第1章电机学概述PPT讲稿.ppt

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1、第1章电机学概述2022/9/181第1页，共45页，编辑于2022年，星期日电电 机机 学学课程教学大纲课程教学大纲课程名称：课程名称：电机学课程编号：课程编号：CX201120A学学 分：分：6总总 学学 时：时：96(84+12)适用专业：适用专业：电气工程及其自动化先修课程：先修课程：高等数学、大学物理、电路2022/9/182第2页，共45页，编辑于2022年，星期日一、课程的性质、目的与任务一、课程的性质、目的与任务 电机学是电力工程及其自动化等专业的一门重要技术基础课程。通过本课程的学习，学生应掌握电机的基本理论、基本分析方法和基本实验技能。为学习后续课程和从事专业工作打下坚实的

2、基础。课程具有概念多、理论性强、与工程实际联系紧密的特点，因此学习本课程对培养学生具有科学的学习能力，以及使学生树立理论联系实际的工程观点等方面督有着重要的作用。2022/9/183第3页，共45页，编辑于2022年，星期日二、教学参考书二、教学参考书1、许实章主编：电机学（第三版），机械工业出版社2、汤蕴赇主编：电机学（第一版），机械工业出版社3、周 鹗主编：电机学（第三版），中国电力出版社4、李发海主编：电机学（第三版），中国科学出版社5、王毓东主编：电机学（第一版），浙江大学出版社6、许实章主编：电机学习题集（第一版），机械工业出版社7、胡虔生主编：电机学例题与习题教程（第一版），中国水

3、利水电出版社2022/9/184第4页，共45页，编辑于2022年，星期日电电 机机 学学课程考试大纲课程考试大纲考试时间：120分钟一、考试内容和基本要求一、考试内容和基本要求1、要求理解和掌握的内容、要求理解和掌握的内容直直流流电电机机部部分分：直流电机的电枢感应电动势和电磁转矩的计算，直流电动机的基本理论、基本分析方法、机械特性及相应计算，直流电动机的启动特点和方法、调速原理和方法，自励发电机自励条件和过程。2022/9/185第5页，共45页，编辑于2022年，星期日 变变压压器器部部分分：变压器空载、负载运行时的基本理论、基本分析方法、运行特性和相应计算，单相、三相变压器的绕组联结法

4、及联结组，并联运行条件、负载分配的理论和相应计算，对称分量法、各序阻抗与各序等效电路、典型的不对称情况计算，三绕组变压器、自耦变压器的等效电路、参数。2022/9/186第6页，共45页，编辑于2022年，星期日 交交流流绕绕组组基基本本理理论论部部分分：交流绕组电动势的计算方法，交流绕组磁动势性质的基本分析方法。异异步步电电机机部部分分：转差率概念、三种运行状态的概念，感应电机运行时的基本理论、基本分析方法、机械特性及其计算，异步电动机启动的特点和方法、调速原理和方法。同同步步电电机机部部分分：同步发电机对称稳态运行时的基本理论、基本分析方法、运行特性及相应计算，同步发电机并联运行的条件和方

5、法，同步发电机的功角特性、功率调节关系、V形曲线、静态稳定概念，不对称稳态运行时的各序阻抗、各序等效电路和相应计算，瞬态和超瞬态电抗概念。2022/9/187第7页，共45页，编辑于2022年，星期日2、要求了解的内容、要求了解的内容磁路的概念、定律、简单计算，铁磁材料的特性；变压器的基本结构、用途、额定值。瞬态过程的一般分析和过电流对变压器的影响，三绕组变压器、自耦变压器、电流电压互感器的结构特点及用途，自耦变压器的各种容量概念及相互关系，互感器使用时的注意事项；感应电动机结构、用途、额定值，感应电动机的工作特性、制动的概念，单相感应电动机的原理和启动方法；同步电机的基本结构、用途、额定值，

6、同步电动机、补偿机的工作原理和启动方法。2022/9/188第8页，共45页，编辑于2022年，星期日二、题型和试卷结构二、题型和试卷结构1、题型、题型选择题（20）；问答题（30）；作图题（10）；计算题（40）2、试卷结构、试卷结构直流电机部分：10%左右变压器部分：30%左右交流绕组基本理论部分：10%左右异步电机部分：20%左右同步电机部分：30%左右2022/9/189第9页，共45页，编辑于2022年，星期日考核方式：考核方式：期末采用闭卷考试方式，卷面成绩占70%,平时成绩占15%（作业等占10%，考勤占5%）,实验成绩占15%。2022/9/1810第10页，共45页，编辑于2

7、022年，星期日电机学电机学课程实验教学大纲课程实验教学大纲实验课程名称：实验课程名称：电机学课程编号：课程编号：CX201120A 学学 分：分：1学学 时：时：12适用专业：适用专业：电气工程及其自动化2022/9/1811第11页，共45页，编辑于2022年，星期日一、实验的目的与任务一、实验的目的与任务 培养学生的创新能力、独立思考能力、理论联系实际能力和实际动手能力。二、实验的基本要求二、实验的基本要求 学生们应掌握直流电机的可逆原理、调速、换向和制动的方法，要求会使用常用的电工仪器、仪表、电气设备和具备必要的电工安全知识；要求掌握变压器参数的测定方法和计算；要求掌握异步电动机的启动

8、、调速和制动；要求掌握同步电机参数测定方法和计算，同步电动机的启动方法，同步发电机投入电网运行的方法、V形曲线的测定分析等。2022/9/1812第12页，共45页，编辑于2022年，星期日三、实验三、实验内容内容与学时分配与学时分配实验项目与学时分配一览表序号实验项目内容提要学时实验性质备注演示验证设计综合必做选做1直流电机调速、换向及机械特性测定22022/9/1813第13页，共45页，编辑于2022年，星期日2变压器参数测定和运行特性测定33异步电机参数测定、启动、调速34同步电机参数测定、并网和V形曲线测定42022/9/1814第14页，共45页，编辑于2022年，星期日电机学电机

9、学性质：性质：技术基础课。特点：特点：概念性强、公式多、内容广、难学。误区：误区：平时不烧香，临时抱佛脚。准则：准则：学习不会成为遗憾。态度：态度：衣带渐宽终不悔，为伊消得人憔悴。方法：方法：耐心读、反复问、细致做。纪律要求：纪律要求：2022/9/1815第15页，共45页，编辑于2022年，星期日第一章第一章 导论导论一、概述一、概述1 1、电机：、电机：2 2、分类：、分类：按运动的方式分：按运动的方式分：静止电机旋转电机：旋转电机：直流直流交流交流异步或感应异步或感应同步同步按功按功能分：能分：发电机发电机电动机电动机电讯号变换机电讯号变换机控制电机控制电机实施电能生产、传输、使用和电

10、能特性变换的机械或装置。实施电能生产、传输、使用和电能特性变换的机械或装置。（研究范畴仅限于依据电磁感应定律、电磁力定律实现机电（研究范畴仅限于依据电磁感应定律、电磁力定律实现机电能量转换和信号传递与转换的装置。属电磁式电机范畴。）能量转换和信号传递与转换的装置。属电磁式电机范畴。）2022/9/1816第16页，共45页，编辑于2022年，星期日3 3、材料、材料电电电路电路导线、绝缘导线、绝缘磁磁磁路磁路导磁材料：硅钢片等导磁材料：硅钢片等力力结构件支撑：铸铁、钢板等结构件支撑：铸铁、钢板等4、作用：、作用：*电能的生产、传输、分配*各生产机械和装备的动力设备*自控系统中的重要元件2022

11、/9/1817第17页，共45页，编辑于2022年，星期日二、基本电磁定律1 1、全电流定律、全电流定律 用以描述电磁联系 即：H.dl=ii 注意：式中电流符号由右手螺旋法则确定，如下图可得：电流电流磁场磁场i=1nii=i1+i2-i32022/9/1818第18页，共45页，编辑于2022年，星期日 为弄清磁场强度为弄清磁场强度H的概念需讲明的几个物理量的概念需讲明的几个物理量（1）磁导率磁导率=B/H亨/米；H/M（2）磁通密度或磁感应强度：磁通密度或磁感应强度：B=/A（T）1T=1wb/m2采用磁力线（感应线）来描述磁场的空间分布，是一闭合线。如图示采用磁力线（感应线）来描述磁场的

12、空间分布，是一闭合线。如图示（3）磁场强度）磁场强度H：只是一个辅助性的物理量，反应了磁场的源，A/M。2022/9/1819第19页，共45页，编辑于2022年，星期日2 2、电磁感应定律、电磁感应定律2）电磁感应定律电磁感应定律（1831年法拉第发明）：正方向的规定：正方向的规定：电流的正方向与电动势的正方向一致，电流方向与磁通方向符合右手螺旋法则，则电磁感应定律：e=-d/dt 若N匝线圈中通过的磁通均为，则=N e=-Nd/dt1）电磁感应现象：）电磁感应现象：2022/9/1820第20页，共45页，编辑于2022年，星期日 e=eT+ev变压器电动势变压器电动势设=msinwtE=

13、eT=-Nw mcoswt=Emsin(wt-90)有效值 E=Em/=4.44fN m2022/9/1821第21页，共45页，编辑于2022年，星期日补充：补充：自感系数L=/i;e=-Ldi/dt互感系数M=21/i1;em2=-Mdi1/dt2022/9/1822第22页，共45页，编辑于2022年，星期日*运动电动势运动电动势如左图，设N匝线圈在恒定的磁场中垂直v沿右方向水平运动，有效长度为l，则任意时刻穿过线圈的磁通为：e=ev=-Nd/dt=-NvlB(x)-B(x+b)=NBlv注：B.v.e之间关系由右手定则（又称发电机定则）确定。2022/9/1823第23页，共45页，编

14、辑于2022年，星期日3 3、电磁力定律、电磁力定律（1）比萨电磁力定律：）比萨电磁力定律：实验表明，将长度为l的导体置于磁场B中，只要电流与B不平行，通入电流后导体会受到电磁力的作用，称为电磁力：f=idl*B若磁场均匀且与导体垂直则：f=Bil 方向由左手定则判断方向由左手定则判断2022/9/1824第24页，共45页，编辑于2022年，星期日（2）电磁转矩：电磁转矩：由电磁力产生的转矩。设转子半径为r,则单根导体产生的电磁转矩为Ts=f*r=Bilr,对N匝线圈且两侧磁场分别为B1、B2则Tc=Nlir(B1-B2)线圈组最大转矩的条件是：B1=-B2=B，Tem=MTcm=MNBli

15、DM:总线圈个数；D：转子直径。与功率关系Tem=p/:电机气隙磁场旋转角速度。2022/9/1825第25页，共45页，编辑于2022年，星期日#4#4、电路定律、电路定律基氏两定律基氏两定律i=0e=u（1）式表明对于任何节点，流入电流=流出电流。（2）式表明对于任何一个回路，若沿某一方向环绕一周，则回路内所有电动势的代数和等于所有电压降的代数和。2022/9/1826第26页，共45页，编辑于2022年，星期日列回路方程时，首先规定正方向，然后选定某一方向环绕回路，凡正方向与环绕方向一致时取正号，反之取负号（一般取电动势与电流的方向一致）。如图可得：e=iR-u 即 u=iR-(-Ldi

16、/dt)2022/9/1827第27页，共45页，编辑于2022年，星期日常用的铁磁材料及其特性常用的铁磁材料及其特性一、材料一、材料1、铁磁材料：、铁磁材料：导磁性能好的材料，一般由磁导率描述：导磁性能好的材料，一般由磁导率描述：u=B/H非铁磁材料：非铁磁材料：u=u0=常数（空气、油等）常数（空气、油等）铁磁材料：铁磁材料：uFe=20006000u0 为一非常数为一非常数用途：用途：电机和变压器铁心常用。电机和变压器铁心常用。目的：目的：在一定励磁磁动势的作用下获得较大的磁通量在一定励磁磁动势的作用下获得较大的磁通量(B=uH,H=Ni/l).2022/9/1828第28页，共45页，

17、编辑于2022年，星期日2、磁化：、磁化：铁磁材料在外磁场中呈很强磁性的现象。磁化过程：磁化过程：如书中图1-5示。磁化是铁磁材料的特性之一。3、磁化曲线、磁化曲线（1）起始磁化曲线：）起始磁化曲线：将一块尚未磁化的铁磁材料进行磁化得到的B=f(H)曲线。如书中1-6图示。2022/9/1829第29页，共45页，编辑于2022年，星期日（2）磁滞回线：）磁滞回线：将铁磁材料进行周期性磁化得到的B=f（H）曲线.磁滞和剩磁的原因：磁滞和剩磁的原因：磁畴在外磁磁畴在外磁场作用下，发生扩大和倒转时，场作用下，发生扩大和倒转时，彼此之间产生摩擦，由于此种彼此之间产生摩擦，由于此种摩擦的存在，当外磁场

18、停止作摩擦的存在，当外磁场停止作用后，磁畴与外磁场方向用后，磁畴与外磁场方向一致的排列便被保留下来，不一致的排列便被保留下来，不能恢复原状。能恢复原状。由于存在雌滞现象，铁磁材料的磁化过程是不可逆的，在某一由于存在雌滞现象，铁磁材料的磁化过程是不可逆的，在某一H值下值下的的B值要看以前的磁化过程如何。值要看以前的磁化过程如何。磁滞：磁滞：B的变化滞后于H的变化。2022/9/1830第30页，共45页，编辑于2022年，星期日（3）基本磁化曲线或平均磁化曲线：）基本磁化曲线或平均磁化曲线：对同一铁磁材料选择不同的Hm进行反复磁化，将所有磁滞回线在第一象限内的顶点连接起来得到的磁化曲线。（4）铁

19、磁材料：）铁磁材料：软磁材料、硬磁材料2022/9/1831第31页，共45页，编辑于2022年，星期日二、铁心损耗二、铁心损耗1、磁滞损耗、磁滞损耗Ni=Hl ;i=Hl/N;又=BA，电源供给的瞬时功率p=ui忽略线圈电阻：u=-e=Nd/dt P=HlAdB/dt=VHdB/dt (V=Al)实验证明：ph=c hf B m nVCh:磁滞损耗系数，取决于材料性质；对于常用硅钢片，当B m=0.11.0T,n=1.6;B m=1.01.6T,n=22022/9/1832第32页，共45页，编辑于2022年，星期日 2、涡流损耗、涡流损耗涡流感应电动势：涡流感应电动势：Ew=kfB2xb忽

20、略两短边影响涡流回路电阻为dR=2b/ldxdpw=Ew2/dR pw=0d/2dpw=c wd 2f 2 B m 2V2022/9/1833第33页，共45页，编辑于2022年，星期日3 3、铁心损耗、铁心损耗 pFe=ph+pw 对于一般硅钢片，正常工作磁密为 11.8T，则pFe=c Fe f 1.3 Bm2G千万别以为pFe正比于f,因为E=4.44fNm=4.44fNB mA。正常情况下，电动势基本上与外加电压相等，而外加电压是一常数值，频率上升则磁密下降。2022/9/1834第34页，共45页，编辑于2022年，星期日磁路的基本定律及计算方法磁路的基本定律及计算方法磁路：磁路：磁

21、通所行经的路径。磁通：磁通：分主、漏磁通，主磁路一般由铁磁材料作成，漏磁路由非磁性材料组成。如下图磁路计算的任务：磁路计算的任务：确定磁动势、磁通、磁路结构（材料、形状、几何尺寸等）大关系，类比于磁路基本定律。2022/9/1835第35页，共45页，编辑于2022年，星期日一、磁路的基本定律一、磁路的基本定律1、磁路的欧姆定律、磁路的欧姆定律如上图，设铁心截面为A，磁路均长l,=BA忽略漏磁通，据全电流定律Ni=Hl=Bl/u=l/Au磁动势磁动势F=Ni=Rm=/2022/9/1836第36页，共45页，编辑于2022年，星期日2 2、磁路的基尔霍夫第一定律、磁路的基尔霍夫第一定律 如书中

22、图1-13示 =0(相仿于电路中的基氏第一定律，即节点电流定律I=0).说明任何一个封闭面磁通的进入量=穿出量。所以图中；1+2=32022/9/1837第37页，共45页，编辑于2022年，星期日3 3、磁路的基尔霍夫第二定律、磁路的基尔霍夫第二定律若磁路由数段不同场强、截面、材料、气隙等组成，则据全电流定律，对任何闭合磁路Hdl=Ni=H klk 此定律表明：此定律表明：任一闭合磁路上的磁动势代数和恒等于磁压降代数和。2022/9/1838第38页，共45页，编辑于2022年，星期日二、磁路的计算二、磁路的计算 分两类：分两类：（1）已知磁通量求磁动势）已知磁通量求磁动势（2）已知磁动势求

23、磁通量）已知磁动势求磁通量1、串联磁路、串联磁路（1）已知磁通量求磁动势（此种占多，步骤及例见书中）。）已知磁通量求磁动势（此种占多，步骤及例见书中）。（2）已知磁动势求磁通量。）已知磁动势求磁通量。2、并联电路、并联电路步骤和例见书中。步骤和例见书中。2022/9/1839第39页，共45页，编辑于2022年，星期日 三、永磁体磁路计算三、永磁体磁路计算永磁体硬磁材料的优点：永磁体硬磁材料的优点：长期使用没有能量消耗，提高了效率，体积小，节省材料，使用便利，维护简单。2022/9/1840第40页，共45页，编辑于2022年，星期日 永磁体的形成：永磁体的形成：先在环上套一个密绕的励磁线圈，

24、并在气隙先在环上套一个密绕的励磁线圈，并在气隙处填入一块由软磁材料制成的衔铁，组成一闭合处填入一块由软磁材料制成的衔铁，组成一闭合磁路；然后在线圈内通入励磁电流，至完全磁化磁路；然后在线圈内通入励磁电流，至完全磁化后，切除电源，取下线圈和衔铁，则此硬磁材料后，切除电源，取下线圈和衔铁，则此硬磁材料环成为具有一定磁性的永久磁铁。上述磁化过程环成为具有一定磁性的永久磁铁。上述磁化过程称为充磁。称为充磁。填入衔铁进行磁化的目的：是为了减小磁路磁阻，从而可减小励填入衔铁进行磁化的目的：是为了减小磁路磁阻，从而可减小励磁电流、励磁功率和励磁损耗，同时也是为了使磁化更均匀。磁电流、励磁功率和励磁损耗，同时

25、也是为了使磁化更均匀。2022/9/1841第41页，共45页，编辑于2022年，星期日 1、已知磁路尺寸求气隙工作磁通、已知磁路尺寸求气隙工作磁通 充磁衔铁未取时，略其磁阻则磁路磁通为充磁衔铁未取时，略其磁阻则磁路磁通为 0=B r A撤去衔铁后，撤去衔铁后，R Rm m上升上升磁通下降磁通下降B小于小于B r设衔铁内场强为设衔铁内场强为H、气隙为气隙为，因无励磁电流因无励磁电流 Hl+B/u=0B=-ulH/显然，这是第二象限一条过原点的直线，所以提高l降低可使永磁体获得较强磁性。2022/9/1842第42页，共45页，编辑于2022年，星期日 2、已知气隙、已知气隙和磁通，设计磁体和磁

26、通，设计磁体1）选适当的硬磁材料2）选工作点：以硬磁材料的退磁曲线为参考，撤去衔铁后，总磁阻增大，磁通将减小，磁感应强度将低于剩磁，相当于产生了去磁作用，实际工作点移到D点。磁体设计如下：磁体设计如下：-H d l+B d/u 0=0L=B d/u 0 H d V=Al=/u 0 H d2022/9/1843第43页，共45页，编辑于2022年，星期日四、交流磁路的特点四、交流磁路的特点1、磁动势、磁通量随时间交变，但每一瞬时与直流一样磁动势、磁通量随时间交变，但每一瞬时与直流一样遵循磁路的基本定律。遵循磁路的基本定律。2、交变磁通将产生铁心损耗（直流无）。、交变磁通将产生铁心损耗（直流无）。3、交流磁路中要考虑外施电压与线圈的感应电动势相平衡。如图交流磁路中要考虑外施电压与线圈的感应电动势相平衡。如图u=iR-e 当当u 较大时较大时 u=-e 而直流磁路中，如左下图而直流磁路中，如左下图此时此时 U=IR4、磁饱和会导致电流、磁通、电动势的畸变。、磁饱和会导致电流、磁通、电动势的畸变。2022/9/1844第44页，共45页，编辑于2022年，星期日THANK YOU VERY MUCH！本章到此结束，本章到此结束，谢谢您的光临！谢谢您的光临！2022/9/1845第45页，共45页，编辑于2022年，星期日