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姜卫东. 合肥工业大学电气与自动化工程学院 博士、博士后 主要研究方向：特种电机设计与控制、电磁场理论及应用、电力电子变流技术 南区教育部光伏系统工程研究中心 203 室 ahjwd@163.com 0551 － 2901428 － 8033. 绪 论. 什么是电机？ 电机学中所说的电机，是指依靠 电磁感应 作用而运行的电气设备，用于机械能和电能之间的转换、不同形式电能之间的变换、或者信号的传递与转换。. 电机在国民经济中的运用.
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姜卫东 • 合肥工业大学电气与自动化工程学院 • 博士、博士后 • 主要研究方向：特种电机设计与控制、电磁场理论及应用、电力电子变流技术 • 南区教育部光伏系统工程研究中心203室 • ahjwd@163.com • 0551－2901428－8033
绪 论 • 什么是电机？ 电机学中所说的电机，是指依靠电磁感应作用而运行的电气设备，用于机械能和电能之间的转换、不同形式电能之间的变换、或者信号的传递与转换。
电机在国民经济中的运用 电机是完成多种能量形式转换的有效工具，而电能又是最容易实现传输、变换的能量形式，可以说，如果没有电机就没有现代工业，下面就电能的产生、传输和利用等多个方面来说明电机在国民经济中的作用。
电能的产生 • 若电机用于将其它形式的能量转换为电能，则被称为发电机（Generator）,它主要实现以下三种能量的转换： • 水能转化为电能－水力发电机； • 化石能转化为电能－火力发电机； • 风能转化为电能－风力发电机。
三峡电站的水轮发电机－全球最大的水轮发电机三峡电站的水轮发电机－全球最大的水轮发电机
电能的传输、变换 • 电能的传输和变化离不开电机。要传输一定的电能，为了减小传输线上的损耗，希望电压越高越好，而用户用电则为低压电。因此在电能的传输中必须使用变压器。 • 电能的变换包括幅值、频率、相位以及交直流形式上的变换。
电能的利用 • 电能的利用主要是指将电能转换为所需的能量形式，其中最为主要的就是将电能转换为机械能。要求在转换过程中（1）、转换效率高；（2）、可靠性高。 • 往往在能量转换的同时也能对运动进行控制，这就引入了一个新的研究分支－电力传动。 • 相对而言，电机这一概念往往是指电动机。
第一章 磁路Magnetic Circuit 研究磁路的必要性： 电机是以磁场为介质进行机电能量转换的装置。 两个简单的物理事实： 1、变化的磁场会产生电场——由磁生电——机械能向电能转换； 2、通电导体会在磁场中受力——电能向机械能的转换。 在工程中，通常将磁场问题简化为磁路问题。
第一节 磁路的基本定律 一 磁场的基本常用量 • 磁感应强度（又称磁通密度）B——表征磁场强弱及方向的物理量。单位：Wb/m2 真实的物理量，反映了该点处的磁特性 • 磁通量Φ——垂直穿过某截面积的磁力线总和。 单位：Wb 磁感应强度的积分值，描述了磁场的总体特性 • 磁场强度H——计算磁场时引用的物理量。 B=μH，单位：A/m 磁感应强度与该点磁导率的乘积，反映了建立该点磁场的源
B、H、Φ之间的关系 产生磁场的电流建立 ↓ 磁势F ↓ 各点处产生磁场强度H → ↓ B=μH 各点处产生磁场感应强度B ↓ → 对磁感应强度积分获得Φ
二 磁路 • 与电流流过的路径称为电路一样，磁通所通过的路径称为磁路。 • 电流只能从导体中通过，但是磁通可以在任意介质中通过，磁通可以分为两部分。 • 主磁通：由于铁心的导磁性能比空气要好得多（磁导率大），所以绝大部分磁通将在铁心内通过,这部分磁通称为主磁通。 • 漏磁通：围绕载流线圈、部分铁心和铁心周围的空间，还存在少量分散的磁通，这部分磁通称为漏磁通。
三 磁路的基本定律 1 安培环路定律 磁场强度H沿任何一条闭合回线L的线积分，等于L所包围的电流的代数和 如果在均匀磁场中，沿着回线 L 磁场强度H 处处相等，则 在均匀分段均匀的磁场中，安培环路定律的表达式为
2、磁路的欧姆定律 推导过程：以等截面无分支闭合铁心磁路为例： 线圈N匝，电流i，铁心截面为A，磁路平均长度为l，磁导率为u 磁通与磁密关系为 磁场强度与励磁磁势的关系为
3、磁路的基尔霍夫定律 （1）磁路的基尔霍夫电流定律（第一定律） 或
A i N 磁路的基尔霍夫电流定律
磁路和电路的几点差别： 1（功率损耗问题）电路中有电流I 时，就有功率损耗；而在直流磁路中，维持一定磁通量，铁心中没有功率损耗。 2 （磁路非理想）电路中的电流全部在导线中流动；而在磁路中，总 有一部分漏磁通。 3（磁路的饱和性）电路中导体的电阻率在一定的温度下是恒定的；而磁路中铁心的导磁率随着饱和程度而有所变化。 4 （磁路的非线性）在线性电路中，计算时可以用叠加原理；而在磁路中，B和H之间的关系为非线性，因此计算时不可以用叠加原理。
第二节 常用铁磁材料及其特性 一、铁磁物质的磁化 (A)未磁化 外加磁场 H (B)磁化 磁畴及磁化
思考 未磁化时，铁磁材料的磁畴是无序排列的，对外不表现磁性。 在外磁场的作用下，磁畴顺着外磁场方向转向，排列整齐，显示出磁性。 （1）外磁场；（2）磁畴；（3）排列顺序 电机中为什么选用铁磁材料作为磁路的主要部分？ 从两个方面解释： （1）提高电机效率 （2）减小电机体积 电机中常用的铁磁材料的磁导率 μFe＝(2000－6000) μFe
二、磁化曲线和磁滞回线 1、起始磁化曲线 将一块未磁化的铁磁材料进行磁化，当磁场强度H由零逐渐增加时，磁通密度B将随之增加。用B=f (H)描述的曲线就称为起始磁化曲线。
d 由于外磁场较弱，磁畴不会产生大规模偏转，磁通密度增加不快。 c B 外磁场增强，磁畴产生大规模偏转，磁通密度增加较快。 b 拐点、膝点 磁畴全部偏转，磁化曲线基本成为与非铁磁材料B＝uH平行的曲线。 a 外磁场继续增加，大部分磁畴已完成偏转，B值增加变得缓慢。 在各种电机、变压器的主磁路中，为了获得较大的磁通，但又不过分的增大励磁电流，通常把铁心内工作点的B选择在膝点附近。 H 铁磁材料的起始磁化曲线
2、磁滞回线 下面考虑两个问题，（1）磁化后磁性材料去掉外磁场；（2）对磁化后的磁性材料进行反向磁化。 剩磁——当H从零增加到Hm时，B相应地从零增加到Bm； 然后再逐渐减小H，B值将沿曲线ab下降。 当H=0 时，B值并不等于零，而是Br。这就是剩磁。 B a b H
B a 矫顽力——要使B值为零，必须加上相应的反向磁场，此反向磁场强度称为矫顽力Hc。 b H c
B a 磁滞回线 ——当H在Hm和－Hm之间反复变化时，呈现磁滞现象的B－H闭合曲线，称为磁滞回线。 b c f H e d 铁磁材料的磁滞回线
3、基本磁化曲线 对同一铁磁材料，选择不同的Hm反复磁化，得到不同的磁滞回线。将各条回线的顶点连接起来，所得曲线称为基本磁化曲线。 基本磁化曲线和起始磁化曲线差别很小，磁路计算时使用的磁化曲线都是基本磁化曲线。
基本磁化曲线 B H 基本磁化曲线
三、铁磁材料 1、软磁材料：磁滞回线较窄，剩磁和矫顽力都较小的材料，常用的软磁材料有电工硅钢、铸铁、铸钢等。可用来制造电机、变压器的铁心。 2、硬磁材料（永磁材料）：剩磁和矫顽力都较大的材料。包括铝镍钴、铁氧体、稀土钴、钕铁硼等。
单位：千高斯 内禀退磁曲线 退磁曲线 永磁材料（钕铁硼）退磁曲线（第二象限） 单位：千奥斯特
四、铁心损耗 1、磁滞损耗——材料被交流磁场反复磁化，磁畴相互摩 擦而消耗的能量。 2、涡流损耗——铁心内部由于涡流在铁心电阻上产生的 热能损耗。 3、铁心损耗——磁滞损耗和涡流损耗之和。
硅钢片中的涡流 B 返回
变压器中的涡流分布情况（Infolytica 软件计算）
第三节 直流磁路的计算 磁路计算正问题－已知磁路中的量，求解磁路源的问题 给定磁通量，计算所需的励磁磁动势（励磁电流） 磁路计算逆问题－已知磁路的源（磁动势），求解磁路中的量的问题 给定励磁磁势，计算磁路内的磁通量
磁路计算正问题的步骤： 1）将磁路按材料性质和不同截面尺寸分段； 2）计算各段磁路的有效截面积Ak和平均长度lk； 3）计算各段磁路的平均磁通密度Bk，Bk=Φk/Ak； 4）根据Bk求出对应的Hk； 5）计算各段磁位降Hklk，最后求出F=∑ Hklk。 磁路计算逆问题——因为磁路为非线性的，用试探法。
