电机与拖动基础 第2版 教学课件 作者 汤天浩 第01章－电机的基本原理.ppt

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1、-1-第一章电机的基本原理电机与拖动基础（第2版）第一节电磁感应第二节机电能量转换基本原理第三节电机的基本结构与工作原理第四节电机的能量损耗与发热-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。本章试图从电磁感应和机电能量转换这两个角度来探究电机的基本原理；以一个简单的两极电机为原型电机，建立电机的物理模型，进而导出电机的电动势和电磁转矩的一般方程；并初步讨论了电机的发热问题。第一章电机的基本原理-3-第一章电机的基本原理自1831年法拉第发现电磁感应定律的一百多年来，各种类型的电机不断

2、发明并广泛应用于我们生产和生活的方方面面。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。一般来说，在电机中这两种工作方式是可逆的，也就是说同一台电机既可以作为电动机也可以作为发电机来使用。下面主要讨论电机共同的原理。-4-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

3、，磁力线的方向与电流的方向满足右手螺旋关系。如图1-1所示，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）-5-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）-6-2.磁通密度通常把穿过某一截面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，

4、0为真空导磁率，且有0≈410-7H/m。-7-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，因此在这些材料中，磁场强度H与磁通密度B的关系可用图1-3a中的B-H曲线来表示。第一章电机的基本原理-8-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。图1-3b给出了几种典型导磁材料的B-H曲线。二、磁路为简单起见，工程上常用磁路方法来

5、描述和分析磁场及电磁关系。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。-9-1.简单磁路如图1-4a所示，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。根据式（1-2），可得磁场强度为第一章电机的基本原理-10-现定义一个新的变量磁动势Fm，则上式可写成第一章电机的基本原

6、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（见图1-4b）。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。-11-2.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-12-由于Bc=/Sc，Bg=/Sg，如

7、果忽略气隙磁场的边缘效应，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，RmcRmg，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。-13-3.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

8、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），磁路的磁通也主要存在于气隙之中，即（1-13）-14-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，