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1、Electrical Machinery电机学,Name: 李 辉 E-mail:H,电机的定义,广义：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。 电机（Electrical Machine） ：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。 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。,Electrical Machinery,2. Hard to teach and learn （难教难学）,Introduction 1,Main Content（主要内容） To understand the role of Elect
2、rical machine and the task of this course; （理解电机的作用与本课程的任务）,2. To master the basic Electromagnetic Law; （掌握基本电磁定律）,Introduction 1 (Continued),3. To master the magnetization characteristic of ferromagnetic material; (掌握铁磁材料的磁化特性),4. To understand the basic analysis method of magnetic circuit. （了解磁路的基
3、本分析方法）,0.1 Introduction of Electrical Machine （ Basic Physics Law related to Magnetic Circuit ）,0.4 铁磁材料及其特性. （ Ferromagnetic Materials and Their Magnetization Characteristics ）,0.2 电机中的能量转换与磁路; （ Energy Conversion and Magnetic Circuit in Electrical Machines ）,主要内容 （ Content ）,电机中能量转换的两个实例（ Two exam
4、ples ）,Core type transformer (心式变压器),变压器 (Transformers),0.2 电机中的能量转换与磁路 （ Energy Conversion and Magnetic Circuit in Electrical Machines ）,Shell type transformer (壳式变压器),Schematic diagram of core type transformer (心式变压器示意图),(b) Schematic diagram of shell type transformer (壳式变压器示意图),心式与壳式变压器 (Two Tran
5、sformers ),同步发电机工作原理 (Operation Principle of Synchronous Generator),(b)发电机 (Generator),同步电机机械能到电能转换过程 (Energy Conversion Procedure of Synchronous Generator),发电机工作原理动画 (Animation for the Principle of Generator),励磁绕组中有直流电流流过，在发电机运行时， 转子轴由于外力的驱动而旋转，从定子绕组出线端就 可以向外部电路输出电能。,Schematic Diagram of Generator
6、Main Part,发电机主体部分的示意图 (Schematic Diagram of Generator Main Part),N S,0.2.2 能量转换装置中的磁场与磁路(Magnetic Field and Magnetic Circuit ),变压器实现能量传递条件：两个线圈被磁场耦合起来。 (Condition for energy conversion: Two windings coupled with magnetic field.),单相变压器 (Single-phase Transformer),旋转电机能量转换端口 (Energy Conversion port of
7、Rotating Machine),磁场,在发电机中，机械能转换为电能，一个重要条件也是因为其中存在一个耦合磁场(Coupled magnetic field )。,旋转电机耦合场 (Coupled Field of Rotating Machine),电机、变压器磁场最重要的一个物理量是磁通。 磁通所通过的路径就是磁路。 (Magnetic Circuit is the path for magnetic flux to pass through) 磁路主要由铁磁材料构成，称为铁心磁路。,变压器与发电机磁路的形成（ Magnetic Circuit ）,发电机磁极单独存在时不构成磁路,发电机
8、磁极与定子铁心构成的磁路,有线圈有铁心才能构成磁路,有线圈没有铁心时不构成磁路,0-3. 与电机磁路相关的基本电磁定律,0.3.1 与磁路相关的基本物理量 (Physical Quantities Related to Magnetic Circuit),磁场强度 H A/m (Magnetic Field Intensity, H, A/m),注意！磁场强度的大小在铁磁材料中，并不代表磁场强弱。只有它与磁导率之积才能反映磁场的强弱。,（ Basic Physics Law Related to Magnetic Circuit ）,a. 磁场强度 H A/m, 磁压降,(Magnetic F
9、ield Intensity, H, A/m),因为 是 的数千倍，所以，铁环 中的磁密与磁通是塑料环中的数千倍。 (For is several thousand times of , the magnetic density and magnetic flux in iron ring are several thousand times of those in plastics ring.),b. 磁感应强度B（磁通密度） (Intensity of Magnetization / Density of Magnetic flux) 描述磁场强弱及方向的物理量。 单位(Unit)：特斯拉
10、（T）T,Gs ， 1Gs=10-4T,c. 磁通量 (Magnetic Flux) (垂直)穿过截面S的磁力线根数。 在均匀磁场，且B 与S垂直时，有 单位：韦伯（Wb） Wb, Mx 1Mx=10-8Wb,d. 磁导率( Magnetic Permeability ) 磁导率表示物质导磁能力的大小。 为磁导率，其单位为 H/m 磁场强度的单位为 A/m 真空的磁导率 H/m,铁磁物质：铁、钴、镍及其合金 (Ferromagnetic Materials: iron, cobalt, nickel and their alloy ） 非铁磁物质：空气、水、油、铜、铝 ( Nonferrous
11、 Materials ),电机、变压器的磁路通常由磁导率达到数千倍m0的铁与硅合金构成，它被制成厚度为0.5mm或者更薄的硅钢片。(Silicon steel sheet),0.3.2 全电流定律（安培环路定律） (Ampere Circuital Theorem),简化形式的全电流定律 (Simple form of Ampere Circuital Theorem),N 为线圈匝数，H为回线上各点的磁场强度。 : 作用在磁路上的安匝数（磁路磁动势）,单位 A。,1) 简化形式的全电流定律,全电流定律： 磁场强度与回线长度的乘积等于该回线所包围的总安匝数 。,注意条件： 沿回线长度各点磁场强
12、度相等，且方向与回线方向相同。 上式实际上只适合于回线正方向为顺时针的情况！,简化形式的全电流定律- Ni=Hl (Simple form of Ampere Circuital Theorem),对于右下角的单相变压器铁心磁路，设回线l1与铁心中心线重合，方向如图，则可以认为: 回线l1各点磁场强度近似相等,且方向与回线l1相同, 于是得到:,单线圈铁心磁路 (Magnetic circuit with single winding),N为线圈匝数，H为回线上各点的磁场强度。 全电流定律：磁场强度与回线长度的乘积等于该回线所包围的总安匝数 。,其中: F=Ni 磁路的总磁动势 HFelFe
13、铁心上的磁压降 H 气隙上的磁压降,若磁回路中存在气隙， 当气隙长度远远小于铁心截面的边长时， 铁心和气隙中分别为近似均匀磁场，则:,讨论1 磁路包含气隙时的全电流定律 (Discussion 1 Ampere Circuital Theorem with air gap in magnetic circuit),带气隙的铁心磁路 (Magnetic circuit with air gap),可见，总磁势等于各段磁压降之和。当磁路由k段均匀磁路串联时有,对于该图所示电流方向，上式两项均取正号。对于一般的情况需要仔细判断各线圈电流的方向，以便正确选择磁势求和的正负号。,多线圈铁心磁路 Magn
14、etic circuit with multiple windings,讨论2 磁路包含两个线圈时的全电流定律 (Discussion 2 Ampere Circuital Theorem with two windings),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。 (Ampere Circuital Theorem : The line integral of magnetic intensity, with random loop in space, is equal to the algebraic sum of current en
15、circled by the loop. ),注：若 i 与 l 符合右手螺旋关系， 取正号，否则取负 。其中大拇指所指为 i 的方向，四指为 l 方向。,2）全电流定律一般形式 (General form of Ampere Circuital Theorem),1）均匀磁路的欧姆定律 (Ohms Law for uniform magnetic circuit),0.3.3 磁路的欧姆定律与电感 (Ohms Law for Magnetic Circuit and Inductance),得,全电流定理仅仅给出磁场强度与磁势之间关系，电机分析中更需要i-f关系。根据安培环路定律简化形式，通
16、过定义磁阻及磁导，可以得到描述磁动势与磁通关系的磁路欧姆定律。于是得到i-f关系。,欧姆定律：作用于磁路上的磁动势等于磁阻乘以磁通。 (Ohms Law: The magnetomotive force in the magnetic circuit is equal to the product of magnetic resistance and magnetic flux.),引入磁动势, 磁阻,磁导有什么作用? 磁导与哪些因素有关? 3) 从磁路欧姆定律出发，磁通 的大小受哪些因数的影响？,思考 (Ponder):,又知道线圈的磁链(magnetic flux linkage)与电流的
17、关系:,结论：电感等于线圈匝数的平方和磁路磁导的乘积。 讨论: 影响电感大小的因素,已知,2) 线圈的电感 ( Inductance ),得到电感与线圈匝数和磁导的关系,随着铁心磁路饱和的增加，铁心磁导率Fe减小，相应的磁导、电抗也要减小。,电抗 随着频率 、匝数 、磁导 的变化而变化。 ( The reactance varies with the frequency, turns of the winding, and magnetic conductance.),线圈的电抗 (Reactance),3）分段均匀磁路的欧姆定律 (Magnetic Ohms Law for the subs
18、ection uniform magnetic circuit),思考： 假设铁心长度 与气隙长度 比为1000/1；铁心磁导率 与气隙磁导率 比为6000/1,那么线圈电流产生的磁动势在铁心中与气隙中消耗的磁动势是什么比值关系？,讨论3 铁心磁路中气隙对电感的影响 (Discussion 3 Effect of the air gap on the inductance),分段均匀磁路，总磁阻等于串联各磁阻之和，因而使总磁组变大，总磁导变小，电感变小。,设铁心磁路横截面积A=100cm2, l =1m, 线圈N=200匝，比较d = 0与d=1mm的磁阻,磁导,并求出电感,算例 (Examp
19、le),算例(续),4) 磁导率对激磁电流与磁通关系的影响 (Effect of the Magnetic Permeability on magnetizing current and magnetic flux),铁磁材料的高磁导率使得较小的激磁电流可以产生 较大的磁通.所以下图铁环中磁通是塑料环中的数千倍. 这是铁心的增磁功能。,磁导率对激磁电流与磁通关系的影响(续) (Effect of the Magnetic Permeability on magnetizing current and magnetic flux (continued),-磁路中微小的气隙,就可以使同样励磁电流产
20、生的磁通显著减小(下图,1m长铁心,出现1mm气隙后,磁通变为1/6!)可见,气隙的存在显著降低了铁心增磁效果,0.3.4 电磁感应定律 (Law of Electromagnetic Induction ),1)电磁感应定律,图中给出了线圈感应电动势 与磁通 的正方向， 可以看出，正方向与磁通的正方向之间符合右手螺 旋关系。由此，电磁感应定 律可表示为：,在电感为常数的情况下，对 于只有一个线圈的情况，就 可得到我们所熟悉的公式,2)关于公式 (Formula),如图所示，利用右手定则(Right-hand rule) ，就可得到:,注意点： a该公式要求导体 及其运动方向均与 磁密 方向垂
21、直，而且在导体长度上各点 的磁密相等。 该公式经常用于旋转电机内旋转磁场 切割静止绕组感应电动势的求解，当在运 用时，也要注意（a）中的适用条件。,0.3.5 电机分析中所用其它物理定律,（1）磁通连续性定律(Magnetic flux continuity law),（2）电磁力定律 (Electromagnetic force),载流导体在磁场中要受到电磁力，若导体中电流为i，导体长度为l，导体所在处的磁通密度为B，则电磁力为：,当电流 i 的方向与磁密 B 的方向垂直时电磁力大小为：,注：电磁力方向由左手定则 (Left-hand rule) 决定,（3）三个电路定律 (Three la
22、ws of circuit),2）基尔霍夫电流定律 (kirchhoffs law) ：任意节点处电流代数和为零，即:,3）基尔霍夫电压定律(kirchhoffs voltage law) ： 任意回路电压代数和为零，即,1）电路欧姆定律(Ohms law)：,U=RI+(-E),（a）直流电路 （b）交流电路,u=Ri+(-e),0.4 铁磁材料及其磁化特性 (Ferrimagnetic materials and their magnetization characteristics),内容提要(Main Content): -铁心高导磁率以及相应的增磁功能由 磁化曲线决定 -铁心导磁率以
23、及相应的增磁功能受 铁心饱和程度制约 -交流铁心磁路中会产生铁心损耗 (增磁的代价),铁磁材料的磁化特性（BH 曲线/磁化曲线） (B-H curve/magnetization curve),0.4.1 铁磁材料的磁化特性 (Magnetization characteristics),B=f(H),起始磁化曲线(Origin B-H curve ): B=f (H),oa为起始段 (Starting section) ab为线性段 (Linear section) bc为饱和段 (Saturation section),随 H 的变化而 变化,非铁磁材料的 磁化特性：B=0H,讨论4 铁心
24、磁路磁化曲线,3、4-带气隙的铁心磁路的磁化曲线 (3 4),1-铁磁材料的磁化曲线 2 无穷大时气隙曲线,磁密落后于磁场强度，亦即磁通落后于产生该磁通的激磁电流的现象，称为磁滞现象(Magnetic hystersis )。,铁磁材料进行周期性磁化所反映的物理现象,0.4.2 磁滞回线 (Magnetic hystersis loop),基本磁化曲线或平均磁化曲线: (Average magnetization curve),H （A/m）,B (T),实际知识 硅钢片DW450-50的磁化曲线,代号说明：D-电工钢片，W-冷轧无取向，即各个方向磁导率相等，450-50在50Hz下铁心损耗4
25、.5W/kg,厚度为0.5mm.,DW450-50的磁化曲线,1）. 磁化过程中磁畴的运动 (Magnetic domain Movement),磁畴,0.4.3 磁畴与磁化过程 (Magnetic domain and magnetization process),当铁心中磁通交变时，要产生铁心损耗，它由磁滞损耗与涡流损耗两部分组成。,磁滞损耗与磁滞回线的面积、电流频率f、铁心体积V 成正比。,2). 铁心的交流损耗 (Loss in iron core),当通过铁心的磁通随时间变化时，铁心中将产生感应电势，因为铁心可以导电，因而在其中引起环流。这些环流在铁心内部围绕磁通作涡流状流动，称为涡流。涡流在铁心中引起的损耗，称为涡流损耗。,思考题：图中哪个涡流损耗大？,2）涡流损耗 (Eddy current loss),铁耗近似公式 (Approximate formula of iron loss),电机分析常用的近似公式：,单位重量的铁损一般公式：,总 结,1、已知： , 匝， ， ，,求: 1) 电感,2) 分析气隙 及铁心不同磁导率对电 感的影响,习 题,习题(续),Thank You !,