第一章导论
1.了解电机的作用与电机学的任务
2.掌握基本电磁定律
3.掌握铁磁材料的磁化特性
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1.1 概 述
1.1.1 电机的定义广义言之，电机可泛指所有实施电能生产、传输、
使用和电能特性变换的机械或装置。然而，由于生产、
传输、使用电能和实施电能特性变换的方式很多，原理各异。作为电类相关学科，特别是电气工程学科的主要技术基础课，电机学的主要研究范畴仅限于那些依据电磁感应定律和电磁力定律实现机电能量转换和信号传递与转换的装置。依此定义，严格地说，这类装置的全称应该是电磁式电机，但习惯上已将之简称为电机。
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1.1.2 电机的主要类型电机的种类很多，分类方法也很多。如按运动方式分，静止的有变压器，运动的有直线电机和旋转电机。
电机变压器旋转电机直流电机交流电机同步电机异步电机
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明按功能分类的方法电机由原动机拖动，将机械能转换为电能将电能转换为机械能，驱动电力机械分别用于改变电压，电流，频率和相位进行信号的传递和转换，控制系统中的执行，检测或解算元件发电机：
电动机：
变压器，变流器，变频器，移相器：
控制电机：
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1.1.3 电机中所用的主要材料已经知道电机是进行机电能量转换或讯号转换的机械电磁装置，由此，电机中所用的材料无外乎：
1）导电材料,构成电机中的电路系统，为了减少损耗，要求材料的电阻率小，常用的有紫铜和铝。
2）导磁材料,构成电机中的磁路系统，要求材料具有较高的导磁率和较底的铁耗系数，常用硅钢片、钢板和铸钢。
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3）绝缘材料,作为带电体之间及带电体与铁心间的电气隔离，要求耐热好，介电性能高。
4）结构材料,使电机各个零件构成一个整体，要求材料的机械强度好，加工方便，重量轻。
180℃
以上
180℃155℃130℃120℃105℃
CHFBEA
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1.1.4 电机的作用
☆ 能源系统的关键设备电能 ——电机发电 ——输电 ——用电
☆ 各领域中有特殊要求的动力装置
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1.发电环节 ——各种电机引进 600MW汽轮发电机
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明国产 300MW汽轮发电机
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明国产 200MW汽轮发电机定子
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明国产 200MW汽轮发电机定子铁心
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明现场运行的水轮发电机
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20kV/500kV(220kV)
500kV(220kV)/110kV
110kV/35kV
35kV/10kV
10kV/380V
为了把发电厂发出的电力输送到四面八方的用户，需要将发电机输出的 20 kV 左右的电压升高。在我国，一般升高到 220kV或 500kV。
为了输送一定大小的功率、采用高电压。
2.输配电环节 ——变压器
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明连接发电机与电网的升压变压器连接发电机的封闭母线与电网相连的高压出线端
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3.用电环节 ——电动机
1）各行业广泛使用电动机
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4.在高新技术领域的新应用
☆ 信息技术（雷达驱动）
☆ 航天航空航海
☆ 生物医学工程（多种医疗设备）
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1.2 电机发展历程及当前状况
1833年 直流电机
1885年 异步电动机
1889年 三相系统
1.历程
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明至今保留在美国麻省理工学院的由爱迪生发明的一种直流电动机
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2.我国目前实际应用情况
☆ 汽发：消化引进，设计600MW
☆ 700MW水发,三峡电站
500kV输电线路以及相应的变压器
500kV直流输电，西电东送运行中
400MW燃气轮机联合循环机组
☆ 引进建设
600MW核电机组各种电动汽车
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3.当前研究、开发与创新
（1） 国内外与电机相关的研究领域
☆ 精确模型研究
☆ 新能源技术（风力发电，波浪发电，高速,电、热、
冷,三联供机组）
☆ 机电一体化(电机、电力电子与微电子结合)
☆ 特殊新用途（电磁发射，纳米电机）
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☆ 精确模型研究
300MW 汽轮发电机
fNf
II =,
N
UU = 的电抗
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☆ 新能源技术风力发电
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明波浪发电
波浪能电站外景波浪能电站内景
☆ 新能源技术
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☆ 机电一体化如果用正在发展的新型永磁无刷直流电动机代替普通电动机,效果如下：
电冰箱：>1000万台/年，电量少15%
洗衣机：>1100万台，噪音降低10分贝，节省电能50%，节水20%
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明永磁直流无刷直流电动机外形图
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☆ 特殊新用途（电磁发射，纳米电机）
电磁发射技术的发展及其军事应用超微电机与微型机器人技术人工心脏技术
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(2)电机领域我国正在研究的项目举例电机领域我国正在研究的项目举例
☆ 航天超声波电机
☆ 高速发电的发电机
☆ 人工肌肉直线电机
☆ 超导电机
☆ 电动机故障诊断
☆ 舰船驱动用电动机
☆ 智能型电力电子变压器
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1.3 电机学中的基本电磁定律电机学中的基本电磁定律
1.3.1 全电流定律也称安培环路定律，沿空间任意条闭合回路，磁场强度 H的线积分等于该闭合回路所包围的电流的代数和。
i3
l
H dl
i
2
i
1
注：若 i与 l符合右手螺旋关系,取正号，否则取负号 。
其中大拇指所指为 i的 方向，四指为 l方向。
l
H dl i?=
∑
∫
nullnull
null
其中
H,磁场强度，安 /米 (A/m)
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Fe Fe
FNiHl H
δ
δ== +
其中
F=Ni,磁路的磁动势
H
Fe
l
Fe
：铁心上的磁压降
H
δ
δ,气隙上的磁压降注,i 与 l 符合右手螺旋关系,电机学中习惯大拇指所指为 l 的 方向，四指为多匝线圈中 i 方向。
当气隙长度δ远远小于两侧的铁心截面的边长时,铁心和气隙中为均匀磁场，则带气隙的铁心磁路
δ
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明螺管线圈设有向回路 l 与圆环的中心圆重合，则沿着回线 l 磁场强度 H 处处相等且其方向处处与回线切线方向相同（称为均匀磁场），同时闭合回线所包围的总电流由通有电流 i 的 N 匝线圈提供，则：
Hl＝ Ni
Ni,作用在磁路上的安匝数（磁路磁动势），单位A。
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明电流 磁场产生电磁感应感应电流
1831年法拉第闭合回路 变化
m
Φ
实验产生
1.3.2 电磁感应定律
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G
N
S
×××
×××
×××
×××
a
b
一,电磁感应现象
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
×××
×××
×××
×××
G
N
S
a
b
一,电磁感应现象
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
×××
×××
×××
×××
G
N
S
a
b
一,电磁感应现象
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
×××
×××
×××
×××
G
N
S
a
b
一,电磁感应现象
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
×××
×××
×××
×××
G
N
S
a
b
一,电磁感应现象
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
×××
×××
×××
×××
G
N
S
a
b
一,电磁感应现象
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
×××
×××
×××
×××
G
N
S
a
b
一,电磁感应现象
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
×××
×××
×××
×××
G
N
S
a
b
一,电磁感应现象
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
×××
×××
×××
×××
G
N
S
a
b
一,电磁感应现象
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
×××
×××
×××
×××
G
N
S
a
b
S
N
ω
一,电磁感应现象
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
G
N
S
×××
×××
×××
×××
a
b
S
N
ω
R
12
ε
G
mΦ
当回路 1中电流发生变化时，在回路 2中出现感应电动势。
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∫∫
=?=
SS
m
cosdSBSdB αΦ
nullnull
B变化
S变化
α 变化
×××
S
N
ω
×××
×
×
G
N
S
a
b
i
I
当通过一个闭合导体回路所包围面积内的磁通量发生变化时，回路中就会产生感应电流。
结论这一现象称为 电磁感应 。
电流方向
？
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明二、楞次定律 (判断感应电流方向)
感应电流产生的 效果,反抗引起感应电流的 原因导线运动感应电流阻碍产生磁通量变化感应电流产生阻碍
×××
×××
×××
×××
a
b
v
null
f
null
楞次定律,感应电动势产生的感应电流方向，
总是使感应电流的磁场通过回路的磁通量阻碍原磁通量的变化。
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明判断感应电流的方向：
1、判明原磁场的方向；
3、按照楞次定律确定,感应磁场,
的方向；
4、按右手螺旋法则由,感应磁场,
的 方向来确定感应电流的方向。
感
B
null
N
S
B
null
i
I
感
B
null
B
null
i
I
N
S
m
Φ
感
B
null
B
null
与 反向；
若，则
m
Φ
感
B
null
B
null
与 同向；
若，则增反 减同
2、确定原磁场磁通量的变化
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明楞次定律能量守恒定律在电磁感应中的体现若违背楞次定律
感应电动势的大小如何计算?
υ
null
f
null
×××
×
×××
×××
a
b
永动机？
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明三、法拉第电磁感应定律通过回路面积内的磁通量发生变化时，回路中产生的感应电动势与磁通量对时间的变化率成正比。
在 SI制中比例系数 K为 1
库仑定律毕 -沙定律电磁感应定律电磁场理论的三大实验基础
d
dt
ek
φ
=?
d
dt
e
φ
=?
如果：回路几何形状、尺寸不变，
周围无铁磁性物质。
L
自感系数，单位：亨利（ H）
对于 N 匝线圈：
Ψ
磁通链数四、
自感现象和自感电动势自感现象和自感电动势由于回路自身电流的变化，
在回路中产生感应电动势的现象。
实验指出：
I
m
∝φ
LI
m
=φ
LIN
m
== φψ
1.自感现象
Φ
I
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1） L的意义：
LI
m
=φ
2,自感系数与自感电动势自感系数在数值上等于回路中通过单位电流时，通过自身回路所包围面积的磁通量。
若 I = 1 A，则
m
L φ=
L的计算,
L=φ
m
/I
单位,H,mH,μH
LI
m
=φ
自感电动势：
=e
L
d
dt
L
i
若回路几何形状、尺寸不变，周围介质的磁导率不变，
自感电动势
=?=
dt
d
e
m
L
φ
dt
Lid )(
dt
dL
I
dt
dI
L=
0=
dt
dL
则：
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明自感系数 L的大小：
N
L
ii
ψφ
==
由磁路欧姆定律：
m
m
Ni
Ni
R
φ ==Λ
则：
2
2
m
m
N
LN
R
==Λ
N——线圈的匝数
——磁路的磁导
R
m
——磁路的磁阻
m
Λ
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1) 互感系数 (M)
因两个载流线圈中电流变化而在对方线圈中激起感应电动势的现象称为互感应现象。
若两回路几何形状、尺寸及相对位置不变，
周围无铁磁性物质。实验指出：
21212212
IMI =φ∝φ
12121121
IMI =φ∝φ
1
I
I
2
Φ 12
Φ 21
五,互感系数与互感电动势
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明实验和理论都可以证明：
Φ 12
I
2
I
1
Φ 21
MMM ==
2112
若两线圈的匝数分别为则有：
21
NN 与
221212112
MIIMN === φψ
112121221
MIIMN === φψ
M称为两线圈之间的互感系数，简称为互感。
称为两线圈之间的互感系数，简称为互感。
21212212
IMI =φ∝φ
12121121
IMI =φ∝φ
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2）互感电动势
Φ 12
I
2
I
1
Φ 21
221212112
MIIMN === φψ
112121221
MIIMN === φψ
线圈线圈
2中的电流变化在线中的电流变化在线圈圈
1中激发的感应电动势中激发的感应电动势
dt
di
M
dt
d
e
212
12
=?=
φ
线圈线圈
1中的电流变化在线中的电流变化在线圈圈
2中激发的感应电动势中激发的感应电动势
dt
di
M
dt
d
e
121
21
=?=
φ
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( A),互感系数和两回路的几何形状、尺寸，它们的相对位置，以及周围介质的磁导率有关。
( B),互感系数的大小反映了两个线圈磁场的相互影响程度。
自感系数 M的大小：
12 1 12
22
N
M
ii
ψφ
==
由磁路欧姆定律：
22
12 2 2 12
12
Ni
Ni
R
φ ==Λ
则：
12
1212
12
NN
MNN
R
==Λ
N
1
,N
2
——线圈的匝数
——磁路的磁导
R
12
——磁路的磁阻
12
Λ
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明互感系数在数值上等于当第二个回路电流变化率为每秒一安培时，在第一个回路所产生的互感电动势的大小。
若
(C),互感系数的物理意义,
2
1
di
dt
=
在式中，
2
12
di
eM
dt
=?
则有：
即：12
eM=
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1.3.3 电磁力定律磁场对电流的作用是磁场的基本特征之一。实验表明，将长度为 l 的导体置于磁场 B 中，通入电流 i 后，
导体会受到力的作用，称为电磁力。其计算公式为
F = ΣdF = iΣdl × B
对于长直载流导体，若磁场与之垂直，则计算电磁力大小的公式可简化为
F = Bli
式中电磁力 F、磁场 B 和载流导体 l 的关系由左手定则
(又称电动机定则 )确定。
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明在电动机里，电磁转矩是驱使电机旋转的原动力，
即电磁转矩是驱动性质的转矩，在电磁转矩作用下，电能转换为机械能。在发电机里，可以证明，电磁转矩是制动性质的转矩，即电磁转矩的方向与拖动发电机的原动机的驱动转矩的方向相反，原动机的驱动转矩克服发电机内制动性质的电磁转矩而作功，机械能转换为电能。
电磁转矩还可以用功率的关系求得。设 P
em
为电机的电磁功率，Ω为电机气隙磁场旋转角速度，则有在旋转电机中，作用在转子载流导体上的电磁力将使转子受到一个力矩，我们称之为电磁转矩。电磁转矩是电机实现机电能量转换的重要物理量。
em
em
P
T =
Ω
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
1.4 铁磁材料的特性
1.4.1 铁磁材料的磁导率磁导率
H
B
=μ
(1) 非铁磁材料
μ 为常数，接近于真空的磁导率 m/H104
7
0
×π=μ
(2) 铁磁材料,铁、镍、钴及其合金
μ
很大，具有高的导磁性能；
μ
不是常数，磁化曲线呈非线性（饱和特性）
特性：
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明所有非导磁材料的磁导率都是常数，并且都接近于真空磁导率 μ
0
，μ
0
= 4π× 10
-7
H / m。但 铁磁材料却是非线性的,即其中 B 与 H 的比值不是常数，磁导率 μ
Fe
在较大的范围内变化，而且数值远大于 μ
0
，一般为 μ
0
的数百乃至数千倍。对电机中常用的铁磁材料来说,μ
Fe
在 2000 μ
0
～ 6000 μ
0
之间 。因此，当线圈匝数和励磁电流相同时，铁心线圈激发的磁通量比空心线圈的大得多，从而电机的体积也就可以减小。
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明铁磁材料之所以有高导磁性能，依磁畴假说，从微观角度看，就在于铁磁材料内部存在着很多很小的具有确定磁极性的自发磁化区域，并且有很强的磁化强度，
就相当于一个个超微型小磁铁，称之为磁畴。
磁化前磁化后
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明铁磁材料的磁化特性（ B－H 曲线/磁化曲线）
0
B
H
B=μ
0
H
非铁磁材料的磁化特性,B=μ
0
H
起始磁化曲线,B=f(H)
oa为起始段
ab为线性段
bc为饱和段
B=f(H)
a
b
c
d
膝点
μ Fe=f(H)
μ
,
随 H 的变化而变化
()
Fe
fHμ =
Fe
μ
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明磁路中的铁心作用磁路中的铁心作用
2
i
H
rπ
=
0
BH
Fe
μμ μ>>又因 ＝
1,铁心的增磁功能铁心的增磁功能
00Fe Fe
BBφφ>> >>故有结论：铁心具有增磁功能 。
思考题：铁心环与塑料环中的磁场强度和磁通密度有何区别？
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
2,串联磁路中的气隙降低铁心的增磁功能串联磁路中的气隙降低铁心的增磁功能
0Fe
μμ>>∵
11 1m
Fe
l
FR
A
φφ
μ
==
21mm
R R∴>
结论：在激磁磁势相同的情况下，带气隙铁心磁路只能得到较少的磁通。
22 2
()
mmFem
FR RR
δ
φφ== +
2
0
()
Fe
Fe
ll
AA
δ
φ
μμ
=+
δ
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
3,铁心磁路使磁通在空间按一定的形状分布铁心磁路使磁通在空间按一定的形状分布变压器：两个线圈交链的磁通过铁心以增强电机：铁心使定、转子之间的耦合场得以增强，并可以使定子内圆表面的磁感应强度按一定规律在圆周上分布
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
1.4.2 磁滞与磁滞损耗对铁磁材料进行周期性的磁化，则B-H曲线如图：
磁化曲线是一条具有单方向性的闭合曲线，称为磁滞回线。
B的变化总是滞后于H的变化，这种现象称为磁滞现象。
原因：外磁场撤除后，磁畴的排列不能完全恢复到起始状态，显示磁性。
矫顽力剩磁
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明基本磁化曲线或平均磁化曲线:
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明磁滞损耗当铁磁材料置于交变磁场中时，被反复交变磁化，致使磁畴之间不停的摩 擦，消耗能量，造成损耗，这种损耗称为 磁滞损耗 。
(1)不同的铁磁材料有不同的磁滞回线软磁材料：如：铸钢、硅钢、制作电机铁心；
硬磁材料：μ不高，Br大，磁滞回线宽而胖，
制造永久磁铁；
(2)同一铁磁材料,B
m
越大，磁滞回线所包围的面积越大，损耗越大。
VBfP
n
mh
∝
试验证明，磁滞损耗
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
1.4.3 涡流与涡流损耗因铁心是导电的，
当穿过铁心的磁通随时间变化时，铁心中产生感应电势，从而产生电流，这些环流在铁心内绕磁通做旋状流动成为涡流 。涡流在铁心中引起损耗称为 涡流损耗 。
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明涡流损耗的大小和哪些因素有关？
d
dx
x
2
/
ww
dp E R=
2b
dR
ldx
ρ=
2
2
w
w
lE
dp dx
bρ
=
/2
2222
0
2
d
wm
w
lE K f d B V
pdx
bρρ
==
∫
正比于频率的平方正比于厚度的平方正比于磁密的平方反比于电阻率
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明思考题：图中哪个涡流损耗大？
要减少涡流损耗，首先应减小硅钢片厚度 (目前一般厚度已做成 0.5mm 和 0.3mm 或更薄；其次是增加涡流回路中的电阻。电工钢片中加入适量的硅，制成 硅钢片,就是为了使材料改性，成为半导体类合金，显著提高电阻率。
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
1.4.4 铁心损耗
:铁心损耗系数
50/1
p
当铁心内的磁场为交变磁场时，常将磁滞损耗和涡流损耗合在一起来计算，并统称为铁心损耗，简称铁耗。
单位重量中铁耗,
2
1/50
()
50
Fe m
f
pp B
β
=
β 为频率指数，其值在 1.2～ 1.6 范围内
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1.5 磁路基本定律及计算方法本质上讲，各类电磁装置中物理现象的研究都应归结为物理场问题的求解，如温度场、流场、力场、电场、
磁场等等。但这样太复杂，也难于得出一般性的分析设计规律，因此，将场问题化简为路问题求解，并由此形成了一门关于电路分析设计的完整理论。
磁路是电机、电器中磁通行经的路径。磁路一般由铁磁材料制成，磁通也有主磁通 (又称工作磁通 )和漏磁通之分。习惯上，主磁通行经的路径称之为主磁路，漏磁通行经的路径叫漏磁路。
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1.均匀磁路的欧姆定律
BAΦ=
其中其中
B,磁通密度，特斯拉（
磁通密度，特斯拉（
T）
）
Φ
Φ
：
：
磁通，韦伯（
磁通，韦伯（
W
b
）
）
A：
：
铁心的截面积铁心的截面积
，平方米（
，平方米（
m
2
）
）
在线性或可以近似地认为是线性的介质中有
B=μH
其中 μ 是磁导率,H/m
1.5.1 磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律
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Bl
Ni l
Aμμ
==Φ
将 φ =BA和 B=μH 代入 Ni ＝ Hl，得欧姆定律欧姆定律
m
FR=Φ
m
FΦ= Λ
或或则可写为则可写为欧姆定律：作用于磁路上的磁动势等于磁阻乘以磁通。
欧姆定律：作用于磁路上的磁动势等于磁阻乘以磁通。
定义：
定义,m
l
R
Aμ
=
:磁路的磁阻，
磁路的磁阻，
A/W
b
m
R
定义：
定义：
1
m
m
A
Rl
μ
Λ= =
:磁路的磁导，
磁路的磁导，
W
b
/A
m
Λ
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2.分段均匀磁路的欧姆定律分段均匀磁路的欧姆定律
0
()
mFe m
Fe
l
FRR
AA
δ
δ
μμ
=Φ +Φ =Φ +
其中
R
mFe
,铁心部分对应的磁阻
R
mδ
,气隙部分对应的磁阻假设铁心长度 l远远大气隙长度,认为铁心柱中的磁通等于气隙中的磁通,则
δ
δ
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1.5.2 磁路的基尔霍夫第一定律进入或穿出任一封闭面的总磁通量的代数和等于零，或穿入任一封闭面的磁通量恒等于穿出该封闭面的磁通量。
12 3
Φ+Φ =Φ
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1.5.2 磁路的基尔霍夫第二定律定义 Hl 为磁压降，Σ Hl 为闭合磁路上磁压降的代数和。磁路基尔霍夫第二定律表明，任一闭合磁路上磁动势的代数和恒等于磁压降的代数和。
∫
∑∑∑ ∑
Φ====?
m
RFNiHldlH
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明磁路和电路的类比关系
I
N
Φ
磁路
R
+
_
E
I
U
电路磁通势 F
电动势 E
磁通 Φ
电流 I
磁感应强度 B
电流密度 J
电阻 R(电导 G)
A
l
R
γ
=
m
l
R
Aμ
=
0iΣ=
0φΣ=
euΣ=Σ
m
F Hl RφΣ=Σ =Σ
磁阻 R
m
（磁导 ）
m
Λ
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1.6 电机中的机电能量转换过程（略）
±机械能 W
mec
= 磁场储能增量 Δ W
m
+热能损耗 P
T
±电能 W
e
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1.7 电机的发热与冷却一、电机的发热：
任何机械装置工作了一段时间后，都会出现发热的现象，我们已经学过了电工和大物，那么，很显然，这是损耗的出现所导致的结果。
1,温升,电机的温度在工作了一段时间后不在上升而达到某一稳定数值，此值和周围冷却介质温度之差，我们称之为温升。
电机的温升不仅取决与损耗的大小和散热情况，还与电机的工作方式有关。
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2,定额：制造厂按国家标准的要求对电机的全部电量和机械量的数值以及运行的持续时间和顺序所做的规定称为电机的定额，（既电机的工作方式）。
1）连续定额 2）短时定额 3）周期工作定额二、电机的冷却：
电机的冷却快慢直接 决定了电机的寿命和额定容量。
1）冷却介质：空气，氢气，水和油
2）冷却方式：外部冷却和内部冷却。现代巨型电机均采用内部冷却方式。
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1.8 电机的分析研究方法
1.8.1 分析步骤虽然电机的种类很多，分析研究方法也各有特点，
但其基本步骤和基本方法还是有很多共同之处的，尤其是对旋转电机。下面综合介绍旋转电机的分析步骤和研究方法。
① 电机内部物理情况的分析。这一步主要是分析空载和负载运行时电机内部的磁动势和磁场，建立物理模型。
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② 列出电机的运动方程。利用电磁感应定律和电磁力定律，即可求出各个绕组内的感应电动势和作用在转子上的电磁转矩；再利用基尔霍夫定律、全电流定律、
牛顿定律和能量守恒原理，可列出各个绕组的电动势方程式以及电机的磁动势方程式、转矩方程式和功率方程式。这些方程统称为电机的运动方程。这一步的工作就是把物理模型变为数学模型。
电机的运动方程除了可用上述传统方法建立外，
还可以用汉密尔顿原理通过变分法建立，或直接应用机电动力系统的拉格朗日麦克斯韦方程列写。
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③ 求电机的运行特性和性能。 列出运动方程后，求解这些方程，即可确定电机的运行特性和一些主要的技术数据。对于 动力用电机,在稳态运行特性中，发电机以外特性为最重要，而 电动机则以机械特性 为最重要。
发电机的外特性是指负载电流变化时，端电压的变化曲线 u=f(i
L
)；而电动机的机械特性是指电磁转矩变化时，转速的变化曲线 n=f(Tem)。此外，电机的效率、
功率因数、温升、过载能力等指标也很重要。 暂态运行时,还要考虑电机的稳定性、暂态电流和暂态电磁转矩等。对于 控制电机,则要考察其快速响应能力、
精确度和控制性能等指标。
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1.8.2 研究方法在分析电机内部磁场并建立和求解电机运动方程时，
常规方法有：
① 不计磁路饱和时，用叠加原理分析电机内的各个磁场和气隙合成磁场以及与磁场一一对应的感应电动势。
考虑饱和时，常把主磁通和漏磁通分开处理，主磁通用合成磁动势和主磁路的磁化曲线确定，漏磁通则以等效漏抗压降方式处理，在列写电动势平衡方程式时考虑。
② 在解决交流电机中由于定、转子绕组匝数不等、相数不等、频率不等而引起的困难时，常采用参数和频率折算 方法进行等效处理。
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③ 各种电机都有对应的 等效电路 分析模型，一般电机的稳态分析均可归结为等效电路的求解，交流电机还要应用 相量图 分析方法。
④ 交流电机的不对称运行要运用双旋转 (即正、负序 )磁场理论和 对称分量法 。
⑤ 在研究凸极电机时，常用 双反应理论 。
⑥电机的 动态分析用状态方程方法 。为解决交流电机电感系数时变和转子结构不对称 (凸极同步电机 )所导致的分析困难，常采用坐标变换法进行化简。
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明近年来，由于计算机的发展与应用，电机的研究手段和方法得以改进，主要表现在两个方面。
(1)从场的角度以微观方式研究电机 。早期做法是以磁场的探讨为主，用有限差分或有限元等数值方法求解电机内的磁场分布，现在这种做法已延伸发展到以综合物理场方式考察电机，可集成计算电机内的电场、磁场、温度场、流场和应力场之全部或部分。
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(2)从路的角度以宏观方式研究电机。 其核心就是通过数值仿真方法展现电机在各种运行状况下的动态特性，包括实际电机中可能无法实现的一些特定的极限工况或故障行为，均可通过计算机进行理念性实验。在新型电机研制过程中，数值仿真方法可以起到降低研究成本、缩短研究周期、揭示运行规律的重要作用。
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明教材辜成林 陈乔夫 熊永前编,华中科技大学出版社 2001 年第 1 版,
教学参考书
1,胡虔生、胡敏强、杜炎森,电机学,中国电力出版社,2001.
2,A.E.Fitzgerald,Charles Kingsley,Jr.Stephen D,Umans，
Electric Machinery(Sixth Edition),McGraw Hill,清华大学出版社,2003.
3,汤蕴璆、史乃主编，电机学，机械工业出版社,1999.
4,许实章，电机学，机械工业出版社,1990.
1.了解电机的作用与电机学的任务
2.掌握基本电磁定律
3.掌握铁磁材料的磁化特性
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1.1 概 述
1.1.1 电机的定义广义言之，电机可泛指所有实施电能生产、传输、
使用和电能特性变换的机械或装置。然而，由于生产、
传输、使用电能和实施电能特性变换的方式很多，原理各异。作为电类相关学科，特别是电气工程学科的主要技术基础课，电机学的主要研究范畴仅限于那些依据电磁感应定律和电磁力定律实现机电能量转换和信号传递与转换的装置。依此定义，严格地说，这类装置的全称应该是电磁式电机，但习惯上已将之简称为电机。
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1.1.2 电机的主要类型电机的种类很多，分类方法也很多。如按运动方式分，静止的有变压器，运动的有直线电机和旋转电机。
电机变压器旋转电机直流电机交流电机同步电机异步电机
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明按功能分类的方法电机由原动机拖动，将机械能转换为电能将电能转换为机械能，驱动电力机械分别用于改变电压，电流，频率和相位进行信号的传递和转换，控制系统中的执行，检测或解算元件发电机：
电动机：
变压器，变流器，变频器，移相器：
控制电机：
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1.1.3 电机中所用的主要材料已经知道电机是进行机电能量转换或讯号转换的机械电磁装置，由此，电机中所用的材料无外乎：
1）导电材料,构成电机中的电路系统，为了减少损耗，要求材料的电阻率小，常用的有紫铜和铝。
2）导磁材料,构成电机中的磁路系统，要求材料具有较高的导磁率和较底的铁耗系数，常用硅钢片、钢板和铸钢。
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3）绝缘材料,作为带电体之间及带电体与铁心间的电气隔离，要求耐热好，介电性能高。
4）结构材料,使电机各个零件构成一个整体，要求材料的机械强度好，加工方便，重量轻。
180℃
以上
180℃155℃130℃120℃105℃
CHFBEA
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1.1.4 电机的作用
☆ 能源系统的关键设备电能 ——电机发电 ——输电 ——用电
☆ 各领域中有特殊要求的动力装置
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1.发电环节 ——各种电机引进 600MW汽轮发电机
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明国产 300MW汽轮发电机
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明国产 200MW汽轮发电机定子
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明国产 200MW汽轮发电机定子铁心
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明现场运行的水轮发电机
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20kV/500kV(220kV)
500kV(220kV)/110kV
110kV/35kV
35kV/10kV
10kV/380V
为了把发电厂发出的电力输送到四面八方的用户，需要将发电机输出的 20 kV 左右的电压升高。在我国，一般升高到 220kV或 500kV。
为了输送一定大小的功率、采用高电压。
2.输配电环节 ——变压器
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明连接发电机与电网的升压变压器连接发电机的封闭母线与电网相连的高压出线端
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3.用电环节 ——电动机
1）各行业广泛使用电动机
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4.在高新技术领域的新应用
☆ 信息技术（雷达驱动）
☆ 航天航空航海
☆ 生物医学工程（多种医疗设备）
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1.2 电机发展历程及当前状况
1833年 直流电机
1885年 异步电动机
1889年 三相系统
1.历程
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明至今保留在美国麻省理工学院的由爱迪生发明的一种直流电动机
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2.我国目前实际应用情况
☆ 汽发：消化引进，设计600MW
☆ 700MW水发,三峡电站
500kV输电线路以及相应的变压器
500kV直流输电，西电东送运行中
400MW燃气轮机联合循环机组
☆ 引进建设
600MW核电机组各种电动汽车
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3.当前研究、开发与创新
（1） 国内外与电机相关的研究领域
☆ 精确模型研究
☆ 新能源技术（风力发电，波浪发电，高速,电、热、
冷,三联供机组）
☆ 机电一体化(电机、电力电子与微电子结合)
☆ 特殊新用途（电磁发射，纳米电机）
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
☆ 精确模型研究
300MW 汽轮发电机
fNf
II =,
N
UU = 的电抗
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
☆ 新能源技术风力发电
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明波浪发电
波浪能电站外景波浪能电站内景
☆ 新能源技术
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
☆ 机电一体化如果用正在发展的新型永磁无刷直流电动机代替普通电动机,效果如下：
电冰箱：>1000万台/年，电量少15%
洗衣机：>1100万台，噪音降低10分贝，节省电能50%，节水20%
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明永磁直流无刷直流电动机外形图
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
☆ 特殊新用途（电磁发射，纳米电机）
电磁发射技术的发展及其军事应用超微电机与微型机器人技术人工心脏技术
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
(2)电机领域我国正在研究的项目举例电机领域我国正在研究的项目举例
☆ 航天超声波电机
☆ 高速发电的发电机
☆ 人工肌肉直线电机
☆ 超导电机
☆ 电动机故障诊断
☆ 舰船驱动用电动机
☆ 智能型电力电子变压器
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1.3 电机学中的基本电磁定律电机学中的基本电磁定律
1.3.1 全电流定律也称安培环路定律，沿空间任意条闭合回路，磁场强度 H的线积分等于该闭合回路所包围的电流的代数和。
i3
l
H dl
i
2
i
1
注：若 i与 l符合右手螺旋关系,取正号，否则取负号 。
其中大拇指所指为 i的 方向，四指为 l方向。
l
H dl i?=
∑
∫
nullnull
null
其中
H,磁场强度，安 /米 (A/m)
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
Fe Fe
FNiHl H
δ
δ== +
其中
F=Ni,磁路的磁动势
H
Fe
l
Fe
：铁心上的磁压降
H
δ
δ,气隙上的磁压降注,i 与 l 符合右手螺旋关系,电机学中习惯大拇指所指为 l 的 方向，四指为多匝线圈中 i 方向。
当气隙长度δ远远小于两侧的铁心截面的边长时,铁心和气隙中为均匀磁场，则带气隙的铁心磁路
δ
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明螺管线圈设有向回路 l 与圆环的中心圆重合，则沿着回线 l 磁场强度 H 处处相等且其方向处处与回线切线方向相同（称为均匀磁场），同时闭合回线所包围的总电流由通有电流 i 的 N 匝线圈提供，则：
Hl＝ Ni
Ni,作用在磁路上的安匝数（磁路磁动势），单位A。
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明电流 磁场产生电磁感应感应电流
1831年法拉第闭合回路 变化
m
Φ
实验产生
1.3.2 电磁感应定律
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
G
N
S
×××
×××
×××
×××
a
b
一,电磁感应现象
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
×××
×××
×××
×××
G
N
S
a
b
一,电磁感应现象
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
×××
×××
×××
×××
G
N
S
a
b
一,电磁感应现象
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
×××
×××
×××
×××
G
N
S
a
b
一,电磁感应现象
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
×××
×××
×××
×××
G
N
S
a
b
一,电磁感应现象
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
×××
×××
×××
×××
G
N
S
a
b
一,电磁感应现象
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
×××
×××
×××
×××
G
N
S
a
b
一,电磁感应现象
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
×××
×××
×××
×××
G
N
S
a
b
一,电磁感应现象
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
×××
×××
×××
×××
G
N
S
a
b
一,电磁感应现象
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
×××
×××
×××
×××
G
N
S
a
b
S
N
ω
一,电磁感应现象
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
G
N
S
×××
×××
×××
×××
a
b
S
N
ω
R
12
ε
G
mΦ
当回路 1中电流发生变化时，在回路 2中出现感应电动势。
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
∫∫
=?=
SS
m
cosdSBSdB αΦ
nullnull
B变化
S变化
α 变化
×××
S
N
ω
×××
×
×
G
N
S
a
b
i
I
当通过一个闭合导体回路所包围面积内的磁通量发生变化时，回路中就会产生感应电流。
结论这一现象称为 电磁感应 。
电流方向
？
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明二、楞次定律 (判断感应电流方向)
感应电流产生的 效果,反抗引起感应电流的 原因导线运动感应电流阻碍产生磁通量变化感应电流产生阻碍
×××
×××
×××
×××
a
b
v
null
f
null
楞次定律,感应电动势产生的感应电流方向，
总是使感应电流的磁场通过回路的磁通量阻碍原磁通量的变化。
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明判断感应电流的方向：
1、判明原磁场的方向；
3、按照楞次定律确定,感应磁场,
的方向；
4、按右手螺旋法则由,感应磁场,
的 方向来确定感应电流的方向。
感
B
null
N
S
B
null
i
I
感
B
null
B
null
i
I
N
S
m
Φ
感
B
null
B
null
与 反向；
若，则
m
Φ
感
B
null
B
null
与 同向；
若，则增反 减同
2、确定原磁场磁通量的变化
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明楞次定律能量守恒定律在电磁感应中的体现若违背楞次定律
感应电动势的大小如何计算?
υ
null
f
null
×××
×
×××
×××
a
b
永动机？
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明三、法拉第电磁感应定律通过回路面积内的磁通量发生变化时，回路中产生的感应电动势与磁通量对时间的变化率成正比。
在 SI制中比例系数 K为 1
库仑定律毕 -沙定律电磁感应定律电磁场理论的三大实验基础
d
dt
ek
φ
=?
d
dt
e
φ
=?
如果：回路几何形状、尺寸不变，
周围无铁磁性物质。
L
自感系数，单位：亨利（ H）
对于 N 匝线圈：
Ψ
磁通链数四、
自感现象和自感电动势自感现象和自感电动势由于回路自身电流的变化，
在回路中产生感应电动势的现象。
实验指出：
I
m
∝φ
LI
m
=φ
LIN
m
== φψ
1.自感现象
Φ
I
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
1） L的意义：
LI
m
=φ
2,自感系数与自感电动势自感系数在数值上等于回路中通过单位电流时，通过自身回路所包围面积的磁通量。
若 I = 1 A，则
m
L φ=
L的计算,
L=φ
m
/I
单位,H,mH,μH
LI
m
=φ
自感电动势：
=e
L
d
dt
L
i
若回路几何形状、尺寸不变，周围介质的磁导率不变，
自感电动势
=?=
dt
d
e
m
L
φ
dt
Lid )(
dt
dL
I
dt
dI
L=
0=
dt
dL
则：
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明自感系数 L的大小：
N
L
ii
ψφ
==
由磁路欧姆定律：
m
m
Ni
Ni
R
φ ==Λ
则：
2
2
m
m
N
LN
R
==Λ
N——线圈的匝数
——磁路的磁导
R
m
——磁路的磁阻
m
Λ
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
1) 互感系数 (M)
因两个载流线圈中电流变化而在对方线圈中激起感应电动势的现象称为互感应现象。
若两回路几何形状、尺寸及相对位置不变，
周围无铁磁性物质。实验指出：
21212212
IMI =φ∝φ
12121121
IMI =φ∝φ
1
I
I
2
Φ 12
Φ 21
五,互感系数与互感电动势
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明实验和理论都可以证明：
Φ 12
I
2
I
1
Φ 21
MMM ==
2112
若两线圈的匝数分别为则有：
21
NN 与
221212112
MIIMN === φψ
112121221
MIIMN === φψ
M称为两线圈之间的互感系数，简称为互感。
称为两线圈之间的互感系数，简称为互感。
21212212
IMI =φ∝φ
12121121
IMI =φ∝φ
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
2）互感电动势
Φ 12
I
2
I
1
Φ 21
221212112
MIIMN === φψ
112121221
MIIMN === φψ
线圈线圈
2中的电流变化在线中的电流变化在线圈圈
1中激发的感应电动势中激发的感应电动势
dt
di
M
dt
d
e
212
12
=?=
φ
线圈线圈
1中的电流变化在线中的电流变化在线圈圈
2中激发的感应电动势中激发的感应电动势
dt
di
M
dt
d
e
121
21
=?=
φ
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
( A),互感系数和两回路的几何形状、尺寸，它们的相对位置，以及周围介质的磁导率有关。
( B),互感系数的大小反映了两个线圈磁场的相互影响程度。
自感系数 M的大小：
12 1 12
22
N
M
ii
ψφ
==
由磁路欧姆定律：
22
12 2 2 12
12
Ni
Ni
R
φ ==Λ
则：
12
1212
12
NN
MNN
R
==Λ
N
1
,N
2
——线圈的匝数
——磁路的磁导
R
12
——磁路的磁阻
12
Λ
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明互感系数在数值上等于当第二个回路电流变化率为每秒一安培时，在第一个回路所产生的互感电动势的大小。
若
(C),互感系数的物理意义,
2
1
di
dt
=
在式中，
2
12
di
eM
dt
=?
则有：
即：12
eM=
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
1.3.3 电磁力定律磁场对电流的作用是磁场的基本特征之一。实验表明，将长度为 l 的导体置于磁场 B 中，通入电流 i 后，
导体会受到力的作用，称为电磁力。其计算公式为
F = ΣdF = iΣdl × B
对于长直载流导体，若磁场与之垂直，则计算电磁力大小的公式可简化为
F = Bli
式中电磁力 F、磁场 B 和载流导体 l 的关系由左手定则
(又称电动机定则 )确定。
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明在电动机里，电磁转矩是驱使电机旋转的原动力，
即电磁转矩是驱动性质的转矩，在电磁转矩作用下，电能转换为机械能。在发电机里，可以证明，电磁转矩是制动性质的转矩，即电磁转矩的方向与拖动发电机的原动机的驱动转矩的方向相反，原动机的驱动转矩克服发电机内制动性质的电磁转矩而作功，机械能转换为电能。
电磁转矩还可以用功率的关系求得。设 P
em
为电机的电磁功率，Ω为电机气隙磁场旋转角速度，则有在旋转电机中，作用在转子载流导体上的电磁力将使转子受到一个力矩，我们称之为电磁转矩。电磁转矩是电机实现机电能量转换的重要物理量。
em
em
P
T =
Ω
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
1.4 铁磁材料的特性
1.4.1 铁磁材料的磁导率磁导率
H
B
=μ
(1) 非铁磁材料
μ 为常数，接近于真空的磁导率 m/H104
7
0
×π=μ
(2) 铁磁材料,铁、镍、钴及其合金
μ
很大，具有高的导磁性能；
μ
不是常数，磁化曲线呈非线性（饱和特性）
特性：
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明所有非导磁材料的磁导率都是常数，并且都接近于真空磁导率 μ
0
，μ
0
= 4π× 10
-7
H / m。但 铁磁材料却是非线性的,即其中 B 与 H 的比值不是常数，磁导率 μ
Fe
在较大的范围内变化，而且数值远大于 μ
0
，一般为 μ
0
的数百乃至数千倍。对电机中常用的铁磁材料来说,μ
Fe
在 2000 μ
0
～ 6000 μ
0
之间 。因此，当线圈匝数和励磁电流相同时，铁心线圈激发的磁通量比空心线圈的大得多，从而电机的体积也就可以减小。
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明铁磁材料之所以有高导磁性能，依磁畴假说，从微观角度看，就在于铁磁材料内部存在着很多很小的具有确定磁极性的自发磁化区域，并且有很强的磁化强度，
就相当于一个个超微型小磁铁，称之为磁畴。
磁化前磁化后
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明铁磁材料的磁化特性（ B－H 曲线/磁化曲线）
0
B
H
B=μ
0
H
非铁磁材料的磁化特性,B=μ
0
H
起始磁化曲线,B=f(H)
oa为起始段
ab为线性段
bc为饱和段
B=f(H)
a
b
c
d
膝点
μ Fe=f(H)
μ
,
随 H 的变化而变化
()
Fe
fHμ =
Fe
μ
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明磁路中的铁心作用磁路中的铁心作用
2
i
H
rπ
=
0
BH
Fe
μμ μ>>又因 ＝
1,铁心的增磁功能铁心的增磁功能
00Fe Fe
BBφφ>> >>故有结论：铁心具有增磁功能 。
思考题：铁心环与塑料环中的磁场强度和磁通密度有何区别？
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
2,串联磁路中的气隙降低铁心的增磁功能串联磁路中的气隙降低铁心的增磁功能
0Fe
μμ>>∵
11 1m
Fe
l
FR
A
φφ
μ
==
21mm
R R∴>
结论：在激磁磁势相同的情况下，带气隙铁心磁路只能得到较少的磁通。
22 2
()
mmFem
FR RR
δ
φφ== +
2
0
()
Fe
Fe
ll
AA
δ
φ
μμ
=+
δ
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
3,铁心磁路使磁通在空间按一定的形状分布铁心磁路使磁通在空间按一定的形状分布变压器：两个线圈交链的磁通过铁心以增强电机：铁心使定、转子之间的耦合场得以增强，并可以使定子内圆表面的磁感应强度按一定规律在圆周上分布
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
1.4.2 磁滞与磁滞损耗对铁磁材料进行周期性的磁化，则B-H曲线如图：
磁化曲线是一条具有单方向性的闭合曲线，称为磁滞回线。
B的变化总是滞后于H的变化，这种现象称为磁滞现象。
原因：外磁场撤除后，磁畴的排列不能完全恢复到起始状态，显示磁性。
矫顽力剩磁
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明基本磁化曲线或平均磁化曲线:
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明磁滞损耗当铁磁材料置于交变磁场中时，被反复交变磁化，致使磁畴之间不停的摩 擦，消耗能量，造成损耗，这种损耗称为 磁滞损耗 。
(1)不同的铁磁材料有不同的磁滞回线软磁材料：如：铸钢、硅钢、制作电机铁心；
硬磁材料：μ不高，Br大，磁滞回线宽而胖，
制造永久磁铁；
(2)同一铁磁材料,B
m
越大，磁滞回线所包围的面积越大，损耗越大。
VBfP
n
mh
∝
试验证明，磁滞损耗
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
1.4.3 涡流与涡流损耗因铁心是导电的，
当穿过铁心的磁通随时间变化时，铁心中产生感应电势，从而产生电流，这些环流在铁心内绕磁通做旋状流动成为涡流 。涡流在铁心中引起损耗称为 涡流损耗 。
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明涡流损耗的大小和哪些因素有关？
d
dx
x
2
/
ww
dp E R=
2b
dR
ldx
ρ=
2
2
w
w
lE
dp dx
bρ
=
/2
2222
0
2
d
wm
w
lE K f d B V
pdx
bρρ
==
∫
正比于频率的平方正比于厚度的平方正比于磁密的平方反比于电阻率
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明思考题：图中哪个涡流损耗大？
要减少涡流损耗，首先应减小硅钢片厚度 (目前一般厚度已做成 0.5mm 和 0.3mm 或更薄；其次是增加涡流回路中的电阻。电工钢片中加入适量的硅，制成 硅钢片,就是为了使材料改性，成为半导体类合金，显著提高电阻率。
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
1.4.4 铁心损耗
:铁心损耗系数
50/1
p
当铁心内的磁场为交变磁场时，常将磁滞损耗和涡流损耗合在一起来计算，并统称为铁心损耗，简称铁耗。
单位重量中铁耗,
2
1/50
()
50
Fe m
f
pp B
β
=
β 为频率指数，其值在 1.2～ 1.6 范围内
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
1.5 磁路基本定律及计算方法本质上讲，各类电磁装置中物理现象的研究都应归结为物理场问题的求解，如温度场、流场、力场、电场、
磁场等等。但这样太复杂，也难于得出一般性的分析设计规律，因此，将场问题化简为路问题求解，并由此形成了一门关于电路分析设计的完整理论。
磁路是电机、电器中磁通行经的路径。磁路一般由铁磁材料制成，磁通也有主磁通 (又称工作磁通 )和漏磁通之分。习惯上，主磁通行经的路径称之为主磁路，漏磁通行经的路径叫漏磁路。
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
1.均匀磁路的欧姆定律
BAΦ=
其中其中
B,磁通密度，特斯拉（
磁通密度，特斯拉（
T）
）
Φ
Φ
：
：
磁通，韦伯（
磁通，韦伯（
W
b
）
）
A：
：
铁心的截面积铁心的截面积
，平方米（
，平方米（
m
2
）
）
在线性或可以近似地认为是线性的介质中有
B=μH
其中 μ 是磁导率,H/m
1.5.1 磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
Bl
Ni l
Aμμ
==Φ
将 φ =BA和 B=μH 代入 Ni ＝ Hl，得欧姆定律欧姆定律
m
FR=Φ
m
FΦ= Λ
或或则可写为则可写为欧姆定律：作用于磁路上的磁动势等于磁阻乘以磁通。
欧姆定律：作用于磁路上的磁动势等于磁阻乘以磁通。
定义：
定义,m
l
R
Aμ
=
:磁路的磁阻，
磁路的磁阻，
A/W
b
m
R
定义：
定义：
1
m
m
A
Rl
μ
Λ= =
:磁路的磁导，
磁路的磁导，
W
b
/A
m
Λ
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
2.分段均匀磁路的欧姆定律分段均匀磁路的欧姆定律
0
()
mFe m
Fe
l
FRR
AA
δ
δ
μμ
=Φ +Φ =Φ +
其中
R
mFe
,铁心部分对应的磁阻
R
mδ
,气隙部分对应的磁阻假设铁心长度 l远远大气隙长度,认为铁心柱中的磁通等于气隙中的磁通,则
δ
δ
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
1.5.2 磁路的基尔霍夫第一定律进入或穿出任一封闭面的总磁通量的代数和等于零，或穿入任一封闭面的磁通量恒等于穿出该封闭面的磁通量。
12 3
Φ+Φ =Φ
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
1.5.2 磁路的基尔霍夫第二定律定义 Hl 为磁压降，Σ Hl 为闭合磁路上磁压降的代数和。磁路基尔霍夫第二定律表明，任一闭合磁路上磁动势的代数和恒等于磁压降的代数和。
∫
∑∑∑ ∑
Φ====?
m
RFNiHldlH
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明磁路和电路的类比关系
I
N
Φ
磁路
R
+
_
E
I
U
电路磁通势 F
电动势 E
磁通 Φ
电流 I
磁感应强度 B
电流密度 J
电阻 R(电导 G)
A
l
R
γ
=
m
l
R
Aμ
=
0iΣ=
0φΣ=
euΣ=Σ
m
F Hl RφΣ=Σ =Σ
磁阻 R
m
（磁导 ）
m
Λ
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1.6 电机中的机电能量转换过程（略）
±机械能 W
mec
= 磁场储能增量 Δ W
m
+热能损耗 P
T
±电能 W
e
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1.7 电机的发热与冷却一、电机的发热：
任何机械装置工作了一段时间后，都会出现发热的现象，我们已经学过了电工和大物，那么，很显然，这是损耗的出现所导致的结果。
1,温升,电机的温度在工作了一段时间后不在上升而达到某一稳定数值，此值和周围冷却介质温度之差，我们称之为温升。
电机的温升不仅取决与损耗的大小和散热情况，还与电机的工作方式有关。
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
2,定额：制造厂按国家标准的要求对电机的全部电量和机械量的数值以及运行的持续时间和顺序所做的规定称为电机的定额，（既电机的工作方式）。
1）连续定额 2）短时定额 3）周期工作定额二、电机的冷却：
电机的冷却快慢直接 决定了电机的寿命和额定容量。
1）冷却介质：空气，氢气，水和油
2）冷却方式：外部冷却和内部冷却。现代巨型电机均采用内部冷却方式。
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1.8 电机的分析研究方法
1.8.1 分析步骤虽然电机的种类很多，分析研究方法也各有特点，
但其基本步骤和基本方法还是有很多共同之处的，尤其是对旋转电机。下面综合介绍旋转电机的分析步骤和研究方法。
① 电机内部物理情况的分析。这一步主要是分析空载和负载运行时电机内部的磁动势和磁场，建立物理模型。
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
② 列出电机的运动方程。利用电磁感应定律和电磁力定律，即可求出各个绕组内的感应电动势和作用在转子上的电磁转矩；再利用基尔霍夫定律、全电流定律、
牛顿定律和能量守恒原理，可列出各个绕组的电动势方程式以及电机的磁动势方程式、转矩方程式和功率方程式。这些方程统称为电机的运动方程。这一步的工作就是把物理模型变为数学模型。
电机的运动方程除了可用上述传统方法建立外，
还可以用汉密尔顿原理通过变分法建立，或直接应用机电动力系统的拉格朗日麦克斯韦方程列写。
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③ 求电机的运行特性和性能。 列出运动方程后，求解这些方程，即可确定电机的运行特性和一些主要的技术数据。对于 动力用电机,在稳态运行特性中，发电机以外特性为最重要，而 电动机则以机械特性 为最重要。
发电机的外特性是指负载电流变化时，端电压的变化曲线 u=f(i
L
)；而电动机的机械特性是指电磁转矩变化时，转速的变化曲线 n=f(Tem)。此外，电机的效率、
功率因数、温升、过载能力等指标也很重要。 暂态运行时,还要考虑电机的稳定性、暂态电流和暂态电磁转矩等。对于 控制电机,则要考察其快速响应能力、
精确度和控制性能等指标。
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
1.8.2 研究方法在分析电机内部磁场并建立和求解电机运动方程时，
常规方法有：
① 不计磁路饱和时，用叠加原理分析电机内的各个磁场和气隙合成磁场以及与磁场一一对应的感应电动势。
考虑饱和时，常把主磁通和漏磁通分开处理，主磁通用合成磁动势和主磁路的磁化曲线确定，漏磁通则以等效漏抗压降方式处理，在列写电动势平衡方程式时考虑。
② 在解决交流电机中由于定、转子绕组匝数不等、相数不等、频率不等而引起的困难时，常采用参数和频率折算 方法进行等效处理。
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
③ 各种电机都有对应的 等效电路 分析模型，一般电机的稳态分析均可归结为等效电路的求解，交流电机还要应用 相量图 分析方法。
④ 交流电机的不对称运行要运用双旋转 (即正、负序 )磁场理论和 对称分量法 。
⑤ 在研究凸极电机时，常用 双反应理论 。
⑥电机的 动态分析用状态方程方法 。为解决交流电机电感系数时变和转子结构不对称 (凸极同步电机 )所导致的分析困难，常采用坐标变换法进行化简。
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明近年来，由于计算机的发展与应用，电机的研究手段和方法得以改进，主要表现在两个方面。
(1)从场的角度以微观方式研究电机 。早期做法是以磁场的探讨为主，用有限差分或有限元等数值方法求解电机内的磁场分布，现在这种做法已延伸发展到以综合物理场方式考察电机，可集成计算电机内的电场、磁场、温度场、流场和应力场之全部或部分。
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明
(2)从路的角度以宏观方式研究电机。 其核心就是通过数值仿真方法展现电机在各种运行状况下的动态特性，包括实际电机中可能无法实现的一些特定的极限工况或故障行为，均可通过计算机进行理念性实验。在新型电机研制过程中，数值仿真方法可以起到降低研究成本、缩短研究周期、揭示运行规律的重要作用。
2007年 3月 14日星期三 武汉大学电气工程学院应黎明教材辜成林 陈乔夫 熊永前编,华中科技大学出版社 2001 年第 1 版,
教学参考书
1,胡虔生、胡敏强、杜炎森,电机学,中国电力出版社,2001.
2,A.E.Fitzgerald,Charles Kingsley,Jr.Stephen D,Umans，
Electric Machinery(Sixth Edition),McGraw Hill,清华大学出版社,2003.
3,汤蕴璆、史乃主编，电机学，机械工业出版社,1999.
4,许实章，电机学，机械工业出版社,1990.
