第一章 电机的基本原理
【本章重点】
掌握电磁感应定律及物理意义，了解磁路的基本概念和分析方法，掌握电机的基本原理和结构，
理解电机的能量损耗与发热过程。
【本章难点】
电磁感应定律及物理意义，电机的基本原理和结构，电机的能量损耗与发热过程。
电机是机电能量转换的一种装置。把电能变为机械能的装置叫电动机；把机械能变为电能的装置叫发电机；把电能变为电能的装置叫变压器或叫电气传动装置。
电动机机大小不一、形式各异，但具有共同的基本原理和特征。本章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；以一个简单的二极电机为原型电机，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议程；并初步讨论了电机的发热问题。
自1831年法拉第发现电磁感应定律来，各种类型的电机不断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：交流电机又是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电动机也可以作为发电机来作用。下面主要讲述电机共同的原理。
第一节 电磁感应
电和磁是自然界的两种现象，近代通过物理学家的深入研究，发现了电和磁的一些基本规律以及它们之间的联系。本节将概要地介绍电磁感应的基本概念和定律，作为学习本课程的物理基础。
一、磁场
产生磁场的两种形式：天然磁体会产生磁场;通电流的导体中其周围也会产生磁场，磁场遵循一定的规律。 1.磁场强度和方向
载流导体产生的磁场大小可用磁场强度H来表示，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
1
HLI
图1-1 载流导体产生的磁场大小
可用磁场强度H产生的磁场强度H的大小为
H? （1-1） 式中 H——磁场强度（A/m）
i——电流（A） l——磁力线的周长（m）
如果载流导体是匝数为N的线圈（如图1-2所示），则式可表示为
ilNi
图1-2所示
H?2.磁通密度（磁感应强度）B
Ni 0 （1-2） l通常把穿过某一截面S的磁力线根数称为磁通量，用?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，其大小为
Ｂ＝?／Ｓ （1-3）
式中 Ｂ——磁通密度（Ｔ）;1T=1Wb/m
2?——磁通（Ｗb）
Ｓ——截面积（m） 3.Ｂ—Ｈ曲线
磁场强度Ｈ与磁通密度Ｂ的大小存在一定的关系，在真空中，它们成正比关系，即
2 2
B??0H （1-4）
?0为真空磁导率，其中，且有?0?4??10H/m，并可近似为?0?1/800000H/m，
这样式（1—4）可近似表示成
?7H?800000B
非导磁材料，比如：铜、橡胶和空气等，具有与真空相近的磁导率，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。 4.铁磁材料特性
磁导率：反映磁性材料导磁能力的参数。
μ=B/H (H/m, T, A/m) μ0=4π×10 H/m μFe=2000μ0 ~ 6000μ0
基本磁化曲线： B=f(H) 磁饱和现象
磁滞回线：铁磁材料的磁化过程是不可逆的，上升磁化曲线与下降磁化曲线不重合，形成磁滞回线。
其在第一象限内的顶点连接起来得到基本磁化曲线。 几个概念：剩磁Br, 矫顽力Hc, 软磁材料和硬磁材料（永磁）
在交变磁场（f≠0）的作用下，铁磁材料中会产生磁滞损耗以及涡流损耗，二者合称为铁耗。
采用硅钢片（磁滞面积小）是为了减小磁滞损耗；迭片是为了减小涡流损耗，原因如下：
-7
单位重量的铁耗磁滞损耗
ph?fVHdB?or?ph?KhfBmV （1-5）
p w ? Pf?21PFe?()Bm 涡流损耗
50502 K 2 f 2 d 2 B V m 12 ?
（1-6）
式中：f 磁场交变频率， Bm 最大磁感应强度，V 铁磁材料体积，d 硅钢片厚度
二、磁路
工程上常用磁路来描述和分析磁场及电磁关系。磁路的主要部分由高导磁材料构成，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。导磁材料构成磁路；导电材料构成电路
功能分类：（1）发电机-----机械能→电能
3
(2) 电动机-----电→机
(3) 电→电-------变压器、变流机、变频机、移相器
(4) 控制电机--------自动控制系统中的被控元件或进行信号传递与转换。
导磁材料：亦称铁磁材料，它是指电机专用的高磁导率材料-----硅钢片，亦称电工钢片。
导电材料：采用电阻率小的紫铜线（棒）
此外，还有结构材料：机座、机壳采用的铸铁、铸钢或钢板（大电机）以及电气绝缘材料。 电机性能；理论上，通过学科（电子、电机、控制理论、新材料）之间的渗透，形成新的学 科，如电力电子与电力传动。 1.简单磁路
如图１－2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，现假定铁心具有相同的截面积Sc和平均长度lc，线圈的匝数为Ｎ，通以电流i，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（1-3），可计算出磁场强度为全电流定律：磁场强度H沿着闭合路径Lc的线积分等于该路径所包围的导体电流的代数和。(用于磁路分析)即
磁力线i横截面积Sc平均铁心长度LcN匝线圈图 1-3 简单的磁路
铁心磁导主率μ
?H?dl??Ili?1ni （1-7）
1H?dl??H?dl?I?
lll?I2?I3 （1-8）
电磁感应定律：变化的磁场产生感应电动势，即磁生电
e ? ? N
? ?? ? ?? ?? ? ??d x ?
? ? N ? dt ? ? ? ? ? N ? Nv ? (1 ) ? ( 2 )
? ? ? ? ? dt t x t t x ? ?
（1-9）
称为变压器电动势；（2）运动电动势
4
假设
E????msin?t ，则感应电动势有效值为：
2?2?fN?m?4.44fN?mEm （ω=2πf） （1-10）
电磁力定律：载流导体在磁场中受力，F?Bli （1-11） Hc?Ni （1-12） lc现定义一个新的变量磁动势Fm（Ｍagnetmotive Force——MMF）来描述由通电线圈产生的磁场，则上式可写成
Fm?Ni?Hclc （1-13） 再由式（1-3）、式（1-5）和式（1-6）可得 Fm?lc ? （1-14）
?Sc其中，???0?r被称为磁导率。如果令Fm?lc为磁阻，则可将上式表示为 ?Sc Fm?Rm? （1-15）
由式（1-8）可见，磁路中磁动势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（如图１－４b所示）。这样，可以用等效的磁路来分析和研究电磁关系。 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与相邻的铁心表面尺寸相比足够的小，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
Fm?Ni?Hclc?Hglg （1-16）
或写成Fm?Bclc/??Bglg/?0
由于Bc??/Sc,Bg??/Sg,如忽略气隙磁场的边缘效应，即Sc?Sg，这样上式变为
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