ElectricalMachinery張新華江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院

SchoolofElectricalandInformationEngineering,JiangsuUniversity電機學(xué)廣義定義：電機可泛指和電能有關(guān)的器械，即所有實施電能生產(chǎn)、傳輸、使用和電能特性變換的機械裝置都可泛稱為電機。（狹義）定義：電機是一種以磁場為耦合媒介，依據(jù)電磁感應(yīng)原理實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的電磁機械裝置。作用：與電能生產(chǎn)、輸送和應(yīng)用有關(guān)的能量轉(zhuǎn)換機械裝置。將機械功率轉(zhuǎn)換為電功率---發(fā)電機將電功率轉(zhuǎn)換為機械功率---電動機將一種形式電功率轉(zhuǎn)換為一種形式電功率---變壓器1.1概述

1.電機在國民經(jīng)濟中的重要作用發(fā)電機國產(chǎn)200MW汽輪發(fā)電機汽輪發(fā)電機定子發(fā)電機汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子發(fā)電機水輪發(fā)電機發(fā)電機水輪發(fā)電機發(fā)電機連接發(fā)電機與電網(wǎng)的升壓變壓器(檢修中)連接發(fā)電機的封閉母線與電網(wǎng)相連的高壓出線端變壓器變壓器干式變壓器油浸變壓器各行業(yè)廣泛使用鼠籠異步電動機

電動機，作為原動機拖動各類機械設(shè)備。應(yīng)用廣泛，在電力系統(tǒng)全部負(fù)荷中，所占比例超過60%。電動機1.1概述

1.電機在國民經(jīng)濟中的重要作用電力工業(yè)中：發(fā)電機和變壓器。工礦企業(yè)中：風(fēng)機、泵、壓縮機、軋機、起重機、機床、輕工機械及礦山機械等。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中：收割機、脫粒機、粉碎機、抽水機和農(nóng)副產(chǎn)品加工機械等。交通運輸中：電力機車、電動汽車、飛機輪船等。國防行業(yè)中：雷達(dá)天線、火炮控制系統(tǒng)、衛(wèi)星控制系統(tǒng)等。醫(yī)療和日常生活中：醫(yī)療機械、空調(diào)、冰箱、洗衣機、電扇、吸塵器和食品加工機器等。電機分類方法很多，通常按以下幾種方式分類：（1）按運動形式分類可分為：①靜止電機：電機沒有可運動的部分，是一種靜止的能量變換裝置。②旋轉(zhuǎn)電機：電機的可動部分是轉(zhuǎn)動的。③直線電機：電機的可動部分是直線運動的，可看作是旋轉(zhuǎn)電機的一種演變。1.1概述

2.電機的分類電機控制電機——信號的傳遞和轉(zhuǎn)換，用于自動控制系統(tǒng)中，作為執(zhí)行、檢測、計算或轉(zhuǎn)換元件（2）按能量轉(zhuǎn)換和用途可分為：發(fā)電機——機械能電能電動機——電能機械能變壓器——電能電能（等頻不等壓）1.1概述

2.電機的分類電機靜止電機（變壓器）直流電機直流發(fā)電機直流電動機交流電機同步電機同步發(fā)電機同步電動機異步電機異步發(fā)電機異步電動機（3）按運動形式、電源和原理分：旋轉(zhuǎn)電機1.1概述

2.電機的分類

定位：十分重要的專業(yè)基礎(chǔ)課專業(yè)模塊電力系統(tǒng)電氣傳動工業(yè)生產(chǎn)自動化電力工程計算電力系統(tǒng)計算電力系統(tǒng)繼電保護智能電網(wǎng)技術(shù)新能源發(fā)電與控制技術(shù)電機學(xué)電力拖動基礎(chǔ)

微特電機及系統(tǒng)電力拖動自動控制系統(tǒng)現(xiàn)代電機CAD技術(shù)

永磁電機及其控制電氣控制與PLC應(yīng)用DSP原理及電機控制應(yīng)用1.1概述

3.電機學(xué)課程性質(zhì)電機的基本理論第一篇變壓器第二篇交流繞組及其電動勢和磁動勢第三篇感應(yīng)（異步）電機的穩(wěn)態(tài)分析第四篇同步電機的穩(wěn)態(tài)分析第五篇直流電機的穩(wěn)態(tài)分析1.1概述

4.課程內(nèi)容

基本目標(biāo)：（1）掌握電機的基本結(jié)構(gòu)（2）掌握電機運行的基本原理（3）掌握電機內(nèi)部電磁關(guān)系（4）掌握電機的等效電路、相量圖（5）掌握直流電機、交流電機、變壓器運行特性，能夠選擇電機的起動、調(diào)速、制動方案，并進(jìn)行參數(shù)計算。1.1概述

5.電機學(xué)課程基本目標(biāo)

內(nèi)容特點：（1）理論基礎(chǔ)：物理、電路（2）專業(yè)性和綜合性理論課分析的一般是邏輯性較強、條件單純和理想的問題，涉及的器件、裝置是理想化、非具體的；電機學(xué)中，分析的是工程實際中使用的各種類型的具體電機，不僅有較強的理論性，而且由于涉及的條件和因素比較復(fù)雜，因此又有較強的專業(yè)性和綜合性。1.1

概述

6.電機學(xué)課程內(nèi)容特點（3）主要特點：①電與磁結(jié)合：電機是依靠電磁感應(yīng)原理進(jìn)行能量交換的機械裝置，既涉及電路理論，又涉及磁路理論；②具體與抽象結(jié)合：不同類型電機具有不同的具體結(jié)構(gòu)形式，但磁場作為其工作的基礎(chǔ)，又是難以直接觀測到的，且不同類型電機中的磁場又有相同或相通的一面；③時間與空間結(jié)合：在電磁過程分析中，既有時間相量，又有空間矢量，兩者在時-空相矢圖中又相互影響、相互演化，并形成統(tǒng)一；1.1

概述

6.電機學(xué)課程內(nèi)容特點④線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)結(jié)合：線性等效電路是分析電機穩(wěn)態(tài)運行的有效手段，但電機的主磁路是非線性的，磁路的飽和程度會引起等效電路相關(guān)參數(shù)變化；⑤諸多關(guān)系平衡且相互制約：電機穩(wěn)態(tài)運行中涉及電壓平衡、電流平衡或磁動勢平衡、功率平衡、力或轉(zhuǎn)矩平衡，這些都是分析問題的前提和基礎(chǔ)。1.1

概述

6.電機學(xué)課程內(nèi)容特點理論聯(lián)系實際，重視科學(xué)實驗和工程實踐。學(xué)會抓住主要矛盾，培養(yǎng)工程觀點。注意學(xué)習(xí)方法，重視培養(yǎng)能力。重視實踐活動，培養(yǎng)動手能力。1.1

概述

7.學(xué)習(xí)方法1.2

磁路與磁路定律1.2.1磁場的基本物理量1.2.2磁路及其基本定律1.2.3磁路與電路類比1.2.4磁場儲能1.2.5鐵心磁路計算簡介1.磁感應(yīng)強度與磁感應(yīng)線電流（運動電荷）或永磁體在其周圍產(chǎn)生一種特殊形態(tài)的物質(zhì)，稱之為磁場。1.2

磁路與磁路定律

1.2.1

磁場的基本物理量磁場的大小和方向可用磁感應(yīng)強度B來表示，它是一個矢量，單位為特斯拉（T）。若設(shè)想用假想的曲線來表示磁場的分布，則規(guī)定曲線上的每一點的切線方向就是該點磁感應(yīng)強度B的方向，這樣的曲線叫做磁感應(yīng)線或磁力線。載流長直導(dǎo)體、環(huán)形導(dǎo)線和螺線管的磁感應(yīng)線2.磁通磁通量是指設(shè)在磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中，有一個面積為S且與磁場方向垂直的平面，磁感應(yīng)強度B與面積S的乘積叫做穿過這個平面的磁通量，簡稱磁通，用Φ表示，即磁通Φ是一個標(biāo)量，單位為韋伯（Wb），可用通過這個平面的磁感線的條數(shù)的多少來形象地反映。在一般情況下，磁通量是通過磁感應(yīng)強度Φ在曲面面積上的積分定義的，定義為1.2

磁路與磁路定律

1.2.1

磁場的基本物理量實例1：可以寫成：即磁感應(yīng)強度B可以看成是單位面積的磁通，因此工程上常將磁感應(yīng)強度稱為磁通密度，簡稱磁密。實例2：由于磁感應(yīng)線是閉合的，對于任一閉合的曲面，則進(jìn)入該閉合曲面的磁感應(yīng)線數(shù)等于穿出該閉合曲面的磁感應(yīng)線數(shù)，即有進(jìn)入閉合曲面的磁通量恒等于穿出該閉合曲面的磁通量，或者說，進(jìn)入（穿出）閉合曲面的總磁通量恒等于零，稱為磁通連續(xù)性定律。1.2

磁路與磁路定律

1.2.1

磁場的基本物理量3.磁場強度與磁導(dǎo)率表征磁場性質(zhì)的另一個物理量是磁場強度，用H表示，它也是一個矢量，單位為安每米（A/m）。在各向同性的介質(zhì)中，磁場某點的磁場強度與磁通密度滿足μ：磁導(dǎo)率，表征了物質(zhì)的導(dǎo)磁性能。載流導(dǎo)體在不同的介質(zhì)中，在同樣的電流激勵下，產(chǎn)生磁場的效果是不同的。在電機中應(yīng)用的材料，按其導(dǎo)磁性能可以分為非鐵磁材料和鐵磁材料。1.2

磁路與磁路定律

1.2.1

磁場的基本物理量非鐵磁材料和鐵磁材料：（1）非鐵磁材料：如空氣、銅、鋁和絕緣材料等，它們的磁導(dǎo)率可認(rèn)為等于真空中磁導(dǎo)率μ0，；（2）鐵磁材料：如鐵、鈷、鎳等，μ遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于真空中的磁導(dǎo)率，且隨外部磁場的變化有關(guān)。把物質(zhì)的磁導(dǎo)率μ與真空磁導(dǎo)率μ0的比值定義為相對磁導(dǎo)率μr，即

μr是一個無量綱的參數(shù)。對于非鐵磁材料，μr接近于1，實際應(yīng)用中通常假定μr=1；而對于鐵磁材料，μr>>1。鐵磁材料相對磁導(dǎo)率μr：103~105。1.2

磁路與磁路定律

1.2.1

磁場的基本物理量1.磁路的概念磁通所通過的路徑叫磁路（電流流經(jīng)的路徑叫電路）。兩種常見的磁路：1.2

磁路與磁路定律

1.2.2

磁路及其基本定律變壓器磁路直流電機的磁路2.磁路的基本定律（1）安培環(huán)路定律（全電流定律）設(shè)空間有多根載流導(dǎo)體，磁場強度H沿任一曲線L的線積分定義為該曲線上的磁壓降或磁位降，簡稱為磁壓，用Um表示，單位為安（A），即若磁場強度H的方向總是沿曲線L的切線方向，且大小處處相等，此時可簡化為式中l(wèi)為曲線L的長度。1.2

磁路與磁路定律

1.2.2

磁路及其基本定律沿任一閉合曲線L，磁場強度H的線積分值等于該閉合曲線所包圍的電流的代數(shù)和，即1.2

磁路與磁路定律

1.2.2

磁路及其基本定律這一定律稱為安培環(huán)路定律，又稱為全電流定律。若電流的正方向與閉合曲線的繞行方向符合右手螺旋關(guān)系，則電流取正號，反之取負(fù)號。即有安培環(huán)路定律(全電流定律)實例：為一無分支閉合鐵心磁路，若不計漏磁通，認(rèn)為所有磁感應(yīng)線均被約束在鐵心內(nèi)，并假設(shè)各截面內(nèi)磁場均勻分布，磁通密度B和磁場強度H的方向總是沿閉合曲線L的切線方向，且大小處處相等，此時可簡化為式中，F(xiàn)=NI稱為磁動勢，表示電流流過導(dǎo)體產(chǎn)生磁場強度的能力，是用于度量磁場的物理量之一，單位為安培（A），類比于電路中的電動勢。磁動勢方向與線圈電流方向之間符合右手螺旋關(guān)系。1.2

磁路與磁路定律

1.2.2

磁路及其基本定律等截面積無分支閉合鐵心磁路示意圖（2）磁路的歐姆定律式中，Rm稱為磁路的磁阻，單位A/Wb；Λ稱為磁路的磁導(dǎo)，單位為Wb/A或H。磁阻Rm與磁路的平均長度l成正比，與磁路的截面積S及構(gòu)成磁路材料的磁導(dǎo)率μ成反比。需要注意的是，鐵磁材料的磁導(dǎo)率很大，所以由鐵磁材料構(gòu)成的磁路，其磁阻很?。昏F磁材料的磁導(dǎo)率不是常數(shù)，因此相應(yīng)的磁阻也不是常數(shù)，而是隨著磁路中的磁通密度變化而變化，即鐵磁材料的磁路具有非線性。1.2

磁路與磁路定律

1.2.2

磁路及其基本定律無分支閉合鐵心等效磁路實例：雖然lFe>>δ

，但μFe>>>μ0，所以一般有：

RmFe<<Rmδ結(jié)論：氣隙是形成磁路磁阻的主要原因，磁路中很小的氣隙將會形成很大的磁阻，將產(chǎn)生很大的磁壓降或消耗很大的磁動勢。1.2

磁路與磁路定律

1.2.2

磁路及其基本定律鐵心磁阻：氣隙磁阻：帶有氣隙無分支閉合鐵心磁路不計漏磁時：（3）磁路的基爾霍夫第一定律根據(jù)磁通連續(xù)性定律可得:與電路的基爾霍夫第一定律形式上相似，稱為磁路的基爾霍夫第一定律。1.2

磁路與磁路定律

1.2.2

磁路及其基本定律帶有氣隙的有分支鐵心磁路（4）磁路的基爾霍夫第二定律對于左側(cè)、中間鐵心和氣隙段組成的閉合路徑，根據(jù)安培環(huán)路定律，可得：1.2

磁路與磁路定律

1.2.2

磁路及其基本定律同理，對由左、右側(cè)鐵心組成的閉合路徑，以順時針方向為繞行方向，根據(jù)安培環(huán)路定律，可得：1.2

磁路與磁路定律

1.2.2

磁路及其基本定律任一閉合磁路上磁動勢的代數(shù)和恒等于該閉合磁路各段磁壓降的代數(shù)和，即。這類似于電路的基爾霍夫電壓定律，與形式上一致，因此稱為磁路的基爾霍夫第二定律。它實質(zhì)上是安培環(huán)路定律的另一種表達(dá)形式。1.2

磁路與磁路定律

1.2.2

磁路及其基本定律例1-1：如圖所示閉合鐵心磁路，鐵心截面積，磁路的平均長度，鐵心的磁導(dǎo)率（），套裝在鐵心上的勵磁繞組為1000匝，若需在鐵心中產(chǎn)生磁通密度為1T的磁場，忽略漏磁，試求：（1）所需要的磁動勢和勵磁電流。（2）在磁路中開一個長度為的氣隙時，所需要的勵磁磁動勢。（需考慮氣隙磁場的邊緣效應(yīng)）邊緣效應(yīng)1.2

磁路與磁路定律

1.2.2

磁路及其基本定律解：（1）用安培環(huán)路定律計算磁場強度為勵磁磁動勢為勵磁電流為（2）磁路的基爾霍夫第二定律計算鐵心的磁場強度氣隙的磁場強度注：考慮氣隙磁場的邊緣效應(yīng)時，氣隙的有效面積比實際面積大，當(dāng)氣隙長度遠(yuǎn)小于截面的長、寬時，在計算氣隙的有效面積時，通常在截面的長、寬值上各增加一個氣隙長度。1.2

磁路與磁路定律

1.2.2

磁路及其基本定律鐵心的磁壓降氣隙的磁壓降勵磁磁動勢為由此可見，氣隙雖然很短，占整個磁路的0.33%，但消耗的磁動勢或產(chǎn)生的磁壓降卻占整個磁路的88.6%，所以氣隙的大小對電機磁場的影響很大。在工程計算中，存在氣隙時，很多情況下可以忽略鐵心的磁壓降，即認(rèn)為磁動勢主要消耗在氣隙上。1.2

磁路與磁路定律

1.2.2

磁路及其基本定律1.2

磁路與磁路定律

1.2.3

磁路與電路類比基本物理量基本定律磁路電路定律磁路電路磁動勢

電動勢

歐姆定律磁通

電流

磁阻

電阻

基爾霍夫第一定律磁導(dǎo)

電導(dǎo)

磁通密度

（

）電流密度

（

）基爾霍夫第二定律注：表格中各物理量和基本定律公式雖然以直流磁路和直流電路形式給出，但同樣適用于交流磁路和交流電路，將相應(yīng)物理量用瞬時值形式表示即可。磁路和電路的比擬，僅是一種數(shù)學(xué)描述形式上的類似，而不是物理本質(zhì)的相似，兩者的概念、性質(zhì)是完全不同的，主要表現(xiàn)在以下方面。（1）電路中只要有電流，電阻上就有功率損耗；磁路中，磁通恒定的直流磁路中沒有鐵心損耗，只有磁通交變的磁路中才會產(chǎn)生鐵心損耗，因此磁路中有磁通卻不一定有損耗。（2）電路中導(dǎo)體的電阻率受溫度影響變化相對較小，通常情況下，可認(rèn)為電阻是常數(shù)，分析線性電路時可以應(yīng)用疊加定理；磁路中鐵磁材料的磁導(dǎo)率與磁路的飽和程度有關(guān)，是磁通密度的函數(shù)，磁路的磁阻不是常數(shù)，磁路計算時疊加定理不再適用，只有當(dāng)磁路不飽和時才可以應(yīng)用。（3）電路中可以有電動勢而沒有電流，可以認(rèn)為電流只在導(dǎo)體中流通，導(dǎo)體外沒有電流；磁路中，只要有磁動勢就一定有磁通，磁通除了在鐵磁材料中流通外，總有一部分漏磁通分布在周圍非鐵磁材料組成的介質(zhì)中。1.2

磁路與磁路定律

1.2.3

磁路與電路類比1.2

磁路與磁路定律

1.2.4

磁場儲能磁場作為一種特殊形式的物質(zhì)，也能夠象電場一樣儲存能量，該能量是在建立磁場的過程中由外部能源的能量轉(zhuǎn)換而來。磁場中某點處的體積能量密度為對于線性磁介質(zhì)，磁導(dǎo)率為常數(shù)，則可表示為磁場的總儲能Wm為體積能量密度wm的體積分由于鐵磁材料的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)高于空氣的磁導(dǎo)率，達(dá)數(shù)千倍。雖然空氣隙的體積遠(yuǎn)小于定、轉(zhuǎn)子鐵心的體積，但電機中的磁場能量主要存儲在空氣隙中。磁路計算是電機分析特別是設(shè)計中的一項重要工作，其任務(wù)是確定磁動勢F、磁通Φ和磁路（如材料、形狀和幾何尺寸等）之間的關(guān)系。磁路計算問題有兩種類型：（1）正問題求解，給定磁路中的磁通，計算所需的磁動勢；（2）逆問題求解，給定磁動勢，求它產(chǎn)生的磁通。電機設(shè)計中的磁路計算通常屬于正問題求解。由于鐵心磁路具有非線性，因此在鐵心磁路的定量計算中，通常不用磁阻（或磁導(dǎo)）概念和磁路歐姆定律，而是應(yīng)用安培環(huán)路定律和各段磁路材料的磁化曲線。1.2

磁路與磁路定律

1.2.5

鐵心磁路計算簡介對于直流磁路計算中的正問題，其一般的計算步驟如下：（1）將磁路按照材料、截面積和磁通的不同，分成均勻的若干段；（2）計算各段磁路的有效截面積Sk和平均長度lk；（3）根據(jù)各段磁路的磁通Φk，計算各段磁路的平均磁通密度Bk=Φk/Sk；（4）由Bk求Hk，對非鐵磁材料，Hk=Bk/μ0；對鐵磁材料，Hk由基本磁化曲線（B-H關(guān)系曲線）查出；（5）計算各段磁路的磁壓降Hklk，再求得所需的磁動勢F=∑Hklk。在Φk和Hk的計算中，經(jīng)常需要根據(jù)磁路的基爾霍夫第一、第二定律列寫方程式來求解。對于直流磁路計算的逆問題，由于磁路有非線性，因此通常采用迭代法求解。1.2

磁路與磁路定律

1.2.5

鐵心磁路計算簡介1.3鐵磁材料及其特性1.3.1鐵磁材料的磁化曲線1.3.2永磁磁路1.3.3鐵心損耗鐵磁物質(zhì)的磁化—磁化現(xiàn)象鐵磁材料在外磁場中會呈現(xiàn)很強的磁性，這種現(xiàn)象稱為磁化，可用磁疇理論來解釋。1.3

鐵磁材料及其特性

1.3.1

鐵磁材料的磁化曲線（a）未磁化的鐵磁材料（b）磁化后的鐵磁材料由于磁場所產(chǎn)生的附加磁場比非鐵磁材料在同一磁場強度下所激勵的磁場強得多，所以鐵磁材料的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于非鐵磁材料的磁導(dǎo)率。1.初始磁化曲線鐵磁材料的初始磁化曲線初始始磁化曲線大致可分為四段：（1）第1段：H從0開始增加且很小時，與外磁場方向接近的磁疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)，B增加得不快，磁導(dǎo)率μFe較小，如圖中Oa段所示。（2）第2段：H持續(xù)增大且較強，大部分磁疇開始轉(zhuǎn)動，B迅速增加，μFe較大且基本不變，如圖中ab段所示。（3）第3段：隨著H繼續(xù)增大，大部分磁疇已趨向外磁場方向，B增加得越來越慢，μFe隨B的增加反而減小，如圖中bc段所示。這種隨著H增大，B增加很小的狀態(tài)稱為磁飽和，通常簡稱為飽和。（4）第4段：到達(dá)飽和狀態(tài)以后，H再增加，B增加的也有限，磁化曲線趨向于與非鐵磁材料的曲線平行，如圖中cd段所示。1.3

鐵磁材料及其特性

1.3.1

鐵磁材料的磁化曲線鐵磁材料的初始磁化曲線說明：（1）鐵磁材料的初始磁化曲線與非鐵磁材料不同，具有非線性和飽和性的特點，在不同的磁通密度下有不同的磁導(dǎo)率，即μFe隨H的變化而變化，如圖中曲線μFe=f(H)所示。（2）電機設(shè)計時，為了節(jié)省導(dǎo)磁材料和導(dǎo)電材料，減小體積，主磁路中磁通密度不能太高，但也不能太低，通常把額定磁通密度取為圖中b點附近的值，該點是磁化曲線的拐彎處，稱為膝點。1.3

鐵磁材料及其特性

1.3.1

鐵磁材料的磁化曲線2.磁滯回線鐵磁材料的磁滯回線若將鐵磁材料置于交變的外磁場中進(jìn)行周期性磁化，磁通密度B與磁場強度H之間不再是初始始磁化曲線的關(guān)系，而是如圖所示的磁滯回線關(guān)系。關(guān)于原點對稱閉合回線，稱之為磁滯回線。（1）在外磁場的H=0（去掉外磁場）時，鐵磁材料內(nèi)仍然保留的磁通密度值Br稱為剩余磁通密度，簡稱剩磁。（2）當(dāng)反向的H達(dá)到-Hc時，B從Br減小到0。B為零時對應(yīng)的反向磁場強度值Hc稱為矯頑力。（3）鐵磁材料所具有的這種B的變化滯后于H變化的現(xiàn)象，稱為磁滯現(xiàn)象。1.3

鐵磁材料及其特性

1.3.1

鐵磁材料的磁化曲線3.鐵磁材料的分類軟磁、硬磁材料的磁滯回線根據(jù)磁滯回線的不同，可將鐵磁材料分為軟磁材料和硬磁材料。（1）軟磁材料：矯頑力小，磁滯回線較窄，磁導(dǎo)率很大，容易被磁化，在較低的外磁場的作用下就能產(chǎn)生較高的磁密，且剩磁小。在電機中應(yīng)用的軟磁材料：鑄鋼、鑄鐵、電工鋼片(硅鋼片)。（2）硬磁材料：磁滯回線寬闊，Hc、Br

較大，μ較小，不容易磁化，也不容易去磁，當(dāng)外磁場消失后，能保持相當(dāng)強且穩(wěn)定的磁性，通常用作永久磁鐵。常用的永磁材料有釹鐵硼、稀土鈷、鐵氧體、鋁鎳鈷等，其性能主要由Hc、Br和最大磁能積(BH)max

這三個指標(biāo)來表征。一般這三個主要性能指標(biāo)值越大，材料的磁性能越好。有的電機中采用永磁體來產(chǎn)生磁場，這類電機稱為永磁電機。1.3

鐵磁材料及其特性

1.3.1

鐵磁材料的磁化曲線4.基本磁化曲線基本磁化曲線鐵磁材料的磁滯回線較為復(fù)雜，且B與H之間為多值函數(shù)，在工程實際中使用不便。對同一鐵磁材料，選擇不同Hm進(jìn)行反復(fù)磁化，可得到一系列大小不同的磁滯回線，如圖所示。把各磁滯回線在第一象限的頂點連接起來，所得到的曲線稱為基本磁化曲線或平均磁化曲線?；敬呕€雖然不是初始磁化曲線，但與初始磁化曲線差別不大。對軟磁材料，工程中廣泛泛采用基本磁化曲線來代替磁滯回線，以解決B與H為多值函數(shù)的問題，雖然存在一定的誤差，但通常是工程計算所允許的。生產(chǎn)廠家提供的軟磁材料的磁化曲線，一般都是基本磁化曲線，以實測曲線或數(shù)據(jù)表格的形式給出。1.3

鐵磁材料及其特性

1.3.1

鐵磁材料的磁化曲線例1-2：如圖所示單支路鐵心磁路中，鐵心用硅鋼片DR510-50（磁化曲線見表1-2）疊成，截面積，鐵心的平均長度，氣隙長度，忽略漏磁，但需計及氣隙磁場的邊緣效應(yīng)，試求：（1）在鐵心中產(chǎn)生磁通時所需的磁動勢。（2）若線圈提供的磁動勢F=640A，鐵心中的磁通密度。邊緣效應(yīng)1.3

鐵磁材料及其特性

1.3.1

鐵磁材料的磁化曲線解：（1）鐵心的磁通密度查DR510-50硅鋼片磁化曲線表，得HFe為493A/m。氣隙的磁場強度鐵心的磁壓降氣隙的磁壓降勵磁磁動勢為1.3

鐵磁材料及其特性

1.3.1

鐵磁材料的磁化曲線②給定，得，，，??；③給定，得，，終止迭代，取，則（2）給定誤差ε

=2A，迭代開始：①給定，得，，，?。?.3

鐵磁材料及其特性

1.3.1

鐵磁材料的磁化曲線1.3鐵磁材料及其特性

1.3.2永磁磁路永磁體類硬磁材料預(yù)先磁化（充磁）后，不再需要消耗能量就可以以較小的體積在空間內(nèi)形成較強的穩(wěn)定磁場，可以提高效率、減小體積、節(jié)約材料，且使用便利、維護簡單，所以在電機和電氣工程中得到日益廣泛的應(yīng)用。開有氣隙的永磁磁路永磁體磁化過程通常是：先在永磁體上套一個密繞的勵磁線圈（圖中省略），并在氣隙處填入一塊高導(dǎo)磁鐵心制成的銜鐵，組成一個閉合的磁路；然后在線圈內(nèi)通入勵磁電流，至完全磁化后，切除電源，如忽略漏磁和鐵心（包括銜鐵）的磁阻，永磁體和鐵心內(nèi)的磁通密度即為剩磁Br；取下線圈和銜鐵，則永磁體就會對外呈現(xiàn)一定的磁性并在氣隙中產(chǎn)生磁通。充磁時在氣隙中填入銜鐵，可以減小勵磁電流，同時也是為了使充磁更均勻。永磁體工作點的確定式中，BpM為永磁體中的磁通密度；HpM為永磁體的磁場強度；lpM為永磁體的長度；

δ為氣隙的長度?？梢姡海?）永磁體內(nèi)的磁場強度HpM為負(fù)值，永磁體工作于磁滯回線的第二象限的退磁段，如圖中RC段所示。1.3鐵磁材料及其特性

1.3.2永磁磁路（2）永磁磁路存在氣隙時，BpM<Br，相當(dāng)于氣隙產(chǎn)生了去磁作用。（3）第二象限內(nèi)一條過原點、斜率為的直線，與退磁曲線的交點A（HpMA,BpMA）即為工作點。

lpM/δ越大，則工作點越接近于R點，BpM越大；反之，lpM/δ越小，則工作點越接近于C點，BpM越小，因此增大永磁體長度、減小工作氣隙可使永磁體磁路獲得較強的磁通密度。

不計邊緣效應(yīng)和漏磁時永磁體的體積為永磁體工作點的確定式中，VpM為永磁體中的體積；Vδ為氣隙的體積。（2）對于不同的永磁材料，最大磁能積(-HpMBpM)越大，產(chǎn)生同一氣隙磁通密度所需的永磁材料就越少，所以最大磁能積是永磁材料的三個主要性能指標(biāo)之一?？梢姡海?）為得到所需的氣隙磁通密度Bδ，應(yīng)盡可能把工作點選擇在退磁曲線(-HpMBpM)為最大的這一點，這樣可使永磁體體積最小。1.3鐵磁材料及其特性

1.3.2永磁磁路磁滯損耗渦流損耗鐵心損耗=磁滯損耗+渦流損耗1.3鐵磁材料及其特性

1.3.3鐵心損耗1.磁滯損耗磁滯損耗是導(dǎo)磁體反復(fù)被磁化，其磁疇相互不停地摩擦，分子運動所消耗的能量。工程上常用的經(jīng)驗公式為：Ch—由導(dǎo)磁體材料決定的磁滯損耗系數(shù)；f—磁場交變頻率也即導(dǎo)磁體被反復(fù)磁化的頻率；Bm

—磁化過程中的最大磁通密度；n—與材料的性質(zhì)有關(guān)，其數(shù)值在1.5~2.0之間，作估算時可取2.0；V

—導(dǎo)磁體的體積。1.3鐵磁材料及其特性

1.3.3鐵心損耗2.渦流損耗鐵心既是導(dǎo)磁體又是導(dǎo)電體，交變磁場在鐵心內(nèi)產(chǎn)生自行閉合的感應(yīng)電流，稱為渦流，渦流在鐵心中產(chǎn)生的損耗，稱為渦流損耗。（a）整塊鐵磁材料（b）相互絕緣的薄片鐵磁材料鐵磁材料中的渦流渦流損耗的大小與磁場的交變頻率f、磁通密度最大值Bm、材料的電阻率ρ和垂直于磁場方向上的厚度Δ有關(guān)。f、Bm越大，感應(yīng)電動勢就越大，渦流損耗也越大；ρ越大，Δ越小，渦流流經(jīng)路徑的等效電阻就越大，渦流損耗就越小。1.3鐵磁材料及其特性

1.3.3鐵心損耗工程上常用的經(jīng)驗公式為：Ce—取決于鐵心材料的渦流損耗系數(shù)；V

—導(dǎo)磁體的體積；f—磁場交變頻率也即導(dǎo)磁體被反復(fù)磁化的頻率；Bm

—磁化過程中的最大磁通密度；Δ—疊片的厚度，在50Hz交變磁場中的疊片厚度一般在0.3~0.5mm之間。1.3鐵磁材料及其特性

1.3.3鐵心損耗3.鐵心損耗鐵心損耗為磁滯損耗和渦流損耗之和對于一般電工鋼片，Bm在1.8T以內(nèi)，可近似表示為：CFe—鐵心的損耗系數(shù)；G—鐵心重量。鐵心中有恒定磁通并不產(chǎn)生鐵耗，只有交變磁通才會在鐵芯中產(chǎn)生鐵耗。鐵耗與鐵芯材料的特性、磁通密度、頻率及鐵心體積（重量）有關(guān)。1.3鐵磁材料及其特性

1.3.3鐵心損耗1.4電機的基本理論1.4.1電磁感應(yīng)定律1.4.2電感與電抗1.4.3電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩1.4.4電機可逆性原理1.4.5能量守恒定律電機是通過電磁感應(yīng)原理來實現(xiàn)能量變換的。1.4電機的基本理論

1.4.1

電磁感應(yīng)定律當(dāng)與某一線圈交鏈的磁通（磁鏈）發(fā)生變化時，在該線圈中就會感應(yīng)出電動勢，這種現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)。電磁感應(yīng)定律示意圖如圖所示，設(shè)線圈的匝數(shù)為N匝，且每匝線圈所交鏈的磁通相同，規(guī)定感應(yīng)電動勢的正方向與磁通的正方向符合右手定則，則感應(yīng)電動勢e可表示為當(dāng)磁通增加時，e<0，說明感應(yīng)電動勢及其產(chǎn)生的電流與圖所示方向相反，試圖減小磁通，阻礙磁通增加；當(dāng)磁通減小時，e>0，說明感應(yīng)電動勢及其產(chǎn)生的電流與圖所示方向相同，試圖增大磁通，阻礙磁通減小。致使線圈磁通變化的原因可分為兩類：一類是磁通本身隨時間變化，即磁通是時間的函數(shù)；另一類是線圈與磁場間有相對運動，即磁通是相對位移的函數(shù)。綜合起來，磁通的的全增量即為1.4電機的基本理論

1.4.1

電磁感應(yīng)定律式中，v=dx/dt為線圈沿磁場垂直方向相對于磁場的運動速度為變壓器電動勢;為運動電動勢，或切割電動勢。則感應(yīng)電動勢可表示為1.變壓器電動勢線圈與磁場相對靜止，與線圈交鏈的磁通按正弦規(guī)律變化，設(shè)1.4電機的基本理論

1.4.1

電磁感應(yīng)定律式中，Em=NωΦm為感應(yīng)電動勢幅值?？梢姡寒?dāng)與線圈交鏈的磁通按正弦規(guī)律變化時，在線圈內(nèi)感應(yīng)的電動勢也按正弦規(guī)律變化，但感應(yīng)電動勢在相位上滯后磁通90°。感應(yīng)電動勢的有效值E為波形圖表示相位關(guān)系2.運動電動勢若磁場恒定，線圈平面與磁感應(yīng)線垂直，線圈沿磁場垂直方向運動并引起與線圈交鏈的磁通發(fā)生變化，也在線圈中感應(yīng)出電動勢。若磁場、導(dǎo)體長度和導(dǎo)體的運動方向三者相互垂直，則根據(jù)電磁感應(yīng)定律可以導(dǎo)出導(dǎo)體內(nèi)的感應(yīng)電動勢的大小為1.4電機的基本理論

1.4.1

電磁感應(yīng)定律式中，l為直導(dǎo)體的長度，v為直導(dǎo)體切割磁感應(yīng)線的速度。感應(yīng)電動勢方向按右手定則確定。右手定則確定磁鏈：1.4電機的基本理論

1.4.2電感與電抗1.自感當(dāng)線圈中有電流流通時，就會產(chǎn)生與線圈交鏈的磁通Φ（磁鏈Ψ）。自感L等于單位電流所產(chǎn)生的磁鏈，即自感L反映了單位電流所產(chǎn)生磁鏈或磁場的能力。很顯然，線圈磁路的導(dǎo)磁能力越強，則單位電流產(chǎn)生的磁鏈越大，則對應(yīng)的自感L也越大。通常，為增大L，線圈需借助鐵磁材料構(gòu)成磁路。1.4電機的基本理論

1.4.2電感與電抗若N匝線圈中每匝線圈所交鏈的磁通相同，則可見：（1）線圈的自感L與線圈匝數(shù)的平方N2成正比，與磁路的磁導(dǎo)Λ成正比。（2）由于鐵磁材料的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣的磁導(dǎo)率，因此鐵心線圈的自感比空心線圈的自感要大的多。（3）由于鐵心磁路會飽和，其磁導(dǎo)率不是常數(shù)，隨磁路飽和而下降，因此鐵心線圈電感也不是常數(shù)，隨著磁路飽和而減小?？招木€圈鐵心線圈1.4電機的基本理論

1.4.2電感與電抗2.互感如圖所示，線圈1和線圈2的匝數(shù)分別為N1和N2，線圈1中有電流i1流過時，產(chǎn)生的磁通與繞組有兩種交鏈形式，一種只自身繞組交鏈，為全磁通Φ11，在繞組1中形成磁鏈Ψ11；另一種同時與繞組1和繞組2交鏈，為互磁通Φ21，在線圈2中形成磁鏈Ψ21。Ψ21與產(chǎn)生它的電流i1的比例系數(shù)稱為線圈1對線圈2的互感，用M21表示，即式中，Λ21為互磁通Φ21所經(jīng)過路徑的磁導(dǎo)。線圈1有電流時產(chǎn)生磁通1.4電機的基本理論

1.4.2電感與電抗同理，如圖所示，線圈1中有電流i2流過時，除了產(chǎn)生與線圈2的磁鏈Ψ22，還會產(chǎn)生與線圈1交鏈的磁通Ψ12。Ψ12與產(chǎn)生它的電流i2的比例系數(shù)稱為線圈2對線圈1的互感，用M12表示，即由于Λ12=Λ21，所以M12=

M21=M。線圈2有電流時產(chǎn)生磁通1.4電機的基本理論

1.4.2電感與電抗3.漏感如圖所示，通電線圈1產(chǎn)生的磁通由兩部分組成，一部分為互磁通Φ21，與線圈1和線圈2同時交鏈；另一部分為漏磁通Φ1σ

，在線圈1中形成漏磁鏈Ψ1σ。同理，通電線圈2產(chǎn)生漏磁通Φ1σ和漏磁鏈Ψ1σ。漏磁鏈與產(chǎn)生它的電流的比例系數(shù)稱為漏電感，簡稱漏感，于是有1.4電機的基本理論

1.4.2電感與電抗當(dāng)線圈中流過正弦交流電時，線圈的電感作用可用電抗X表示，即可見：（1）電抗與磁路的磁導(dǎo)成正比。（2）電機的導(dǎo)磁材料為非線性，鐵心磁路飽和程度不同，相應(yīng)的磁導(dǎo)不同，所以電抗也就不同，即電機主磁路對應(yīng)的電抗與磁路的飽和程度有關(guān)。（3）電機漏磁路由氣隙形成的線性磁阻和鐵磁材料形成的非線性磁阻串聯(lián)組成，非線性磁阻數(shù)值較小，可以忽略不計，因此，電機漏磁路對應(yīng)的電抗（漏電抗）一般僅與電流交變頻率f和線圈匝數(shù)的平方N2成正比?？招木€圈鐵心線圈4.電抗1.4電機的基本理論

1.4.3電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩置于磁場中的載流導(dǎo)體受到力的作用，該力是由磁場和電流相互作用產(chǎn)生的，稱為電磁力。如圖所示，若載流導(dǎo)體處于勻強磁場中并與磁場垂直，作用于導(dǎo)體的電磁力fe為式中，B為導(dǎo)體所處的磁通密度，l為導(dǎo)體的長度，i為導(dǎo)體中的電流。這就是電磁力定律，也稱畢奧-薩伐電磁力定律。電磁力的方向按左手定則確定。電磁力方向的確定電磁轉(zhuǎn)矩Te：式中，r為力矩的半徑。在旋轉(zhuǎn)電機內(nèi)，作用在載流導(dǎo)體上的電磁力產(chǎn)生力矩作用，所有載流導(dǎo)體所受電磁力產(chǎn)生力矩的總和稱為電磁轉(zhuǎn)矩。1.4電機的基本理論

1.4.4電機可逆性原理1.發(fā)電機的基本運行原理如圖所示，一磁通密度為B的均勻磁場中放置間隔為l兩根平行的導(dǎo)電軌道，一導(dǎo)體在軌道上以速度v向右勻速滑行，各種損耗忽略不計。外接負(fù)載電阻RL構(gòu)成閉合回路，導(dǎo)體切割磁場在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢發(fā)電機模型輸出電功率P2：產(chǎn)生電流i順著感應(yīng)電動勢方向流向負(fù)載。導(dǎo)體受到電磁力fe：作用力f：輸入機械功率P1：可見，通過施加在導(dǎo)體上作用力f輸入的機械功率P1與輸出的電功率P2相等，滿足能量守恒定律。1.4電機的基本理論

1.4.4電機可逆性原理2.電動機的基本運行原理如圖所示，一磁通密度為B的均勻磁場中放置間隔為l兩根平行的導(dǎo)電軌道，負(fù)載阻力為fL，各種損耗忽略不計。外接電源向?qū)w提供電流i，則導(dǎo)體受到電磁力fe為電動機模型導(dǎo)體輸出的機械功率為P2：與負(fù)載阻力fL相平衡，維持導(dǎo)體以速度v向右勻速滑行，則導(dǎo)體切割磁場產(chǎn)生感應(yīng)電動勢：電源吸收電功率P1：同樣可得，電源吸收電功率P1與導(dǎo)體輸出的機械功率P2相等，滿足能量守恒定律。1.4電機的基本理論

1.4.4電機可逆性原理從電機基本運行原理可以看出，一臺電機既可以作為發(fā)電機運行，又可以作為電動機運行，這一性質(zhì)稱為電機的可逆性原理。電機無論是作為電動機運行還是作為發(fā)電機運行時，只要導(dǎo)體切割磁場，導(dǎo)體中就會有感應(yīng)電動勢產(chǎn)生；只要垂直于磁場的導(dǎo)體中有電流流通時，導(dǎo)體上就會有電磁力作用，因此電動勢和電磁力總是同時存在的。正是由于兩者同時存在，電機才能實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換（機械能轉(zhuǎn)換為電能或電能轉(zhuǎn)換為機械能）。簡單電機模型1.4電機的基本理論

1.4.5能量守恒定律電機內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換過程中，包含四種形式的能量：電能、機械能、磁場儲能和熱能。在電機內(nèi)轉(zhuǎn)化成熱量的能量主要有三種：①電路中的電阻損耗，稱為銅損耗；②各類機械摩擦損耗，稱為機械損耗；③交變磁場在鐵心磁路引起的鐵心損耗，稱為鐵損耗。這三部分損耗轉(zhuǎn)換為熱量后使電機有關(guān)部分發(fā)熱，這是一個不可逆的過程。電機中的能量平衡關(guān)系對于發(fā)電機，功率平衡方程為對于電動機，功率平衡方程為式中，Pmec為系統(tǒng)輸入/輸出機械功率，Pe為輸出/輸入電功率。1.5電機的制造材料電機的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)與其制造材料密切相關(guān)。電機所用材料可按功能分為導(dǎo)電、導(dǎo)磁、絕緣、散熱和機械支撐五種。1.導(dǎo)電材料銅和鋁的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能好，是電機最常用的導(dǎo)電材料。（1）銅：銅是最常用的到導(dǎo)電材料，電機中繞組、換向片和集電環(huán)一般用銅材料。（2）鋁：導(dǎo)電性能略次于銅，籠式異步電機的轉(zhuǎn)子繞組常用鋁澆鑄而成。（3