第01章电机的基本原理精.ppt

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1、第01章电机的基本原理第1页，本讲稿共39页-2-引 言 电机虽然种类繁多、大小不一、形式各异，但具有共同的基本原理和特征。第一章 电机的基本原理第2页，本讲稿共39页-3-第一章 电机的基本原理目前，按电机供电电源的不同，大致可以分为直流电机和交流电机两大类，其中：交流电机又可根据其工作方式分为同步电机和异步电机。如果按电机中能量转换的方式，又可将其分为发电机和电动机两大类：发电机是将输入的机械能转换成电能输出；电动机是将输入的电能转换成机械能输出。第3页，本讲稿共39页电机分类：常规电机常规电机控控 制制 电电 机机(特种电机特种电机)电动机电动机发电机发电机直流电动机直流电动机交流电动机

2、交流电动机电机电机变压器变压器直流发电机直流发电机交流发电机交流发电机异步电动机异步电动机同步电动机同步电动机异步发电机异步发电机同步发电机同步发电机第4页，本讲稿共39页-5-第一节 电磁感应 一、磁场 1.磁场强度和方向 由载流导体产生的磁场大小可用磁场强度H 来表示，磁力线的方向与电流的方向满足右手螺旋关系。假定在一根导体中通以电流i，则在导体周围空间的某一平面上产生的磁场强度H为 第一章 电机的基本原理（1-1）第5页，本讲稿共39页-6-如果载流导体是匝数为N的线圈（如图1-2），则上式可表示为第一章 电机的基本原理（1-2）第6页，本讲稿共39页-7-2.磁通密度 通常把穿过某一截

3、面S 的磁力线根数被称为磁感应强度，用磁通 来表示。在均匀磁场中，把单位面积内的磁通量称为磁通密度B，且有 第一章 电机的基本原理（1-3）3.B-H 曲线 磁场强度H与磁通密度B存在一定的关系，在真空中它们成正比关系，即（1-4）其中，其中，0为真空导磁率，且有为真空导磁率，且有 0 410-7 H/m。第7页，本讲稿共39页-8-非导磁材料，比如：铜、橡胶和空气等，具有与真空相近的导磁率。第一章 电机的基本原理第8页，本讲稿共39页-9-在导磁材料中，磁场强度H与磁通密度B的关系可表示为第一章 电机的基本原理（1-5）其中，r 为导磁材料的相对导磁率。由于r的值不是常数，因而B与H之间的关

4、系不是线性的，通常也是用B-H曲线来表达他们之间的关系。第9页，本讲稿共39页-10-第一章 电机的基本原理二、磁路 磁路的主要部分是由高导磁材料构成，使得磁通被限制在磁路内部，这就像电流被限制在电路中一样，可以用类似于电路分析方法来建立磁路分析方法。由于变压器和电机的铁心多是由高导磁材料构成的，因此磁路方法可用作分析变压器和电机的重要工具。第10页，本讲稿共39页-11-1.简单磁路一个简单的磁路由采用高导磁材料的铁心和通电线圈组成，若忽略线圈漏磁通，由通电线圈产生的磁场将主要分布在铁心内部。第一章 电机的基本原理第11页，本讲稿共39页-12-现定义一个新的变量磁动势Fm，则上式可写成 第

5、一章 电机的基本原理（1-6）再由式（1-3）和式（1-5）可得（1-7）令 为磁阻，可将上式表示为（1-8）由上式可见，磁动势Fm、磁通 和磁阻Rm的关系与电路中的电动势E、电流i 和电阻R的关系相似。这样，可以用类似电路的等效磁路来分析和研究基本电磁关系。第12页，本讲稿共39页-13-2.气隙磁场 假如在磁路中有一段气隙，如图1-5所示，只要气隙的长度lg与相邻铁心表面的尺寸相比足够小，那么由通电线圈产生的磁通 仍主要分布在铁心和气隙中，这时磁路的磁动势Fm为第一章 电机的基本原理（1-9）或写成第13页，本讲稿共39页-14-由于Bc=/Sc，Bg=/Sg，如果忽略气隙磁场的边缘效应，

6、即Sc=Sg，上式变为第一章 电机的基本原理（1-10）上式说明，磁路的磁动势Fm等于磁通与铁心磁阻Rmc和气隙磁阻Rmg串联值的乘积，这与串联电路的分析相似。由于铁心的导磁率远远大于气隙的导磁率，即0，RmcRmg，因此，由磁动势Fm产生的磁通 或磁通强度B主要就取决于气隙的性质，即（1-11）由此可知，在电机学中气隙磁场将扮演重要的角色。我们今后分析研究的重点也主要放在气隙磁场上。第14页，本讲稿共39页-15-3.磁动势的合成 如图1-6所示，磁路有两组线圈N1和N2，分别通以电流i1和i2，在磁路中所产生的总磁动势为 第一章 电机的基本原理（1-12）根据式（1-11），磁路的磁通也主

7、要存在于气隙之中，即（1-13）第15页，本讲稿共39页-16-上述结果可以推广到有多组线圈的磁路中，其总的磁动势Fm是每组线圈N1，N2，.Nn产生的磁动势Fm1，Fm2，.Fmn，的合成。但必须注意：磁动势除了大小以外，还应考虑其方向，因此一般来说，磁动势的合成是一种矢量计算。这样，类似于电路的分析方法，可以把工程应用中几何形状复杂的磁路分段处理，简化成若干个几何形状规则的简单磁路的组合。第一章 电机的基本原理例1-1第16页，本讲稿共39页-17-第一章 电机的基本原理（1-14）法拉第电磁感应定律奠定了电机学的理论基础。三、电磁感应定律三、电磁感应定律 1.电磁感应定律电磁感应定律 1

8、831年，法拉第通过实验发现了电磁学中最重要的规律年，法拉第通过实验发现了电磁学中最重要的规律电磁感应定律，揭示了磁通与电压之间存在如下关系：电磁感应定律，揭示了磁通与电压之间存在如下关系：1）如果在闭合磁路中磁通随时间而变化，那么将在线圈中感）如果在闭合磁路中磁通随时间而变化，那么将在线圈中感应出电动势；应出电动势；2）感应电动势的大小与磁通的变化率成正比，即）感应电动势的大小与磁通的变化率成正比，即第17页，本讲稿共39页-18-2.导体在磁场中的感应电动势 磁场的变化会产生感应电动势。如果磁场固定不变，而让导体在磁场中运动，这时相对于导体来说，磁场仍是变化的，因此根据法拉第电磁感应定律，

9、同样会在导体中产生感应电动势，其大小为第一章 电机的基本原理而感应电动势的方向由右手定则确定，图1-8表示了e、B与v三者之间的方向关系。（1-15）第18页，本讲稿共39页-19-3.载流导体在磁场中的电动力 如果在固定磁场中放置一个通有电流的导体，则会在载流导体上产生一个电磁力，又称洛仑慈力或安培力。如图1-9所示，载流导体受力的大小与导体在磁场中的位置有关。当导体与磁力线方向垂直时，所受的力最大，这时电磁力F与磁通密度B、导体长度l以及通电电流强度i成正比，即 第一章 电机的基本原理（1-16）第19页，本讲稿共39页-20-当导体与磁力线平形时，F=0，在其他位置，导体所受的力介于两者

10、之间。电磁力的方向可由左手定则确定，图1-10给出了F、B 与 i 三者之间的方向关系。载流导体在磁场中产生电磁力的原理是电动机最重要的理论基础。第一章 电机的基本原理第20页，本讲稿共39页-21-第二节 机电能量转换基本原理 从能量转换的观点，可以把依靠电磁感应原理运行的机电设备看作是一类机电转换装置，比如，变压器是一种静止的电能转换装置，而旋转电机是一种将机械能转换成电能（发电机）或将电能转换成机械能（电动机）的运动装置。第一章 电机的基本原理第21页，本讲稿共39页-22-第一章 电机的基本原理（1-17）一、磁链、电感和磁能一、磁链、电感和磁能 在磁路中，引入一个新的参数在磁路中，引

11、入一个新的参数磁链来表示线圈磁链来表示线圈中感应的总磁通，即中感应的总磁通，即 第22页，本讲稿共39页-23-这样，电磁感应定律可写成 第一章 电机的基本原理（1-18）再由式（1-11）和（1-17），可得（1-19）上式说明，当磁路的线圈匝数N、气隙长度lg 和截面积Sc确定之后，磁路中产生的磁链 与线圈电流i成正比。由此，可以定义线圈的电感L为磁链 与电流i之比，即（1-20）第23页，本讲稿共39页-24-再由式（1-19）可得 第一章 电机的基本原理（1-21）这样，式（1-18）可写成 （1-22）由此可见，图1-5所示的磁路也可表示成电路形式（见图1-11）。按照电路理论，该电

12、路的回路方程为（1-23）第24页，本讲稿共39页-25-图1-5所示的磁路中所获得的能量是由线圈输入的电能提供的，由电功率的概念可知 第一章 电机的基本原理（1-24）那么磁路中储存的电能We 为（1-25）上式说明，磁路中磁场储存的电能就等于电感的储能。而且，由式（1-21）可知，电感主要由气隙决定，也就是说磁场的储能主要是存放在气隙之中。我们往往把气隙磁场称作为耦合磁场，它是机电能量转换的主要媒介。第25页，本讲稿共39页-26-二、机电能量转换由于机械系统和电气系统是两种不同的系统，其能量转换必须有一个中间媒介，这个任务就是由气隙构成的耦合磁场来完成的。第一章 电机的基本原理第26页，

13、本讲稿共39页-27-为简便起见，可将能量转换过程中的损耗分别归并到输入的电能和输出的机械能中，即认为耦合磁场将全部输入的电能转换为机械能，在转换过程中耦合磁场没有发生变化。根据能量守恒原理，机电系统应满足下列能量关系：电源输入的电能=磁场储能的增加+机械能输出+热能损耗 按上述能量传递方向的约定，对电动机来说上式中电能与机械能均为正值；对发电机来说均为负值，可用微分方程表示为第一章 电机的基本原理（1-26）第27页，本讲稿共39页-28-第三节 电机的基本结构与工作原理 各种电机虽然结构不一、样式繁多，但其遵循的基本原理是相同的，即法拉第的电磁感应定律。一、模型电机的结构 目前，无论哪种电

14、机都是由定子、转子和 气隙 三个部分组成，定子是固定不动的，转子是运动的，它们之间隔着一层薄薄的气隙。在定子和转子上分别按需要安装若干线圈绕组，其目的是在气隙中产生磁场。第一章 电机的基本原理第28页，本讲稿共39页-29-为了简单起见，先分析一个最简单的两极电机，该电机在定子上有一个励磁绕组，线圈匝数为N，如果通以电流i，将产生一个两极磁场，第一章 电机的基本原理其磁力线的方向由电流方向决定。忽略定子和转子铁心磁阻。第29页，本讲稿共39页-30-为了能够得到其他形式的分布磁场和磁动势，可以增加线圈个数 并 按一定的规律 放置。如果在定子和转子上按上述方法增设若干绕组，将使两极电机变为多极电

15、机。第一章 电机的基本原理第30页，本讲稿共39页-31-在定子和转子上各设置一组绕组，构成一个两极电机，各绕组线圈的分布使其产生的磁场按正弦分布。第一章 电机的基本原理第31页，本讲稿共39页-32-为分析方便，特作如下假定：1）忽略各绕组的漏磁和齿槽等影响；2）忽略凸极影响，认为气隙均匀；3）忽略高次谐波影响，认为气隙磁场沿电枢表面正弦分布；4）忽略磁饱和以及其他非线性效应。第一章 电机的基本原理第32页，本讲稿共39页-33-二、感应电动势的产生 在图1-14的原型电机中，现假定在转子绕组中通以电流产生一个正弦分布磁场，同时转子在外力拖动下以恒定的角速度 旋转，由于受转子磁场变化的影响，

16、将在定子绕组中产生感应电动势。如图1-15所示，转子磁通 在定子磁轴上感应的磁链为第一章 电机的基本原理根据电磁感应定律 第33页，本讲稿共39页-34-再由=t，上式可写成 第一章 电机的基本原理（1-35a）上式表示了旋转电机电动势的通用计算公式，利用该公式可推导出具体电机的电动势，如同步电机、异步电机或直流电机。如果保持励磁磁通恒定，则d/dt=0，这样，电机产生的感应电动势为（1-35b）上式可以用来计算恒定励磁电机的电动势，比如他励直流电动机。第34页，本讲稿共39页-35-第四节 电机的能量损耗与发热 一、电机的损耗与效率 电机进行能量转换时总是要有能量损耗，能量损耗将引起电机发热

17、和效率降低。一般来说，电机的能量损耗可分为两大类：1.机械损耗 由电机的运动部件的机械磨擦和空气阻力产生的损耗，这来损耗与电机的机械构造和转速有关。2.电气损耗 主要包括导体损耗、电刷损耗和铁耗等。（1）导体损耗 是由于电机的线圈电阻产生的损耗，有时又称为铜耗，通常在电机的定子和转子上都会产生铜耗；第一章 电机的基本原理第35页，本讲稿共39页-36-（2）电刷损耗 是由于电刷的接触电压降引起的能量损耗，因只有在直流电机中安装电刷，所以电刷损耗仅仅出现在直流电机中；（3）铁耗 是由于电机铁磁材料的磁滞效应和涡流产生的一种损耗，主要取决于磁通密度、转速和铁磁材料的特性。对于变压器等静止的设备来说

18、，其能量损耗只有电气损耗部分。第一章 电机的基本原理第36页，本讲稿共39页-37-电机的效率可表示为 第一章 电机的基本原理（1-47）式中，式中，p p 电机的功率损耗，且有电机的功率损耗，且有 （1-48）p pCuCu 电机的铜耗；电机的铜耗；p pFe 电机的铁耗；电机的铁耗；p pm 电机的机械损耗。电机的机械损耗。第37页，本讲稿共39页-38-二、电机的发热与温升 电机的能量损耗最终都要转换成热能散发掉，这会引起电机的温度上升。电机温度升高的过程是一个热过渡过程，称之为发热，通常把电机温度高出环境温度的值称为温升。同样，电机停止运行或减少负载时温度会下降，电机冷却过程是一个按指数规律下降的曲线（图1-19b）。第一章 电机的基本原理第38页，本讲稿共39页-39-小 结 本章的目的是为学习后面各章节打下一个良好的理论基础，因此将电磁感应的基本规律和电机中一些具有共性的基本原理集中予以介绍。希望通过本章的学习了解和掌握：1）电磁感应定律的物理意义；2）磁路的基本概念和分析方法；3）气隙磁场的形成和作用；4）电机的基本原理和分析思路；5）电机的能量转换、损耗和发热的基本知识。第一章 电机的基本原理第39页，本讲稿共39页