面向21世紀課程教材電機學湯蘊璆史乃編著李仁定主審機械工業出版社緒論§0.1電機在國民經濟中的作用

電機是一種機電能量轉換或信號轉換的電磁機械裝置。電機一般分為兩大類：（一）發電機——將電能轉換為機械能的一種電機；

（二）電動機——將電能轉換為機械能的一種電機；（三）變壓器——將一種形式的電能轉換為另一種形式的電能的靜止的電器。

由于電能有易于產生、能夠傳輸、方便使用等特點，所以電機廣泛應用于工農業生產和人們日常生活中。（就各種電機舉例說明）§0.2我國電機工業發展概況

解放前，我國的電機工業極端落后，只能小規模地生產小容量電機。解放后，我國電機工業得到快速發展。已成功研制出300MW和600MW的水氫氫冷的汽輪發電機，300MW的雙水內冷和全氫冷的汽輪發電機，650MW的核電機組；700MW的水輪發電機。電力變壓器的最大容量已達840MVA，電壓最高為1000kV。此外還研制出許多小型的特種電機，廣泛應用于自動控制系統。電動機容量也已達幾十MW根據全面建設小康社會的奮斗目標，預計到2020年，我國用電需求將達到7.7萬億千瓦時，發電裝機將在2008年基礎上翻一番，達到16億千瓦左右。即使如此，我國2020年人均用電量也僅相當于經濟合作組織國家2007年水平的一半，電力工業發展的任務還相當艱巨。2006年我國總裝機容量6.24億千瓦，年發電總量達2.85萬億千瓦時，發電量居世界第二。2009年裝機:火電74.6%，水電22.5%，核電1.0%，風電1.8%，大機組70萬kW（水），100萬kW（火）。非水可再生電源，如清潔風電開發，將以“建設大基地、融入大電網”的方式進行規劃和布局，分別在河北、內蒙古、吉林、甘肅、新疆、江蘇等省區建設多個千萬千瓦級風電基地。電動機是最大的用電戶美國占工業用電70％，中國占全國發電量的60％現代動力機械：蒸氣機、內燃機、電動機比較在功率、力矩、速度、可用行、可靠性、可維護性等方面電機都無與倫比。現代社會的生產和生活離不開電機

電機永在

電氣化交通特點：高效、節能、低碳排放方式：電氣化鐵路、電動汽車、

地鐵與輕軌、磁懸浮與直線電機驅動由電力機車或動車組牽引的列車行駛的鐵路電力機車單軸功率1600千瓦動車組單機功率600千瓦逆變器功率3000千伏安以上多臺電機的同步驅動控制鐵路系統的列車運行控制電氣化鐵路電動汽車純電動汽車、混合動力汽車、氫燃料電池汽車汽車發展觀有益于社會發展觀清潔汽油汽車（好）油電混合動力汽車（更好）天然氣汽車（最好）氫燃料電池汽車（最終）技術：電池高能密度、長放電時間、低價格電機高功率密度驅動電源和控制器、能量管理系統、智能及快

速充電技術一體化電機§0.3本課程任務學習本課程后，應達到下列基本要求：（1）對磁路的計算方法及交流鐵芯線圈的性能有基本了解。（2）對變壓器和三種主要電機的基本結構要有一定認識。（3）對各種電機正常穩態運行時的分析方法和運行性能，要牢固掌握.（4）對電機的能量關系、感應電動勢、磁場儲能、電磁轉矩和機電能量轉換過程，以及機電能量轉換的條件有一個基本了解。

（5）對同步電機的不對稱運行和交流電機在動態情況下的分析方法和相應的參數要有基本的了解；對一些典型的運行方式和動態過程，能作出正確的分析。（7）了解與電機有關工程問題，各種電機的應用范圍，電機的額定值，電機的各種性能指標等。（6）初步了解用計算機來計算電機穩態和動態問題的方法。（8）通過實驗，熟練地掌握電機的基本實驗方法和操作技能。能對實驗結果進行分析和評定，并初步具有檢查電機故障的能力。本課程內容：異步電機

變壓器2.交流電機：1.直流電機：直流發電機；直流電動機

同步電機電機學在電氣工程及其自動化專業中的地位特點：難教難學第一章磁路電機的工作原理是以電磁感應原理為基礎的，以電場和磁場作為藕合場的。所以磁場的強弱和分布不僅關系到電機的性能而且還將決定電機的體積和重量，所以磁場的分析和計算，對認識電機是很重要的。本章說明磁路的基本定律；介紹常用鐵磁材料及其性能；說明磁路的計算方法定子鐵心定子繞組轉子鐵心轉子繞組漏磁通主磁通漏磁通(a)變壓器的磁路主磁通漏磁通(b)兩極直流電機的磁路§1.1磁路的基本定律一.磁路的概念

磁路——磁通所通過的路徑。如圖所示，圖a是變壓器的磁路，圖b是兩極直流電機的磁路。

就電流產生的磁通而言，絕大部分磁通將沿鐵芯形成閉合回路，稱其為主磁通。還有少量的磁通沿載流線圈、部分鐵芯和鐵芯周圍的空間形成閉和回路，這部分磁通稱為漏磁通。主磁通和漏磁通所通過的路徑分別構成主磁路和漏磁路。用以激勵磁路中磁通的載流線圈稱為勵磁線圈（勵磁繞組）其中所通電流稱為勵磁電流（激磁電流If）。

1.安培環路定律

沿任意閉和回線L，磁場強度H的線積分恰好等于閉和回線所包圍的總電流(代數和），這就是安培環路定律。i1i2i3LdlH.二.磁路的基本定律R螺線管solenoid

若電流方向與閉和回路L的方向符合右手螺旋關系，則電流i取正號，否則取負號。

若沿著回線L，磁場強度H，沿著切線方向其大小處處相等，且閉和回線的總電流是由通有電流i的N匝的線圈所提供的。2.磁路歐姆定律

一個無分支鐵芯磁路，鐵芯上繞有N匝線圈，線圈中通有電流I鐵芯截面積為A，各截面磁通密度均勻且垂直于各截面，磁路的平均長度為l，材料的磁導率為則磁通量將等于磁通密度乘以面積，即：得：

式中F=Ni為作用在鐵芯磁路上的安匝數，稱為磁路的磁動勢；Rm為磁路的磁阻,其單位為A/Wb；Λ=1/Rm為磁路的磁導。

作用在磁路上的磁動勢F等于磁路內的磁通量乘以磁阻Rm，此關系稱為磁路歐姆定律。

它與電路歐姆定律相似，對應關系為：F---E；Φ---I；Rm---R；Λ---G磁路可以用模擬的電路圖來分析。

磁阻Rm的計算公式與電阻R的計算公式相似，但應注意在磁路中由于鐵磁材料的磁導率

μ

不是常數，所以磁阻不是常數，這種情況稱為非線性。3.磁路的基爾霍夫第一定律或：

穿出任意閉和面的磁通總量恒等于零，這就是磁通連續性定律。與電路中的基爾霍夫第一定律相似，稱為磁路的基爾霍夫第一定律。

電機和變壓器的磁路總是由數段不同截面、不同鐵芯組成，在磁路計算過程中，若沿著磁回路回線L，磁場強度H，在回線的某些段內（l1、l2、l3等，共n段）沿著切線方向其大小處處相等，且閉和回線的總電流是由幾個（共m個）通有電流ij的Nj匝的線圈所提供的，則可簡寫成：4.磁路的基爾霍夫第二定律需要指出，磁路和電路的比擬只是一種數學上的類似，而不是物理本質的相似。式表明：沿任意閉合磁路的總磁動勢等于各段磁路磁位降的代數和。這比擬與電路中的基爾霍夫第二定律，所以稱為磁路的基爾霍夫第二定律。§1.2常用的鐵磁材料及其特性一.鐵磁物質的磁化鐵磁物質包括鐵、鎳、鈷等以及它們的合金。鐵磁材料在外磁場中會呈現很強的磁性，此現象稱為鐵磁物質的磁化。這是因為：如下圖H二.磁化曲線和磁滯回線

鐵磁材料的磁導率μFe較分磁性材料的磁導率μ0大的多。（μFe=2000~6000μ0）1、磁化曲線起始磁化曲線：

鐵磁材料的B和H之間是曲線關系,我們將B=f（H）曲線稱為磁化曲線，當磁場強度H由零逐漸增加時磁通密度B將隨之增大，曲線B=f（H）稱為起始磁化曲線。BHcbaod起始磁化曲線可以分為四段：oa段——起始段；ab——線形段；bc段——拐彎段（b點為拐彎點即膝點）；cd段——飽和段。由于鐵磁材料的磁化曲線不是一條直線，所以μFe=B/H也隨H的變化而變化，如圖所示μFe=f（H）。通常把鐵芯的工作點磁通密度設計在膝點附近。磁滯回線

dBBmHmBrHcH-Hmabcefo

若將鐵磁材料進行周期性磁化（如激磁電流隨時間按正弦規律變化），Ｂ和Ｈ之間的關系曲線就會變成圖中曲線abcdefa所示，稱此為磁滯回線。由圖可見，當Ｈ＝０時Ｂ值并不等于零，而等于Ｂr，稱此為剩余磁通密度，簡稱剩磁。

要使Ｂ值從Ｂr減小到零，則應反向加外磁場，當Ｈ＝Ｈc時Ｂ＝０,稱Ｈc為矯頑力。

Ｂr，Ｈc為密度B變化滯后于磁場強度H的變化的現象稱為磁滯現象，呈現磁滯現象的B—H的閉和回線，稱為磁滯回線如圖（1-8）所示。磁滯現象是鐵磁材料的另一個特性。基本磁化曲線

對于鐵磁材料選擇不同的Hm進行反復磁化可以得到不同大小的磁化曲線，將各磁滯回線的頂點連接起來所的曲線就是基本磁化曲線。電機磁路計算時所用磁化曲線都是基本磁化曲線.如上圖ob線所示。三.鐵磁材料

按照磁滯回線形狀的不同，鐵磁材料可分為軟磁材料和硬磁材料兩大類。

磁滯回線形狀較窄，Br和Hc較小的鐵磁材料。如鑄鐵、鑄鋼、硅鋼片等，其磁導率較大用來制造電機和變壓器的鐵芯。

磁滯回線較寬，Br和Hc較大的鐵磁材料。由于剩磁Br較大可以作成永久磁鐵因而硬磁材料也稱為永磁材料。永磁材料的種類很多。軟磁材料硬磁（永磁）材料四.鐵芯損耗

磁滯損耗

鐵磁材料放于交變磁場中時，材料被反復磁化小磁疇不斷地發生偏轉，小磁疇之間不停地摩擦所消耗的能量，造成的損耗稱為磁滯損耗。分析表明：磁滯損耗的大小于交變磁場的交變頻率、鐵芯的體積V和磁滯回線的面積有關。

Ch

為磁滯損耗系數，其大小決定于材料的性質；實驗證明：渦流損耗

由于鐵芯也是導電的，交變磁通穿過鐵芯時，根據電磁感應定律鐵芯中將產生感應電勢，并引起環流。環流在鐵芯內部圍繞磁通作旋渦狀，稱其為渦流，造成的損耗稱為渦流損耗。分析表明：渦流損耗大小于磁通交變的頻率?，磁通密度大小，鐵芯電阻率鐵芯體積等有關。經推導可知：

Ce是渦流損耗系數，其大小決定于材料的電阻率；Δ為鋼片的厚度電機和變壓器的鐵芯都用含硅量較高的硅鋼片（0.35mm—0.5mm）疊成。稱：

對于一般硅鋼片，在正常磁通密度工作范圍內（1T—1.8T），上式可以近似寫成：

CFe為鐵芯損耗系數；G為鐵芯重量。上式表明：鐵芯損耗于頻率的1.3次方、磁通密度的平方和鐵芯重量成正比。鐵芯損耗鐵芯中磁滯損耗和渦流損耗之和。§1.3磁路的計算

磁路計算通常是給定磁通量，計算所需要的勵磁磁動勢。若給定磁動勢求磁通量的逆問題，由于磁路的非線性，須進行多次試探和迭代，才能得到答案。

簡單串聯磁路

在磁路中若不計漏磁通影響，僅有一個主磁通形成的回路，而無分支磁路，此時通過各磁路的磁通是相同的，磁路計算比較簡單（各段磁通密度不一定相同），但它卻是磁路計算的基礎。（舉例說明）一.直流磁路的計算二.直流電機的空載磁路和磁化曲線直流電機的空載磁場是指勵磁繞組內通有直流電流時，由勵磁磁動勢單獨激勵的磁場。空載磁路及計算簡單并聯磁路

若考慮漏磁的影響，或磁回路有兩個以上的分支。電機和變壓器的磁路大多屬于這一類。（舉例說明）一臺四極直流電機的空載磁場分布。主極呈N、S、N、S交替排列，所以整個電機的磁場分布與磁極中心線對稱。勵磁電流所產生的磁通分為主磁通和漏磁通，主磁通Φ

穿過氣隙同時匝鏈定轉子繞組；漏磁通Φσ僅與