电机学
绪论
变压器
交流电机共同理论
异步电机绪论
电机的发展
主要类别
基本作用原理 ——多个（电磁）定律
电机可逆性原理
电机的材料
作业电机的发展
1．电机的发展初期
电磁感应定律的发现 ——1831年法拉第
直流电机的发展
单相交流电的应用 ——远距离传输
三相交流电的应用 ——解决电机启动问题电机的发展
2．电机的近代发展及趋势
单机容量不断增加 ——机组容量大时，单位容量的用料
（省）、损耗（小）、造价（低）
如汽轮发电机：
中小型电机技术与经济指标不断改进新的设计方法（ CAD）、工艺、材料、测试手段
应用范围扩大
1900 5MVA 1956水内冷 208MVA
1920 25MVA 1960 320MVA
1937空气冷却 100MVA 目前 >1000MVA
氢气冷却 150MVA
电机的主要类别
电机的作用 ——转换能量，输入及输出
机械运动 ——传递机械功率定子、转子、气隙
据能量转换分
发电机 ——将机械功率转换为电功率
电动机 ——将电功率转换为机械功率
变压（流、频、相位）器 ——将电功率转换为另一种形式的电功率
控制电机 ——电气机械系统中调节、放大和控制作用电机的主要类别
据速度、电流分变压器 ——静止设备旋转电机直流电机 ——没有固定的同步速度,直流交流电机异步电机 ——速度不等于同步速度,交流同步电机 ——速度等于同步速度,交流电机的运行与分析基础
电磁感应定律
全电流定律
磁路定律
电路定律
电磁力定律
…
电机的基本作用原理
磁场、磁感应强度用磁场中载流导体受到的 洛仑兹力 确定其存在和性质
B是矢量,即既有大小，又有方向
– 用磁力线上每点的切线方向规定 B的方向
– 用磁力线的疏密程度表示 B的大小
IB d ldF?
B
磁力线
(1)磁感应线的回转方向和电流方向之间的关系遵守 右手螺旋法则
(2)磁场中的磁感应线不相交,每点的磁感应强度的方向确定唯一
(3)载流导线周围的磁感应线都是围绕电流的闭合曲线电机的基本作用原理
磁通量
– 通过磁场中某一面积的磁感应线数称为通过该面积的 磁通量 (磁通 )，符号?,单位 Wb
=BScos?
磁通连续性原理
由于磁感应线是闭合的，因此对任意封闭曲面来说，进入该闭合曲面的磁感应线，一定等于穿出该闭合曲面的磁感应线。如规定磁感应线从曲面穿出为正，穿入为负，则通过任意封闭曲面的磁通量总和必等于零
s dsB 0c o s?
电机的基本作用原理
磁场强度 H、磁导率?
B=?H
– 磁导率,决定于介质性质,H／ m。变化范围很大。
– 真空磁导率?0=4?× 10-7H／ m
– 非铁磁物质 如空气、铜、铝和绝缘材料等，近似等于真空磁导率
– 铁磁物质 如铁、镍、铝及其合金，磁导率远大于真空磁导率达数千甚至上万倍。通常以相对磁导率
表示铁磁物质的磁导率比真空磁导率增大的倍数在同样大小的电流作用下，铁芯线圈的磁通比空心线圈的磁通大得多安培环路定律 (全电流定律 )
磁场强度矢量 H沿任一闭合路径的线积分等于穿过该闭合路径的限定面积中流过电流的代数和。且积分回路的绕行方向和产生该磁场的电流方向符合右手螺旋定则
磁压 ——
沿着磁场中任一闭台回路其总磁压等于总磁势
n
k
kl IH d l
1
l H d lU
ki IU
磁路及其参数认为磁通完全在导磁体内部通过；
假设在铁芯柱截面上 B为均匀分布
1 1 1
1 1 1
c c c
c c c
l H U
S B
S
l
BS
lHUR
c
c
c
c
c
1
1
1
1
1
磁路的欧姆定律磁路基本定律
磁路的基尔霍夫第一定律
– 流入磁路节点的磁通的代数和应等于零
磁路的基尔霍夫第二定律
– 沿着任一闭合回路，其总磁压等于总磁势
021 yyc
ki IU
磁化曲线
不同的磁性材料有不同的磁导率
同一材料当其磁通密度不同时，亦有不同的磁导率起始段，磁导率较小线性区，磁导率大且不变饱和区磁滞现象与磁滞回线
磁场强度 H缓慢地循环变化,
B一 H曲线是一封闭曲线 ——
磁滞回线
矫 顽 磁 力 Hc
剩余磁感应强度 Br
铁芯损耗
当导磁材料位于交变磁场中被反复磁化,B一 H
曲线呈磁滞回线。导磁材料中将引起能量损耗，
称为 铁芯损耗 。铁芯损耗分为两部分,磁滞损耗 和 涡流损耗 。
注意,在恒定磁场中的静止导磁体内是不会引起能量损耗的
铁芯损耗均转化为热能使铁芯温度升高,为防止电机过热,采用硅钢片以减小铁芯损耗,采取散热降温措施磁场储能
磁场是一种特殊形式的物质,磁场中能够储存能量，
在磁场建立过程中，能量由外部能源转换而来。
电机 —— 通过磁场储能来实现机、电能量转换
体积能量密度
磁场能量主要存储在气隙中?
2
2
1
2
1
2
1
B
B H d vBHWm
V
电感
磁链 Ψ
磁通 Φ
磁导
电感 L
– 自感
– 互感
– 漏电感
– 电抗电感性质
电感与线圈匝数的平方成正比，和磁场介质的磁导亦成正比关系,而和线圈所加的电压、电流或频率无关。
电机的电感（电抗）与电机磁路的饱和有关
电机的电感 (电抗 )与电机的电、磁结构有关
对应不同的磁通需引用多种不同的电抗
2N
I
INN
I
FN
I
N
IL
电磁感应定律
设有一线圈位于磁场中,当该线圈中的磁链发生变化时，线圈中将有 感应电动势 (简称电势 )产生。 感应电势的数值与线圈所匝链的磁链的变化率成正比 。感应电势的方向将倾向于产生一电流，如电流能流通，该电流的磁化作用将阻止线圈的磁链发生变化。
线圈中的感应电势将倾向于阻止线圈中磁链的变化
dt
de Blve?
两种感应电势线圈中磁链的变化
(1)磁通本身就是由交流电流所产生,也就是说磁通本身随时间在变化着,这样产生的电势称为 变压器电势 。 （ 线圈与磁场相对静止 ）
(2)磁通本身不随时间变化,但由于线圈与磁场间有相对运动而引起线圈中磁链的变化,这样产生的电势称为 运动电势 或 速度电势
e=Blv
电磁力
载流导体位于磁场中时，导体上受到力 Fe
发电机（电动机）基本作用原理
i -> Fe -> v 电动机 发电机 v -> e -> i
电机可逆性原理
如在电机轴上外施机械功率，通过电机导体在磁场中作用产生感应电势可输出电功率；如在电机电路中从电源输入电功率，则载流导体在磁场作用下可使电机旋转而输出机械功率。
任何电机既可以作为发电机运行，又可以作为电动机运行
不论用作发电机或电动机，感应电势和电磁力都同时作用于导体。
电机的制造材料
导电、导磁、绝缘、散热和机械支撑
– 铜是最通用的导电材料
– 钢铁是良好的导磁材料 为了减小铁芯中的涡流损耗，
导磁材料应当用薄片钢，称为 电工钢片（ 硅钢片）。
成分中 含有少量的硅，使它有较高的电阻，同时又有良好的磁性能 。
– 绝缘材料电路与磁路的类比
U
+
-
R
I
F
+
-
Rm
Φ
概念思考
为什么说发电机和电动机作用同时存在于一台电机中，但又不能同时既是发电机又是电动机从能量传递，力的性质等方面考虑作业
1-1,1-2,1-3
1-5,1-6
绪论
变压器
交流电机共同理论
异步电机绪论
电机的发展
主要类别
基本作用原理 ——多个（电磁）定律
电机可逆性原理
电机的材料
作业电机的发展
1．电机的发展初期
电磁感应定律的发现 ——1831年法拉第
直流电机的发展
单相交流电的应用 ——远距离传输
三相交流电的应用 ——解决电机启动问题电机的发展
2．电机的近代发展及趋势
单机容量不断增加 ——机组容量大时，单位容量的用料
（省）、损耗（小）、造价（低）
如汽轮发电机：
中小型电机技术与经济指标不断改进新的设计方法（ CAD）、工艺、材料、测试手段
应用范围扩大
1900 5MVA 1956水内冷 208MVA
1920 25MVA 1960 320MVA
1937空气冷却 100MVA 目前 >1000MVA
氢气冷却 150MVA
电机的主要类别
电机的作用 ——转换能量，输入及输出
机械运动 ——传递机械功率定子、转子、气隙
据能量转换分
发电机 ——将机械功率转换为电功率
电动机 ——将电功率转换为机械功率
变压（流、频、相位）器 ——将电功率转换为另一种形式的电功率
控制电机 ——电气机械系统中调节、放大和控制作用电机的主要类别
据速度、电流分变压器 ——静止设备旋转电机直流电机 ——没有固定的同步速度,直流交流电机异步电机 ——速度不等于同步速度,交流同步电机 ——速度等于同步速度,交流电机的运行与分析基础
电磁感应定律
全电流定律
磁路定律
电路定律
电磁力定律
…
电机的基本作用原理
磁场、磁感应强度用磁场中载流导体受到的 洛仑兹力 确定其存在和性质
B是矢量,即既有大小，又有方向
– 用磁力线上每点的切线方向规定 B的方向
– 用磁力线的疏密程度表示 B的大小
IB d ldF?
B
磁力线
(1)磁感应线的回转方向和电流方向之间的关系遵守 右手螺旋法则
(2)磁场中的磁感应线不相交,每点的磁感应强度的方向确定唯一
(3)载流导线周围的磁感应线都是围绕电流的闭合曲线电机的基本作用原理
磁通量
– 通过磁场中某一面积的磁感应线数称为通过该面积的 磁通量 (磁通 )，符号?,单位 Wb
=BScos?
磁通连续性原理
由于磁感应线是闭合的，因此对任意封闭曲面来说，进入该闭合曲面的磁感应线，一定等于穿出该闭合曲面的磁感应线。如规定磁感应线从曲面穿出为正，穿入为负，则通过任意封闭曲面的磁通量总和必等于零
s dsB 0c o s?
电机的基本作用原理
磁场强度 H、磁导率?
B=?H
– 磁导率,决定于介质性质,H／ m。变化范围很大。
– 真空磁导率?0=4?× 10-7H／ m
– 非铁磁物质 如空气、铜、铝和绝缘材料等，近似等于真空磁导率
– 铁磁物质 如铁、镍、铝及其合金，磁导率远大于真空磁导率达数千甚至上万倍。通常以相对磁导率
表示铁磁物质的磁导率比真空磁导率增大的倍数在同样大小的电流作用下，铁芯线圈的磁通比空心线圈的磁通大得多安培环路定律 (全电流定律 )
磁场强度矢量 H沿任一闭合路径的线积分等于穿过该闭合路径的限定面积中流过电流的代数和。且积分回路的绕行方向和产生该磁场的电流方向符合右手螺旋定则
磁压 ——
沿着磁场中任一闭台回路其总磁压等于总磁势
n
k
kl IH d l
1
l H d lU
ki IU
磁路及其参数认为磁通完全在导磁体内部通过；
假设在铁芯柱截面上 B为均匀分布
1 1 1
1 1 1
c c c
c c c
l H U
S B
S
l
BS
lHUR
c
c
c
c
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1
1
1
1
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磁路的欧姆定律磁路基本定律
磁路的基尔霍夫第一定律
– 流入磁路节点的磁通的代数和应等于零
磁路的基尔霍夫第二定律
– 沿着任一闭合回路，其总磁压等于总磁势
021 yyc
ki IU
磁化曲线
不同的磁性材料有不同的磁导率
同一材料当其磁通密度不同时，亦有不同的磁导率起始段，磁导率较小线性区，磁导率大且不变饱和区磁滞现象与磁滞回线
磁场强度 H缓慢地循环变化,
B一 H曲线是一封闭曲线 ——
磁滞回线
矫 顽 磁 力 Hc
剩余磁感应强度 Br
铁芯损耗
当导磁材料位于交变磁场中被反复磁化,B一 H
曲线呈磁滞回线。导磁材料中将引起能量损耗，
称为 铁芯损耗 。铁芯损耗分为两部分,磁滞损耗 和 涡流损耗 。
注意,在恒定磁场中的静止导磁体内是不会引起能量损耗的
铁芯损耗均转化为热能使铁芯温度升高,为防止电机过热,采用硅钢片以减小铁芯损耗,采取散热降温措施磁场储能
磁场是一种特殊形式的物质,磁场中能够储存能量，
在磁场建立过程中，能量由外部能源转换而来。
电机 —— 通过磁场储能来实现机、电能量转换
体积能量密度
磁场能量主要存储在气隙中?
2
2
1
2
1
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1
B
B H d vBHWm
V
电感
磁链 Ψ
磁通 Φ
磁导
电感 L
– 自感
– 互感
– 漏电感
– 电抗电感性质
电感与线圈匝数的平方成正比，和磁场介质的磁导亦成正比关系,而和线圈所加的电压、电流或频率无关。
电机的电感（电抗）与电机磁路的饱和有关
电机的电感 (电抗 )与电机的电、磁结构有关
对应不同的磁通需引用多种不同的电抗
2N
I
INN
I
FN
I
N
IL
电磁感应定律
设有一线圈位于磁场中,当该线圈中的磁链发生变化时，线圈中将有 感应电动势 (简称电势 )产生。 感应电势的数值与线圈所匝链的磁链的变化率成正比 。感应电势的方向将倾向于产生一电流，如电流能流通，该电流的磁化作用将阻止线圈的磁链发生变化。
线圈中的感应电势将倾向于阻止线圈中磁链的变化
dt
de Blve?
两种感应电势线圈中磁链的变化
(1)磁通本身就是由交流电流所产生,也就是说磁通本身随时间在变化着,这样产生的电势称为 变压器电势 。 （ 线圈与磁场相对静止 ）
(2)磁通本身不随时间变化,但由于线圈与磁场间有相对运动而引起线圈中磁链的变化,这样产生的电势称为 运动电势 或 速度电势
e=Blv
电磁力
载流导体位于磁场中时，导体上受到力 Fe
发电机（电动机）基本作用原理
i -> Fe -> v 电动机 发电机 v -> e -> i
电机可逆性原理
如在电机轴上外施机械功率，通过电机导体在磁场中作用产生感应电势可输出电功率；如在电机电路中从电源输入电功率，则载流导体在磁场作用下可使电机旋转而输出机械功率。
任何电机既可以作为发电机运行，又可以作为电动机运行
不论用作发电机或电动机，感应电势和电磁力都同时作用于导体。
电机的制造材料
导电、导磁、绝缘、散热和机械支撑
– 铜是最通用的导电材料
– 钢铁是良好的导磁材料 为了减小铁芯中的涡流损耗，
导磁材料应当用薄片钢，称为 电工钢片（ 硅钢片）。
成分中 含有少量的硅，使它有较高的电阻，同时又有良好的磁性能 。
– 绝缘材料电路与磁路的类比
U
+
-
R
I
F
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Rm
Φ
概念思考
为什么说发电机和电动机作用同时存在于一台电机中，但又不能同时既是发电机又是电动机从能量传递，力的性质等方面考虑作业
1-1,1-2,1-3
1-5,1-6
