电机学讲义精.ppt

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1、电电机机学讲义学讲义第1页，本讲稿共30页 教教教教材及材及材及材及教学教学教学教学安排安排安排安排 教材：教材：电机学 汤运璆、史乃 机械工业出版社 性质：性质：电气工程类专业的一门主干课；本专业的一门重要技术基础课；通过本课程的学习，使学生掌握各类电机的运行性能 具有相当强的理论性（基础性）和实践性（技术性）内容：内容：绪论第六章 同步电机 考核：考核：平时平时(含出勤）含出勤）实验实验期末期末其它其它2020600第2页，本讲稿共30页 绪绪绪绪 论论论论v 电机在国民经济中的作用电机在国民经济中的作用 电机：电机：是一种机电能量转换或信号转换的电磁机械装置。分类：分类：按能量转换的功能

2、分为发电机、电动机、变压器、控制电机等。发电机：发电机：机械能转换为电能。通过原动机先把各类一次能源的能量转换为机械能，然后通过发电机把机械能转换为电能，经电网送往各城市、企业和家庭等场所。电动机：电动机：电能转换为机械能，用来驱动各种用途的生产机械和其它装置，以满足不同要求。变压器、变流器、变频器及移相器：变压器、变流器、变频器及移相器：一种改变电能的电压、电流、频率及相位的装置。是静止电器。控制电机：控制电机：多用在自动控制系统中。一般作为执行、检测和解算元件。发电机是水力发电、热能发电、核能发电、太阳能发电以及风能发电等的主要设备。变压器是变电站的主要设备。电动机的用途更不用说。现已广泛

3、应用于各行各业，大至冶金企业使用的高达上万KW的电动机，小至小功率电动机，乃至几W的微电动机。据统计，在各类原动机中，电动机的容量已超过总容量的60。而且在一个工业化国家的家庭，家用电器的电机数目达三四十台以上。这说明在现代社会的所有行业和部门中，都需要并且愈来愈广泛地使用电机。第3页，本讲稿共30页 绪绪绪绪 论论论论 （续续续续）随着大功率电力电子元件、微电子技术、变流技术、计算机控制技术的发展，研究和开发了很多性能优良、高效率、满足不同要求的电动机控制系统。电动机：电动机：按应用场合和电源可分成直流电动机、感应电动机、同步电动机、控制电机、特种电机v 电机发展简史电机发展简史直流电机：1

4、821年，Faraday发现电磁力定律 1831年，Faraday发现电磁感应定律 1833年，Pixii利用永磁铁和线圈间相对运动，加上一个换向装置，制成一台旋转磁极式直流发电机(现代直流发电机的雏形)1885年，电机的可逆原理，励磁，电枢绕组，铁芯，换向交流电机：1825年，Arago利用金属圆环的旋转，使悬挂在其中的磁针得到一定 的偏转多相感应电动机的原始基础 1885年，Ferraris制成第一台两相感应电动机交流电机控制：1971年，Blaschke和Hasse提出矢量变换控制80年代以后，得益于永磁材料、电力电子和自动控制技术的发展，使永磁无刷电机和开关磁阻电机等新型电机得到较快发

5、展。第4页，本讲稿共30页 绪绪绪绪 论论论论 （续续续续）v 我国电机工业发展概况我国电机工业发展概况解放前我国地电机工业极端落后，全国只有少数几个城市有电机制造厂。这些厂规模小，设备差，生产能力低下，产品规格混乱，材料多依赖进口。建国以后，我国电机制造工业得到快速发展。经过50多年的努力，在大型交直流电机方面，已研制成功2*5000KW的直流电动机，4700KW的直流发电机和42MW的同步电动机。在大型发电设备方面，已研制出300MW和600MW水氢氢冷汽轮发电机，300MW双水内冷和全氢冷汽轮发电机，650MW核电机组，还相继研制出125、250、300、400、550MW的水轮发电机。

6、变压器的最大容量已做到400MVA，电压最高为500KV。（2001年）在中、小型核微型电机方面，已开发和制成125个系列，900多个品种，几千个规格的各种电机。在特殊电机方面，由于新的永磁材料的出现，制成了许多高效节能、维护简单的永磁电机。由于电机和电力电子装置、微型计算机相结合，出现了各种性能和形态各异的“一体化电机”。第5页，本讲稿共30页 绪绪绪绪 论论论论 （续续续续）v 本课程的任务本课程的任务1)对磁路的计算方法及交流铁芯线圈的性能有基本了解。2)对变压器和三种主要电机的基本结构要有一定认识，对各种电机中气隙磁场的性质和时间空间关系要有深入了解。3)对各种电机正常稳态运行时的分析

7、方法和运行性能，要牢固掌握。要能正确地建立电压方程和转矩方程，弄清电机中的能量转换关系，对稳态运行时电机的参数要有清晰的物理概念，能熟练运用等效电路和复数来计算交流电机的性能。4)对电机中的能量关系、感应电势、磁场储能、电磁转矩和机电能量转换过程，以及机电能量转换的条件有一个基本了解。5)对同步电机的不对称运行和交流电机在动态情况下的分析方法和相应的参数，要有基本的物理概念，对一些典型的运行方式和动态过程，能作出正确的分析。6)初步掌握用计算机来计算电机中稳态和动态问题的方法。7)了解电机的有关工程性问题，如发热和冷却，励磁，各种电机的应用范围，电机的额定值，主要电机的各种性能数据（效率、过载

8、能力、启动性能）范围等。8)通过实验，熟练掌握电机的基本实验方法和操作技能，如运行性能、损耗、稳态参数的求取和测定方法，电机的起动和调速、发电机的建压和调频、调压等，能对实验结果进行分析和评定，并初步具有检查电机故障的能力。第6页，本讲稿共30页 第一章第一章第一章第一章 磁磁磁磁 路路路路本章先说明磁路的基本定律，然后介绍常用铁磁材料及其特性，最后说明磁路的计算方法。一、重点一、重点:1、磁路的基本定律;2、铁磁材料的特性及基本磁化曲线;3、铁心损耗.重点与难点重点与难点二、难点二、难点:1、磁滞回线；2、铁心损耗；3、磁路的计算。第7页，本讲稿共30页 1-1 1-1磁路的基本定律磁路的基

9、本定律磁路的基本定律磁路的基本定律 一、磁路的概念:磁路：磁通所通过的路径。主磁通：由于铁心的导磁性能比空气要好得多，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。图1-1 变压器的磁路第8页，本讲稿共30页 主磁路：主磁通所通过的路径。漏磁路：漏磁通所通过的路径。励磁线圈：用以激励磁路中磁通的载流线圈。励磁电流：励磁线圈中的电流。直流:直流磁路 例如:直流电机 交流:交流磁路 例如:变压器，交流电机 第9页，本讲稿共30页二、磁路的基本定律1安培环路定律 定律内容:沿任何一条闭合回线，磁场强度

10、的线积分值恰好等于该闭合回线所包围的总电流值（代数和）。公式:附图1-2,有:图1-2 安培环路定律第10页，本讲稿共30页 2磁路的欧姆定律 定律内容:作用在磁路上的磁动势等于磁路内的磁通量乘以磁阻。公式:式中：相应的模拟电路图1-3b.A)无分支铁心磁路 B)模拟电路图图1-3 无分支铁心磁路第11页，本讲稿共30页 例11 有一闭合铁心磁路，铁心的截面积 ，磁路的平均长度L=0.3m，铁心的磁导率，套装在铁心上的励磁绕组为500匝。试求在铁心中产生1T的磁通密度时，所需的励磁磁动势和励磁电流。？解 用安培环路定律来求解。磁场强度 磁动势 励磁电流 第12页，本讲稿共30页 定律内容:穿出

11、(或进入)任一闭和面的总磁通量恒等于零(或者说,进入任一闭合面的磁通量恒等于穿出该闭合面的磁通量),这就是磁通连续性定律。公式公式:又称磁路的并联定律。3磁路的基尔霍夫第一定律图1-4 磁路的基尔霍夫第一定律第13页，本讲稿共30页 4磁路的基尔霍夫第二定律 定律背景:磁路计算时，总是把整个磁路分成若干段，每段为同一材料、相同截面积，且段内磁通密度处处相等，从而磁场强度亦处处相等。定律内容:沿任何闭合磁路的总磁动势恒等于各段磁路磁位降的代数和。公式:又称磁路的串联定律。图1-5 磁路的基尔霍夫第二定律第14页，本讲稿共30页一、铁磁物质的磁化 铁磁物质包括铁镍钴以及它们的合金。铁磁材料在外磁场

12、中呈现很强的磁性，此现象称为铁磁物质的磁化。1-2 1-2 常用的常用的常用的常用的铁铁铁铁磁材料及其特性磁材料及其特性磁材料及其特性磁材料及其特性(A)未磁化 (B)磁化图1-6 磁畴第15页，本讲稿共30页二、磁化曲线和磁滞回线 1起始磁化曲线 定义:将一块尚未磁化的铁磁材料进行磁化，当磁场强度H由零逐渐增大时，磁通密度B将随之增大，曲线B=f(H)就称为起始磁化曲线.曲线附图1-7.分析:起始磁化曲线基本上可分为四段.图1-7 铁磁材料的起始磁化曲线设计电机和变压器时，为使主磁路内得到较大的磁通量而又不过分增大励磁磁动势，通常把铁心内的工作磁通密度选择在膝点附近。第16页，本讲稿共30页

13、 2磁滞回线 剩磁:去掉外磁场之后，铁磁材料内仍然保留的磁通密度 。矫顽力:要使B值从减小到零，必须加上相应的反向外磁场，此反向磁场强度Hc称为矫顽力。磁滞:铁磁材料所具有的这种磁通密度B的变化滞后于磁场强度H变化的现象。磁滞现象是铁磁材料的另一个特性。图1-8 铁磁材料的磁滞回线第17页，本讲稿共30页 3基本磁化曲线 定义:对同一铁磁材料，选择不同的磁场强度进行反复磁化，可得一系列大小不同的磁滞回线,再将各磁滞回线的顶点联接起来，所得的曲线。图1-9 基本磁化曲线第18页，本讲稿共30页三、铁磁材料 1软磁材料 定义:磁滞回线窄、剩磁和矫顽力都很小的材料。常用软磁材料:铸铁、铸钢和硅钢片等

14、。软磁材料的磁导率较高软磁材料的磁导率较高,故用以制造电机和变压器的铁心。故用以制造电机和变压器的铁心。图1-11 a）软磁材料 第19页，本讲稿共30页 2硬磁(永磁)材料 定义:磁滞回线宽、剩磁和矫顽力都很大的铁磁材料称为硬磁材料，又称为永磁材料。磁性能指标 剩磁 矫顽力 最大磁能积图1-11 b）硬磁材料第20页，本讲稿共30页 四、铁心损耗 1磁滞损耗 定义:铁磁材料置于交变磁场中时，磁畴相互间不停地摩擦、消耗能量、造成损耗，这种损耗称为磁滞损耗。公式:应用:由于硅钢片磁滞回线的面积较小，故电机和变压器的铁心常用硅钢片叠成。第21页，本讲稿共30页 2涡流损耗 涡流:当通过铁心的磁通随

15、时间变化时,根据电磁感应定律,铁心中将产生感应电动势,并引起环流,环流在铁心内部围绕磁通作旋涡状流动 称为涡流。定义:涡流在铁心中引起的损耗。公式:应用:为减小涡流损耗，电机和变压器的铁心都用含硅量较高的薄硅钢片叠成。图1-12 硅钢片中的涡流第22页，本讲稿共30页3铁心损耗 定义:铁心中磁滞损耗和涡流损耗之和。表达式:铁心损耗与频率的1.3次方,磁通密度的平方和铁心重量成正比。第23页，本讲稿共30页一、直流磁路的计算导言导言:磁路计算时，通常是先给定磁通量，然后计算所需要的励磁磁动势。对于少数给定励磁磁动势求磁通量的逆问题，由于磁路的非线性，需要进行试探和多次迭代，才能得到解答。1 1简

16、单串联磁路简单串联磁路 定义定义:不计漏磁影响，仅有一个磁回路的无分支磁路不计漏磁影响，仅有一个磁回路的无分支磁路 1-3 1-3 磁路的磁路的磁路的磁路的计计计计算算算算A)串联磁路 B)模拟电路图图1-13 简单串联磁路第24页，本讲稿共30页例12 若在例ll的磁路中，开一个长度 的气隙，问铁心中激励1T的磁通密度时，所需的励磁磁动势为多少?已知铁心截面积 ，。考虑到气隙磁场的边缘效应，在计算气隙的有效面积时，通常在长、宽方向务增加值。解解 用磁路的基尔霍夫第二定律来求解。铁心内的磁场强度:气隙磁场强度:铁心磁位降:气隙磁位降:励磁磁动势:第25页，本讲稿共30页2简单并联磁路 定义:指

17、考虑漏磁影响，或磁回路有两个以上分支的磁路。例13 图114a所示并联磁路，铁心所用材料为DR530硅钢片，铁心柱和铁轭的截面积均为 ，磁路段的平均长度 ，气隙长度 励磁线圈匝数 匝。不计漏磁通，试求在气隙内产生 =1211T的磁通密度时，所需的励磁电流i。第26页，本讲稿共30页A)并联磁路 B)模拟电路图图1-14 简单并联磁路图1-14 简单并联磁路 第27页，本讲稿共30页 二、直流电机的空载磁路和磁化曲线 1.空载磁路及其计算 定义:直流电机的空载磁场是指励磁绕组内通有直流励磁电流时由励磁磁动势单独激励的磁场。2.直流电机的磁化曲线 曲线示意图1-16。电机的磁化曲线体现了电机磁路的

18、非线性，这种非线性使电机运行特性的数学表达复杂化。工程分析中，常用线性分析加上适当修正的办法来考虑非线性的影响。图1-16 直流电机的磁化曲线第28页，本讲稿共30页第29页，本讲稿共30页三、交流磁路的特点 1.交流磁路中，激磁电流是交流，因此磁路中的磁动势及其所激励的磁通均随时间而交变，但每一瞬时仍和直流磁路一样，遵循磁路的基本定律；2.就瞬时值而言，通常情况下，可以使用相同的基本磁化曲线；3.磁通量和磁通密度均用交流的幅值表示，磁动势和磁场强度则用有效值表示。交变磁通的效应:(1)磁通量随时间交变，必然会在激磁线圈内产生感应电动势；(2)磁通量随时间交变，必然会在铁心中产生铁心损耗。(3)磁饱和现象会导致电流、磁通和电动势波形的畸变。第30页，本讲稿共30页