1、內(nèi)容回顧電機(jī)的作用及其分類電機(jī)是以磁場為媒介，根據(jù)電磁感應(yīng)定律和電磁力定律實現(xiàn)機(jī)械能和電能之間相互轉(zhuǎn)換的機(jī)械。變壓器變換交流電能的電壓等級，屬于電機(jī)范疇。變壓器直流發(fā)電機(jī)直流電動機(jī)直流電機(jī)電機(jī)同步電機(jī)同步電機(jī)交流電機(jī) 同步發(fā)電機(jī) 同步電動機(jī) 異步發(fā)電機(jī)異步電機(jī)異步電動機(jī)鐵磁材料的性質(zhì)磁通密度 B 與磁場強(qiáng)度 H 成飽和曲線關(guān)系。磁導(dǎo)率隨飽和程度的增加而減小。BcBBcBbafe0H磁化曲線和磁導(dǎo)率曲線鐵磁材料的性質(zhì)存在磁滯損耗和渦流損耗，統(tǒng)稱鐵耗。單位重量鐵磁材料的鐵耗 p=p1/50(f/50)B2m 。 p1/50，比損耗，也稱鐵耗系數(shù)，是指：Bm1Wb/m2, f=50Hz時1 kg鐵磁

2、 材料的鐵耗。介于一次和二次方之間。電磁定律電壓、電流、電動勢的規(guī)定正方向。所謂規(guī)定正方向，就是用一箭頭表示該電磁量為正時之方向。這些箭頭并不表示某一瞬間各物埋量的實際方向，它們只起指路牌的作用。若某一物理量與規(guī)定正方向一致，則為正，反之，則為負(fù)。電動機(jī)慣例。當(dāng)電壓、電流實際方向與規(guī)定正方向相同時，也就是當(dāng)電壓瞬時值 u 與電流瞬時值 i 均為正值時，電網(wǎng)輸出功率 p=ui 是正值，相當(dāng)于線圈吸收電功率。線圈相當(dāng)于電動機(jī)。 根據(jù)基爾霍夫第二定律，可以列寫回路方程。Z注：電壓降方向指電壓降落方向；電動勢方向指電動勢升高方向。發(fā)電機(jī)慣例。當(dāng)電壓、電流實際方向與規(guī)定正方向相同時，也就是當(dāng)電壓瞬時值

3、u 與電流瞬時值 i 均為正值時，電網(wǎng)輸出功率 p= - u i 是負(fù)值，相當(dāng)于線圈發(fā)出電功率。線圈相當(dāng)于發(fā)電機(jī)。 相量圖U I R j I X概論0-3研究電機(jī)常用的電磁定律磁路定律I1I1I2I3ldl設(shè)空間有多根載流導(dǎo)體，如圖。導(dǎo)體中電流分別為I1，I2，I3，則磁場強(qiáng)度沿任意閉合回的線積分等于該閉合回路所包圍的導(dǎo)體電流的代數(shù)和（簡稱全電流），即Hdll 圖0-10全電流定律若電流與積分路徑方向符合右手螺旋關(guān)系，則電流取正，反之為負(fù)。若在一磁路上繞上幾個線圈，各線圈中有電流通過，則根據(jù)全電流定律HdllwI如圖0-11磁路上繞了兩個線圈，其匝數(shù)分別為w1、w2，分別通過電流I1、I2。按

4、全電流定律，沿鐵心磁路作磁場強(qiáng)度的閉合積分，則Hdl I2I1I1l2l3l4l3w2I2l2l1圖0-11 基爾霍夫磁路第二定律I1I1l2l3l4l3w2I2l2l1圖0-11 基爾霍夫磁路第二定律把磁路按材料及截面相同分成若干段，則由于各段中各點(diǎn)的磁場強(qiáng)度相同，所以閉合積分可寫成： 2H2l22H3l3H4l4 I2nnHkl1mmwjI1磁路基爾霍夫第二定律表達(dá)式即：作用在閉合磁路上的總磁動勢等于各段磁路上的磁壓降之和。概論0-3研究電機(jī)常用的電磁定律磁路歐姆定律磁路的磁通等于作用在磁路上的總磁動勢除以磁路的總磁阻。F n F mF1推導(dǎo)：以單分支閉合磁路為例 Hklkn1nBFH F

5、nF nB Snlk Rn n F m1kk1F nF1 Fm1 為作用在磁路上的總磁動勢;Rmklkk Sk為第k段磁路的磁阻，A /Wb1/ H;n1m n1 R1 R 1 1 1 1為磁路總磁導(dǎo)，H；Rmk1mmkm1m2mkmk1Rmkk Sklk為k段磁路的磁導(dǎo)，H；磁路的磁阻（或磁導(dǎo)）主要取決于磁路的幾何尺寸和所用材料的磁導(dǎo)率。材料的磁導(dǎo)率愈大，則磁阻愈??；磁路的長度愈長，截面積愈小，則磁阻愈大。鐵磁材料的磁導(dǎo)率fe隨磁通密度B的增大而變小， 或者說隨磁路飽和程度的增加而減小，因此其磁 阻為一變數(shù)，即磁阻是非線性的。非鐵磁材料的磁導(dǎo)率0fe ，且為常數(shù)， 不受B值的影響，因此由非鐵

6、磁材料構(gòu)成的磁路， 其磁阻為常數(shù)。電路和磁路性質(zhì)的對比磁路和電路的對比電路磁路電流I(A)電流密度（A / mm電動勢E(V) 電壓降IR(V)電 阻 R l ()S電導(dǎo)g 1 (1/ )R基爾霍夫第一定律 i 0 基爾霍夫第二定律 u 電路歐姆定律I ER磁通(Wb)磁通密度B(T Wb / m2磁動勢F(A)磁壓降 RmA)磁阻R l(1/ H)mS磁導(dǎo) 1 (H)mR基爾霍夫第 m 定律 0一基爾霍夫磁路第二定律 Hl wI磁路歐姆定律 FRm電路中通過不隨時間變化的恒定電流I時，產(chǎn)生功率損耗I 2R；而磁路中維持不隨時間變化的磁通時，鐵心中沒有功率損耗。電路中可以認(rèn)為電流全部在導(dǎo)線中通

7、過，導(dǎo)線外沒有電流；磁路中由于沒有絕對的隔磁體，磁通雖大部分從鐵心中通過，但還有一小部分由鐵心外通過，稱為漏磁通。電路中的電阻率在一定溫度下是恒值；但磁導(dǎo)率卻非常數(shù)，它隨鐵心中的磁通密度B而變。電磁感應(yīng)定律電磁感應(yīng)現(xiàn)象：當(dāng)通過一個匝數(shù)為w 的線圈的磁通量隨時間發(fā)生變化時，在線圈中就會感生電動勢，這種現(xiàn)象 稱為電磁感應(yīng)現(xiàn)象。此電動勢稱為感應(yīng)電動勢。感應(yīng)電 動勢的數(shù)值與線圈匝鏈的磁通(即磁鏈)變化率成正比。愣次定律：感應(yīng)電動勢的方向由楞次定律確定，即對于一閉合線圈，感應(yīng)電動勢的方向趨于產(chǎn)生一電流，此電流的方向趨于抵消產(chǎn)生此感應(yīng)電動勢的磁通的變化。AewX規(guī)定電動勢的正方向與磁通的正方向符合右手螺旋

8、定則，當(dāng)磁通增加，即d/dt 0時,按楞次定律，此時A點(diǎn)電位高，X點(diǎn)電位低，即e的實際方向與規(guī)定正方向相反，所以e 0。顯然，當(dāng)磁通減少，即d/dt 0時，e 0。這就是說d/dt 與e總是不同符號，因此，感應(yīng)電動勢應(yīng)表示成：e ddt w ddt感應(yīng)電動勢的分類：變壓器電動勢和運(yùn)動電動勢。變壓器電動勢：線圈磁鏈的變化，可以在兩種情況下發(fā)生：一種是線圈和磁場相對靜止，但磁場的強(qiáng)度隨時間發(fā)生變化，從而使線圈磁鏈發(fā)生變化，這種情況感應(yīng)的電動勢稱為變壓器電動勢。運(yùn)動電動勢：磁場恒定，線圈導(dǎo)體作“切割”磁力線的相對運(yùn)動，穿過線圈的磁通也將發(fā)生變化，這種情況感應(yīng)的電動勢稱為運(yùn)動電動勢或速率電動勢。bNe

9、Sadxve bNeSadxvdt Bl dt Blv圖0-13運(yùn)動電動勢如圖0-13，在兩磁極間有一金屬框，ab邊長為l。且與磁力線垂直若把金屬框以速度v作垂直磁力線的運(yùn)動(磁場、導(dǎo)體和運(yùn)動方向三者互相垂直)，在時間dt內(nèi)向下移動了距離dx，則整個回路內(nèi)磁鏈的變化為d-B(ldx于是導(dǎo)體ab內(nèi)感應(yīng)的運(yùn)動電動勢應(yīng)為：運(yùn)動電動勢的方向：運(yùn)動電動勢的方向可用右手定則確定，把右手掌伸開， 使大拇指和其余四指互相垂直，此時若磁力線指向手心，大拇指指向?qū)w運(yùn)動方向，則四指所指方向即為運(yùn)動電動勢的方向。實際方向 ！一般情況下的感應(yīng)電動勢：如果磁通隨時間變化，而線圈與磁場之間又有相對運(yùn)動，則線圈中磁鏈變化的

10、總量可用偏微分方程表示成：d dt dx于是線圈的感應(yīng)電動勢為：e dt dx dtveTeR變壓器電動勢的分類：自感電動勢和互感電動勢自感電動勢：當(dāng)線圈中流過交流電流i時，則該電流產(chǎn)生的磁通L在線圈自身之內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢eL ，這種由于稱為自感電動勢。iiLeLw圖0-15自感電動勢eLdt L didt即：自感電動勢與線圈的自感和線圈內(nèi)的電流的變化率成正比。式中：L稱為自感系數(shù)，其單位為H，且有關(guān)系：L=Li。 磁鏈L是線圈本身電流所產(chǎn)生，i和L 右手螺旋關(guān)系。當(dāng)用-dL/dteLL右手螺旋關(guān)系。所以如將自感電動勢寫成eL-Ldi/dt 形式時，自感電動勢的正方向應(yīng)與電流正方向一致，若改變

11、電流或電動勢的正方向，則應(yīng)寫成 eLLdi/dt 。自感系數(shù)的大?。?wi RmLmimi w2w2L lL結(jié)論：自感的大小與線圈匝數(shù)的平方成正比，與磁路的磁導(dǎo)率亦成正比。若磁路為非鐵磁材料構(gòu)成，為常數(shù)，故L為常數(shù)。若磁路為鐵磁材料構(gòu)成，由于fe 0 ，并且其值隨鐵磁材料的飽和而下降，因此鐵心線圈的自感比空心線圈的大很多，且隨鐵心飽和程度的增加而減少。式中： w為線圈的匝數(shù)。SL、lL為自感磁通所經(jīng)路徑的截面積和平均長度。m為自感磁通所經(jīng)磁路的磁導(dǎo)，它與磁阻的關(guān)系為m1/Rm=SL/lL?；ジ须妱觿?161 附近放上另21i1212（212）212eeM 2w2w1圖0-16互感電動勢MeM2

12、dt Mdt式中：M稱為互感系數(shù)，其單位為H，且有關(guān)系：21=Mi1。磁鏈21是線圈1中的電流i1所產(chǎn)生?；ジ邢禂?shù)的大?。航Y(jié)論：互感與兩個線圈匝數(shù)w1和w2的乘積成正比，也與磁路的磁導(dǎo)率成正比。若磁路為非鐵磁材料構(gòu)成，則M為常數(shù)。若為鐵磁材料構(gòu)成，則M為變數(shù)， 且隨著飽和程度的增加而減少。式中： w1和w2為線圈1和線圈2的匝數(shù)。Sm、lm為互感磁通所經(jīng)路徑的截面積和平均長度。m12為互感磁通所經(jīng)磁路的磁導(dǎo)，它與磁阻的關(guān)系為m121/Rm12=Sm/lm。同理： 當(dāng)線圈2有交流電流 時，也會在線圈1中引起互感電動勢。eM1Mdi2/dt。安培力定律（畢奧薩伐爾電磁力定律）安培力定律：電磁現(xiàn)象中

13、另一個基本特性是磁場與電流的相互作用產(chǎn)生機(jī)械力，這種力稱為電磁力。設(shè) 磁場與載流導(dǎo)體相互垂直，如圖0-17 所示， 則作用在導(dǎo)體上的電磁力為f=Bli ,這一定律稱為安培力定律，又稱為畢奧 薩戈爾電磁力定律。NNfBS圖0-17載流導(dǎo)體在磁場內(nèi)受到的電磁力NNfBS圖0-17載流導(dǎo)體在磁場內(nèi)受到的電磁力電磁力的方向可用左手定則確定，將左手伸開，使大拇指與其余四指垂直，讓磁力線指向手心，四指指向電流方向，則大拇指方向就是電磁力方向。NafDxS電磁轉(zhuǎn)矩：圖0-19 為一旋轉(zhuǎn)電機(jī)。定子為磁極，轉(zhuǎn)子上裝有線圈，其匝數(shù)為w，當(dāng)線圈內(nèi)通有電流i時，載流導(dǎo)體就會受到切向電磁力，若圖示狀態(tài) a NafDxS

14、示，其大小為：TfT 2 fr 2(wBli) D2 wBliD圖0-19氣隙磁場與載線圈作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩討論：如為電動機(jī)，電磁轉(zhuǎn)矩就是驅(qū)使電機(jī)轉(zhuǎn)動的原動力，即電磁轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩，在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。在發(fā)電機(jī)里，電磁轉(zhuǎn)矩是制動性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩，即電磁轉(zhuǎn)矩的方向與拖動發(fā)電機(jī)的原動機(jī)的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩方向相反，原動機(jī)的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機(jī)內(nèi)部的電磁轉(zhuǎn)矩平衡（相等而相反） 后，恒速地拖動電機(jī)旋轉(zhuǎn)，發(fā)出電能，這樣。機(jī)械能就轉(zhuǎn)換成電能。能量守恒原理能量守恒原理 ：在質(zhì)量不變的物理系統(tǒng)中，能量總是守恒的，它既不能憑空產(chǎn)生， 也不會憑空消滅 ，只能變換其存在形式。電機(jī)內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換過程中的能量形式：電

15、能、機(jī)械能、磁場儲能和熱能。根據(jù)能量守恒原理，這些能量之間具有下列平衡關(guān)系 ：發(fā)電機(jī)（輸入的機(jī)械能）=（磁場儲能的增加）+（轉(zhuǎn)換成熱能的能量損耗） +（輸出的電能）電動機(jī)（輸入的電能）=（磁場儲能的增加）+（轉(zhuǎn)換成熱能的能量損耗）+（輸出的機(jī)械能）電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)換成熱能的損耗：電機(jī)線圈和引線因載流而產(chǎn)生的電阻損耗，也稱為歐姆損耗；由于軸承摩擦和通風(fēng)而引起的機(jī)械損耗；由于耦合磁場在鐵心中引起的磁滯、渦流損耗，即鐵耗。注：這三部分能量轉(zhuǎn)換出來的熱能使電機(jī)的有關(guān)部件發(fā)熱，因此，為了保證電機(jī)正常運(yùn)行，必須對電機(jī)進(jìn)行冷卻。討論 ：旋轉(zhuǎn)電機(jī)對稱穩(wěn)定運(yùn)行時，氣隙內(nèi)的磁場為恒幅固定磁場或恒幅旋轉(zhuǎn)磁場，因此在運(yùn)行中

16、，氣隙磁場的儲能不變，磁 場儲能的增量等于零，因而可以認(rèn)為磁場未直接參與能量轉(zhuǎn)換， 可以得到電機(jī)的能量平衡圖。如圖所示：機(jī)械系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)耦合轉(zhuǎn)軸 Reiu電系統(tǒng)引線由鐵耗產(chǎn)生的熱量由銅耗產(chǎn)生的熱量圖0-20電機(jī)中能量平衡圖0-4旋轉(zhuǎn)電機(jī)中的電動勢、轉(zhuǎn)矩與能量轉(zhuǎn)換機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵在于耦合磁場對電系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的作用和反作用。耦合磁場對電系統(tǒng)的作用和反作用表現(xiàn)在感應(yīng)電勢上。當(dāng)通過繞組的磁通發(fā)生變化時，繞組內(nèi)就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這種作用稱為“發(fā)電作用”。只有有了“發(fā)電作用”,電機(jī)才能向電系統(tǒng)發(fā)出或吸收電能，用微分形式表示為dW電=eidt。耦合磁場對機(jī)械系統(tǒng)的作用或反作用表現(xiàn)在電磁轉(zhuǎn)矩上。當(dāng)磁場儲

17、能隨轉(zhuǎn)子位置變動而變化時，轉(zhuǎn)子上就受到一個電磁轉(zhuǎn)矩，這種作用稱為“電動作用”。只是有了電磁轉(zhuǎn)矩T，電機(jī)才能從機(jī)械系統(tǒng)吸取或送出機(jī)械能。對于恒速運(yùn)行，轉(zhuǎn)子動能沒有變化，于是 ： dW機(jī)=Tdt。對于直流電機(jī)和三相交流電機(jī)的對稱穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，氣隙內(nèi)的磁場為恒幅的固dW電= dW機(jī)。電磁轉(zhuǎn)矩：發(fā)電機(jī)從機(jī)械系統(tǒng)吸收的機(jī)械能，通過磁場的作轉(zhuǎn)換成等量的電能；電動機(jī)從電系統(tǒng)吸收的電能通過磁場的用轉(zhuǎn)換成等量的機(jī)械能。這部分等量轉(zhuǎn)換的功率就稱為電磁率。如果 e和 i 按同頻率的正弦規(guī)律變化，則電磁功率的平均值為：n n1cos T為電動勢結(jié)論機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過程中具有極其重要的地位。概論0-4旋轉(zhuǎn)電機(jī)中的電動勢、轉(zhuǎn)矩與能量轉(zhuǎn)換電機(jī)的可逆性原理：不論是發(fā)電機(jī)還是電動機(jī)，既存在產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的發(fā)電作用，又存在產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的電動作用，只是兩者的作用不同。在發(fā)電機(jī)里，感應(yīng)電動勢與有功電流同方向，而電磁轉(zhuǎn)矩方向與轉(zhuǎn)向相反，因此前者稱為主電動勢，后者稱為反轉(zhuǎn)矩，原動機(jī)輸出機(jī)械功率給發(fā)電機(jī)，平衡制動性質(zhì)的電磁反轉(zhuǎn)矩，才能拖動發(fā)電機(jī)恒速旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)繞組中感應(yīng)電動勢，從而向負(fù)載輸出電功率。電機(jī)的可逆性原理：在電動機(jī)里，電磁轉(zhuǎn)矩方向與轉(zhuǎn)向一致，而感應(yīng)電動勢與有功電流方向相反，所以前者稱為主轉(zhuǎn)矩，后者稱為反電動勢，電