用。根據(jù)運動方式分 旋轉電機產生旋轉運動 靜止電機不產生運動 直線電機產生直線運動第5頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五旋轉電機平面形直線電機圓筒形直線電機旋轉磁場旋轉的轉子平移的動子平移的磁場軸向平移的磁場軸向平移的動子第6頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五根據(jù)供電電源分 直

4、流電機使用或產生直流電 交流電機使用或產生交流電 在交流電機中，根據(jù)供電電源相數(shù)的不同，又可將電機分為單相電機和三相電機。根據(jù)同步速度(磁場轉速)分 直流電機沒有固定的同步速度的電機 變壓器靜止設備 同步電機轉速等于同步速度的電機 感應電機作為電動機運行時，速度總低于同步速；作為發(fā)電機運行時，速度大于同步速 交流換向器電機速度可以從同步速度以下調至同步速度以上。第7頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五2 磁場與磁路 2.1 與磁場有關的基本概念 (1)磁感應強度、磁場強度和磁導率磁場是由電流(運動電荷)或永磁體在其周圍空間產生的一種特殊形態(tài)的物質，可用磁感應強度和磁場強度來

5、表征其大小和方向。磁感應強度定義為通以單位電流單位長度導體在磁場中所受的力，是一個矢量，用B表示，單位為特斯拉(T)，也稱為磁通密度，或簡稱磁密。磁場強度也是一個矢量，用H表示，單位為A/m，與磁感應強度之間滿足 BH 為磁導率，決定于磁場所在點的材料特性，單位為H/m。第8頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五根據(jù)材料的導磁性能，可將其分為鐵磁材料和非鐵磁材料非鐵磁材料的磁導率可認為與真空的磁導率0相同，為410-7H/m。鐵磁材料主要是鐵、鎳、鈷以及它們的合金，其磁導率是非鐵磁材料磁導率的幾十倍至數(shù)千倍。由于材料的磁導率變化范圍很大，常采用相對磁導率r來表征材料的導磁性能

6、，r為材料的磁導率與真空磁導率的比值第9頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五(2)磁通與磁通連續(xù)性定理磁通是通過磁場中某一面積A的磁力線數(shù)，用表示，定義為 單位為韋伯（Wb）。在圖1-1所示的均勻磁場中，穿過面積A的磁通為 式中，為面積A的法線方向與B之間的夾角。圖1-1 磁通第10頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五磁通（量）的計算第11頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五磁通連續(xù)性定理：由于磁力線是閉合的，對于任何一個閉合曲面，進入該閉合曲面的磁力線數(shù)應等于穿出該閉合曲面的磁力線數(shù)。若規(guī)定磁力線從曲面穿出為正、進入為負，則通過閉合

7、曲面的磁通恒為零。第12頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五(3) 磁動勢和安培環(huán)路定律 磁場強度沿一路徑 L 的線積分定義為該路徑上的磁壓降，也稱為磁壓，用符號U表示，單位為A，即在電機中，磁場強度沿任一閉合路徑的線積分等于該路徑所包圍的電流的代數(shù)和，即稱為安培環(huán)路定律顯然，如果H與l同方向，則相量相乘變?yōu)榇鷶?shù)相乘第13頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五磁場強度方向與路徑方向同方向第14頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五 電流的正方向與積分路徑的方向之間符合右手螺旋關系。如果H與L方向相同，且在L上H處處相同 由于磁場為電流所激

8、發(fā)，上式中閉合路徑所包圍的電流數(shù)稱為磁動勢，用F表示，單位為A。 通常我們稱磁路的磁壓為該磁路所需的磁動勢，隱去了磁壓這一概念。第15頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五第16頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五(4)磁鏈與電磁感應定律處于磁場中的一個N匝線圈，若其各匝通過的磁通都相同，則經(jīng)過該線圈的磁鏈為 第17頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五 當線圈中的磁鏈發(fā)生變化時，線圈中將產生電動勢，稱為感應電動勢。 感應電動勢的大小與磁鏈的變化率成正比 感應電動勢的方向傾向于產生一電流，若該電流能流通，所產生的磁場將阻止線圈磁鏈的變化。

9、第18頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五若電動勢、電流和磁通的正方向如圖1-3所示，即電流正方向與磁通正方向符合右手螺旋關系，正電動勢產生正電流，則感應電動勢可表示為 單位為V。上式稱為電磁感應定律。若磁場由交流電流產生，則磁通隨時間變化，所產生的電動勢稱為變壓器電動勢。若通過線圈的磁通不隨時間變化，但線圈與磁場之間有相對運動，也會引起線圈磁鏈的變化，所產生的電動勢稱為運動電動勢。 圖1-3 電流、磁通和電動勢的正方向第19頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五運動電動勢的大小可用另一種形式表示 l 為導體在磁場中的長度，m；v 為導體與磁場之間的運動速

10、度，m/s；e的單位為V。三者之間互相垂直，電動勢的方向用右手定則確定 圖1-4 右手定則 第20頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五(5)電磁力與電磁轉矩若將一導體置于磁場中，導體中通以電流i，則其將受到電磁力作用，電磁力的大小可表示為電磁力F的單位為N。電磁力的方向可用左手定則確定。將左手伸開，使磁力線指向手心，拇指在手掌平面中與其它四指成90角，其它四指指向電流的方向，則拇指所指方向就是電磁力的方向。 圖1-5 左手定則 第21頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五在旋轉電機中，假設載流導體位于轉子上，則其所受的電磁力乘以導體與旋轉軸中心線之間的距離

11、r(通常為轉子半徑)，就是電磁轉矩，即 單位為N.m。2.2 磁路及其基本定理 麥克思韋方程是描述電磁現(xiàn)象的普遍適用方程。但由于電機結構復雜且包含多種導磁性能不同的材料，難以直接利用麥克思韋方程得到磁場的分布。在電機中，通常把復雜的三維磁場問題的求解簡化為相應磁路的計算，在絕大多數(shù)情況下可以滿足工程精度的要求。 第22頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五1、磁路所謂磁路，就是磁通流過的路徑。磁路的基本組成部分是磁動勢源和磁通流過的物體，磁動勢源為永磁體或通電線圈。由于鐵磁材料的導磁性能遠優(yōu)于空氣，絕大部分磁通在鐵磁材料內部流通。圖1-6a)為帶鐵心的電感，由通電線圈和鐵心組

12、成，鐵心的截面積均勻（為A），磁路的平均長度為L。假設磁通經(jīng)過該磁路的所有截面且在截面上均勻分布，則可得到圖1-6b)所示的等效磁路(a) 電感 (b)其等效磁路圖1-6 電抗器及其等效磁路第23頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五該磁路上的磁通和磁動勢分別為 將磁通和磁動勢的關系與電路中電流和電壓的關系類比，定義 為該段磁路的磁阻，單位為A/Wb。上式表征了磁通、磁動勢和磁阻之間的關系，稱為磁路的歐姆定律。磁阻可用磁路的材料特性和尺寸表示為 第24頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五若磁路中有n個磁阻Rm1、Rm2、Rmn串聯(lián)，則等效磁阻為 若磁路中有

13、n個磁阻Rm1、Rm2、Rmn并聯(lián)，則等效磁阻為 磁阻的倒數(shù)稱為磁導，用表示 其單位為Wb/A。 第25頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五表1-1 磁路與電路的類比磁 路電 路磁動勢F (A)電壓 U (V)磁通 (Wb)電流I (A)磁阻 (H-1)電阻 ()磁導 (H)電導 (S)磁路方程 F=Rm電路方程 U=IR磁通密度 (T)電流密度 (A/m2)可以看出，磁路方程與電路方程在形式上非常相似。其類比關系如表1-1所示。 第26頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五但是，電路和磁路雖然形式上相同，但在物理本質上有本質的區(qū)別：電路中的電流是運動電荷

14、產生的，是實際存在的，而磁路中的磁通僅僅是描述磁現(xiàn)象的一種手段；電路中通過電流要產生損耗，但當鐵心中的磁通不變時不產生損耗；在溫度一定的前提下，導體的電阻率是恒定的，而導磁材料的磁導率隨其中磁場的變化而變化；導體和非導體的導電率之比可達1016，電流沿導體流動；而常用鐵磁材料的相對磁導率通常為103105，磁場不只在鐵磁材料中存在，在非鐵磁材料中也存在。第27頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五2、磁路的基本定理 在進行磁路的分析與計算時，除了上面提到的磁路的歐姆定律、安培環(huán)路定律和磁通連續(xù)性定率外，還要用到以下定理。磁路的基爾霍夫第一定律對于圖中的節(jié)點a，在其周圍取一閉合

15、面，根據(jù)磁通連續(xù)性定理，流入該閉合面的磁通的代數(shù)和恒等于零，即上式稱為磁路的基爾霍夫第一定律，是磁通連續(xù)性定理在等效磁路中的具體體現(xiàn)。 圖1-7 一相通電的三相變壓器及其等效磁路 第28頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五磁路的基爾霍夫第二定律圖1-8 a)為一帶開口鐵心的電抗器，磁路中含有通電線圈、鐵心和氣隙。線圈匝數(shù)為N，流過的電流為i，取一條通過電抗器鐵心和氣隙中心線的閉合路徑，根據(jù)安培環(huán)路定律， 1-8(a) 帶開口鐵心的電抗器 H1和 H分別為鐵心和氣隙中的磁場強度，l1為鐵心部分的長度， 為氣隙長度。第29頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五

16、鐵心和氣隙分別用等效磁阻Rm1和Rm2等效，F(xiàn)為激磁線圈的磁動勢，F(xiàn)=Ni，則其等效磁路如圖1-8 b)所示。整理上式，有 可以有幾個磁動勢源同時作用在磁路上任何閉合磁路上的總磁動勢等于組成該磁路的各磁阻上的磁壓降之和，稱為磁路的基爾霍夫第二定律，是安培環(huán)路定律在等效磁路中的具體體現(xiàn)。(b) 等效磁路 圖1-8帶開口鐵心的電抗器及其等效磁路 第30頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五沿任何閉合磁路的總磁動勢恒等于各段磁壓降的代數(shù)和。即： 電機和變壓器的磁路是由數(shù)段不同截面、不同材料的鐵心組成，而且還可能含有氣隙，在進行磁路計算時總是將磁路分成若干段，每段為同一材料。且截面積

17、和磁密處處相等，則磁場強度處處相等。由左圖可見，磁路由三段組成，兩段為截面積不同的鐵磁材料，一段為空氣隙。鐵心上的勵磁磁動勢N i為：該定律稱為磁路的基爾霍夫第二定律 分段原則：先根據(jù)材料不同分段、 再根據(jù)磁通和面積（或磁密或磁場強度）不同分段第31頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五【例1-1】有一鐵心，其尺寸見圖1-9，鐵心的厚度為0.1m，相對磁導率為2000，上面繞有1000匝的線圈，當線圈內通以0.8A的電流時，能產生多大磁通？ 解：用磁路的歐姆定律求解。取通過鐵心中心線的路徑為平均磁路。鐵心的上、下、左三邊寬度相同，可取為磁路1，右邊取為磁路2。磁路1的平均長度

18、為l1=1.3m，截面積為A1=0.150.1=0.015m2 圖1-9 鐵心第32頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五則磁路1的磁阻為磁路2的平均長度為l2=0.45m，截面積為A2=0.10.1=0.01m2，則磁路2的磁阻為磁路的總磁阻為 線圈的磁動勢為則產生的磁通為第33頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五 為了在一定的勵磁磁動勢作用下能激勵較強的磁場，從而使電機及變壓器等裝置的尺寸縮小，重量減輕，性能改善，必須增加磁路的磁導率 （因為:B=H=F / l）,由于鐵磁物質具有高導磁性能，工程上往往利用鐵磁物質：1）相同磁動勢下產生盡可能高的磁密；

19、2）使盡可能多的磁通約束在有限的范圍內。所以電機和變壓器的鐵心用導磁率較高的鐵磁材料組成。本節(jié)介紹鐵磁材料特性3 鐵磁材料的特性第34頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五3.1 鐵磁物質的磁化 (1) 鐵磁物質 有幾種物質，如鐵、鈷、鎳以及他們的合金，以及錳和鉻的某些合金，即使在較小的外磁場的作用下，其磁化也特別顯著。這類物質稱為鐵磁物質，他們的磁導率都很大，超過幾千。 (2) 鐵磁物質的磁化 將鐵磁材料放入磁場后，磁場會顯著增強，鐵磁材料在磁場中呈現(xiàn)很強的磁性這一現(xiàn)象，稱為鐵磁物質的磁化。 原因：鐵磁物質中有許多稱為磁疇的天然磁化區(qū)，當未投入磁場時 磁疇雜亂無章的排列，磁

20、效應相互抵消對外不顯磁性。 當放入磁場后，磁疇按外磁場方向排列起來，形成一附加磁 場疊加在外磁場上。如圖1-6所示。 缺點，B低，溫度穩(wěn)定性差金屬 鐵、鈷、鎳， B高，缺點電阻率低，渦流損耗嚴重。鐵磁物質非金屬 鐵氧體 電阻率高，渦流損耗小，抗銹防腐第35頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五32 磁化曲線 鐵磁材料的磁狀態(tài)一般由磁化曲線B-H曲線表示 起始磁化曲線可由實驗得出。將一塊未磁化的鐵磁材料制成閉合鐵心，如下圖，其上繞有繞組，調節(jié)R使電流從零開始逐漸增大，則鐵心中穿過橫截面的磁通密度將隨之增大，測得對應于不同的H值下的B值?？芍瘘c描繪出B-H曲線。該曲線即是起始磁化

21、曲線，圖1-7所示。 (1) 起始磁化曲線 曲線分為四段：oa段：開始磁化時，外磁場較弱B增加的不快ab段：隨外磁場增強，大量磁疇開始轉向，越來越多的趨向于外磁場的方向，B增加的很快bc段：隨H的繼續(xù)增加，可轉向的磁疇越來越少，B增加的越來越慢cd段：達到飽和后，基本上與非磁性材料的 特性平行第36頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五注：對非鐵磁性材料，因 0為常數(shù)，所以B-H為線性。見上圖虛線。從上述的鐵磁材料B-H曲線可見不是線性，所以 不是常值，它隨H的變化如上圖所示。 在電機和變壓器的設計中，為產生較大磁通，且又不過分增大勵磁磁勢，通常選磁密在b點附近。第37頁，共

22、80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五（2） 磁滯回線 若對鐵磁材料進行周期性的磁化，則B-H曲線如圖： H：0 Hm 0 -Hc （矯頑力）B：0 Bm Br（剩磁） 0 可見鐵磁材料在交變的磁場內被磁化的過程中，磁化曲線是一條具有單方向性的閉合曲線，稱為磁滯回線。從磁滯回線上看，B的變化總是滯后于H的變化，這種現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象。磁性材料按矯頑力Hc的大小可分為軟磁材料和硬磁材料。 第38頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五3.3 鐵磁材料（3）基本磁化曲線 對同一鐵磁材料，選不同的Hm進行反復磁化，可得大小不同的磁滯回路，將各磁滯回路頂點連接起來?？傻玫交?/p>

23、磁化曲線。 軟磁材料：Br、Hc 小，回線窄，磁導率 高，用于制造變壓器和電機鐵心硬磁材料：Br、Hc 高，回線寬，作為永磁材料永磁材料種類很多，書中列舉了幾種。其磁性能用 Br、Hc 和（BH）max 最大磁能積三項指標衡量。第39頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五圖1-14 50TW800冷軋硅鋼片的基本磁化曲線第40頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五軟磁材料：硅鐵合金：電工純鐵低碳鋼鎳鐵合金鐵鈷合金鐵鋁合金鐵硅鋁合金硬磁材料（永磁材料）：鋁鎳鈷鐵氧體稀土鈷釹鐵硼第41頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五 軟磁材料種類很多，常

24、用的有以下幾類：純鐵和低碳鋼 含碳量低于0.04，包括電磁純鐵、電解鐵等。其特點是飽和磁化強度高，價格低廉，加工性能好，但電阻率低，在交變磁場下渦流損耗大，只適于靜態(tài)磁場中使用。鐵硅合金 含硅量為0.54.8，一般制成薄板使用，俗稱硅鋼片。在純鐵中加入硅后，可消除磁性材料的磁性能隨時間變化的現(xiàn)象。隨著含硅量的增加，脆性增強，飽和磁化強度下降，但電阻率和磁導率提高，矯頑力和渦流損耗減小。在交流領域應用廣泛，如制造電機、變壓器、繼電器、互感器等的鐵心。第42頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五軟磁鐵氧體 軟磁鐵氧體為非金屬亞鐵磁性軟磁材料，其電阻率非常高(10-21010.m)

25、，但飽和磁化強度低，價格低廉，廣泛用于高頻電感和高頻變壓器。非晶態(tài)軟磁合金 又稱非晶合金。其磁導率和電阻率高，矯頑力小，不存在由晶體結構引起的磁晶各向異性，具有耐腐蝕和強度高等特點。此外，其居里溫度比晶態(tài)軟磁材料低得多，損耗大為降低，是一種正在開發(fā)利用的新型軟磁材料。第43頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五3.3 鐵心損耗 (1) 磁滯損耗 當鐵磁材料置于交變磁場時，被反復交變磁化，致使磁疇之間不停的摩擦，消耗能量，造成損耗，這種損耗稱為磁滯損耗。 由交流電源與磁場之間的往返能量交換，進一步加以說明磁滯損耗。 在固定鐵心上裝有一個線圈，從電源輸入電能為電壓u，電流為i，線

26、圈匝數(shù)為N，電阻為R，則在 dt 時間內電源輸入裝置的總能量為uidt消耗于電阻上的電能為Ri2dt鐵心線圈從交流電源吸收的瞬時功率 p為： 第44頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五從t1到t2時間內輸入磁路系統(tǒng)的能量： 若鐵心長度為l,截面積為A，則: V=l A 鐵心體積磁場儲能密度為： 對線性磁路=常數(shù)第45頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五電流交變一個周期鐵心線圈能量密度的增量計算：磁密由-Br Bm Br -Bm -Br 磁場強度由0 Hm 0 -Hm 0 1）B由-Br Bm（H由0 Hm，i由0到imax）時線圈從電源輸入能量第46頁，

27、共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五2） Bm Br 時（H由 Hm 0 ，i由imax 0）時能量從磁路系統(tǒng)釋放回電源第47頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五在電流的正半周鐵心線圈能量密度的增量大小為磁滯回線的面積鐵心線圈吸收電源的能量在電流的一個周期內鐵心線圈的能量密度的增量大小為S1231鐵心線圈吸收電源的能量鐵心線圈吸收電源的能量全部轉化為鐵心的磁滯損耗第48頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五由于磁滯損耗是消耗于鐵心中的平均功率（ T=1/f 周期）能量最終以熱能的形式消散掉，由于這部分能量是由磁滯現(xiàn)象引起的。因而叫做磁滯損耗

28、磁滯損耗與體積V、頻率f及磁滯回線面積成正比磁滯回線面積越小，磁滯損耗越小，電機和變壓器鐵心常用硅鋼片制成，因硅鋼片的磁滯回線小，屬于軟磁材料。Ch：磁滯損耗系數(shù) 對電工鋼片n=1.62.3第49頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五(2) 渦流損耗 因鐵心是導電的，當穿過鐵心的磁通隨時間變化時，鐵心中產生感應電勢，從而產生電流，這些環(huán)流在鐵心內繞磁通做旋狀流動成為渦流，渦流在鐵心中引起損耗稱為渦流損耗。 第50頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五 由于渦流的存在，對鐵心磁滯回線產生影響。回線將由靜態(tài)變?yōu)閯討B(tài)形式右圖虛線所示： 在回路上升部分，鐵心中渦流阻

29、止磁場的增加，為保持一定的磁通，激磁電流增加，以抵消渦流作用，所以磁滯回路上升部分向右擴展，同理下降部分向左擴展 頻率越高，磁通密度越大，渦流損耗越大，反比于電阻率及路徑長度。 Ce：渦流損耗系數(shù) ：鋼片厚度鐵心損耗： 可近似為： CFe：鐵心損耗系數(shù) G：鐵心重量第51頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五【例1-2】 對于例1-1中的鐵心，若其磁化曲線如圖1-18所示(圖1-14的一部分)，若鐵心內產生1.5310-2Wb的磁通，所需電流多大？解：對于磁路1，流過=1.5310-2Wb的磁通時，磁密為 :第52頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五查圖1

30、-18所示的磁化曲線，得磁場強度為H1400A/m，該磁路上的磁壓為: F1=H1l1=4001.3=520 A對于磁路2，流過=1.5310-2Wb的磁通時，磁密為: 查圖1-18所示的磁化曲線，得磁場強度為H2=2370A/m，該磁路上的磁壓為F2=H2l2=23700.45= 1066.5 A圖1-18 磁化曲線第53頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五磁路所需磁動勢為 F=F1F2=520+1066.5=1586.5 A所以產生1.5310-2Wb的磁通需勵磁電流為 【例1-3】 對于例1-2中的鐵心，若在右邊上有一氣隙，氣隙長度為0.5mm，如圖1-19所示。若鐵

31、心內產生1.5310-2Wb的磁通，所需電流多大？圖1-19 例1-3的鐵心 第54頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五解：磁路分為三段，上、下、左三邊為磁路1，右邊(不包括空氣隙)為磁路2，空氣隙為磁路3。磁路1的計算同例1-2，磁壓為520A。磁路2的計算長度比例1-2中減少了0.5mm，其磁壓為 F2=H2l2=2370(0.45 - 510-4)=1065.3 A在磁路3中，由于其中的磁密存在邊緣效應。磁路的寬度可認為擴大了2個氣隙長度，因此其截面積為A3=(0.1+2510-4)(0.1+2510-4) =1.0210-2m2磁密為:圖1-20 磁場的邊緣效應 第

32、55頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五磁壓為F3=H3l3= B3l3/0=1.5510-4/(410-7)=596.8 A 磁路所需的總磁動勢為 F=F1F2F3=520+1065.3596.8=2182.1 A所需勵磁電流為 只是開了0.5mm的空氣隙，產生相同的磁通需要的電流由1.59變化為2.18A。第56頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五4.電感和磁場儲能4.1電感 在電機中，導體通常繞成線圈。當線圈中流過電流時，將產生磁場。當線圈所在磁路由磁導率恒定的材料制成或磁路的主要組成部分為空氣，即磁路不飽和時，電感定義為線圈中流過單位電流所產生的

33、磁鏈。 電感的單位為亨(H)，A、l分別為磁路截面積和磁路長度，N為線圈匝數(shù)。線圈的電感與匝數(shù)的平方、磁路的磁導成正比。第57頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五 (1)自感和互感圖1-21為繞有兩個線圈的磁路，線圈內電流的方向使二者產生的磁通方向相同，則磁路上的總磁動勢為圖1-21 電感第58頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五為便于分析，認為所產生的磁通全部在鐵心內，則磁通為 線圈1交鏈的磁鏈為式中：為線圈1的自感；線圈1自身電流產生的磁鏈;為線圈1和線圈2之間的互感為線圈2中電流在線圈1中產生的磁鏈線圈2中的磁鏈可表示為：為線圈2的自感；為線圈1中

34、電流在線圈2中產生的磁鏈線圈1自身電流產生的磁鏈;圖1-21 電感第59頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五電動勢的表達式在電機旋轉過程中，定轉子之間的互感往往隨時間發(fā)生變化，此時線圈中的感應電動勢應包括上式中的兩項。當電感不隨時間發(fā)生變化時，有 (2)漏電感第60頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五圖1-21 電感上面的分析忽略了漏磁通。在圖1-21中，線圈1中的電流實際上產生的磁通1分成兩部分，一部分是在鐵心內同時交鏈線圈1和線圈2的磁通，稱為主磁通；一部分是只交鏈線圈1的磁通，稱為線圈1的漏磁通。第61頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40

35、分，星期五線圈1中的總磁通為 假設漏磁通經(jīng)過了線圈1的所有匝數(shù)，則對應的磁鏈關系為 1和分別為線圈所交鏈的總磁鏈和漏磁鏈。與漏磁鏈對應的電感稱為漏電感，用L表示4.2磁場儲能磁場是一種特殊形式的物質，能夠儲存能量，這部分能量是在磁場建立過程中由外部電源輸入的能量轉化而來的，稱為磁場儲能或磁場能量。電機就是通過磁場儲能實現(xiàn)能量轉換的。 圖1-21 電感第62頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五圖示電感，線圈兩端的輸入功率為 dt時間內輸入的能量為： i2Rdt為繞組電阻消耗的能量，dW=Nid= id=eidt為磁場儲能。若t=0時電流和磁鏈的初始值為0，則時間t時磁場儲存的

36、能量為：第63頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五磁場儲能的另一種表達形式。如果繞組所交鏈的磁路長度為l，截面積為A，且磁密B在磁路上分布均勻，有：當磁密為零時，沒有磁場儲能。當磁密由零變化到B時，所存儲的磁場儲能為： 單位體積內的磁場儲能就是磁場儲能密度，為： 第64頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五若磁路不飽和，則磁場儲能密度為在磁密相同的前提下，由于空氣的磁導率遠低于鐵心的磁導率，空氣隙中的能量密度遠高于鐵心中的能量密度，因此電機中的磁場儲能主要存儲在空氣隙中。 磁場能量還可以表示為如下形式： 若磁路的-i曲線如圖所示，則面積oabo就表示磁場能

37、量。對于面積obco，可表示為：稱為磁共能。在一般情況下，磁場能量與磁共能不相等。若磁路的-i曲線為直線，則磁場能量等于磁共能。 圖1-22 磁場能量與磁共能第65頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五5 機電能量轉換的基本原理5.1機電能量轉換裝置的基本構成與能量關系機電能量轉換裝置都有載流導體和磁場，都有一個固定部分和一個可動部分。當可動部分發(fā)生運動時，裝置內部的磁場儲能發(fā)生變化，并在輸入(或輸出)電能的電路系統(tǒng)發(fā)生一定反應，實現(xiàn)電能和機械能之間的轉換。根據(jù)能量守恒定理，在機電能量轉換裝置中，恒滿足以下能量關系： 對于機械能向電能轉換的裝置，電能和機械能為負；對于電能向機

38、械能轉換的裝置，電能和機械能為正。第66頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五裝置內部的能量損耗包括三部分：裝置內部電路中流過電流而產生的電阻損耗、磁路系統(tǒng)產生的鐵耗和可動部分運動產生的機械損耗。嚴格來講，機電能量轉換裝置中電磁場的儲能，應當包括電場儲能和磁場儲能兩部分。由于我們研究的是低速、低頻系統(tǒng)，可以認為電場和磁場相互獨立，通常的機電能量轉換裝置中大多用磁場作為耦合場，電磁場的儲能僅為磁場儲能。5.2單邊激磁系統(tǒng)中的能量轉換 右圖為一單邊激磁的機電能量轉換裝置，由固定鐵心、可動鐵心和一個繞組組成，固定鐵心和可動鐵心之間的氣隙是可變的。圖1-23 單邊激磁的機電能量轉換裝

39、置第67頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五由于繞組電感隨可動部分的運動而發(fā)生變化，因此電路系統(tǒng)滿足 忽略鐵心的損耗，裝置的輸入功率為時間dt內輸入裝置的能量為 為電路系統(tǒng)的電阻損耗。得與磁場儲能 對應的磁場儲能增量為 第68頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五 為裝置產生的機械能。若該機械能對應的是力F和位移dx 所產生的力為 若機電能量轉換裝置產生旋轉運動，則產生的電磁轉矩為 式中r為力臂，d為位移dx所對應的角度，用弧度表示。在單邊激磁系統(tǒng)中，若繞組電感隨位移的增大而增大，所產生的機械能為正，為電動效應；若繞組電感隨位移的增大而減小，機械能為負，從系統(tǒng)外吸收機械能，為發(fā)電效應。 第69頁，共80頁，2022年，5月20日，5點40分，星期五5.3雙邊激磁系統(tǒng)中的能量轉換前述單邊激磁系統(tǒng)中，只有固定部分一側有激磁電流。若可動部分上也有電流流過，則固定部分和可動部分都有激磁電流，稱為雙邊激磁系統(tǒng)。通常電機的定轉子都有繞組，是典型的雙邊激磁系統(tǒng)。右圖一雙邊激磁系統(tǒng)，定轉子上各有一個繞組。忽略鐵心損耗，輸入裝置的功率為 圖1-24 雙邊激磁的機電能量轉換裝置第70頁，共80頁，2022年，