电机学课件东南大学.pdf

电机学电机学 The Theory of Electrical Machine 主 讲： 林鹤云教授主 讲： 林鹤云教授 电气工程系 电机教研室电气工程系 电机教研室 Tel: 83794169-5(O) Email: 课程概况 绪论绪论 变压器变压器 交流电机共同理论交流电机共同理论 异步电机异步电机 同步电机同步电机 直流电机直流电机 两学期，共两学期，共96学时学时 绪论第一节 ?第一节第一节 电机在国民经济建设中的重要地位电机在国民经济建设中的重要地位 ?电：能量的一种形式电：能量的一种形式 ?电机：能量转换的一种装置电机：能量转换的一种装置 ?19世纪初 奥斯特、法拉第发现电磁感应现象世纪初 奥斯特、法拉第发现电磁感应现象 ?电机和电力工业的研究开发开始起步电机和电力工业的研究开发开始起步 绪论第一节 ?电能的优越性电能的优越性 ?大量生产 集中管理远距离传输自动控制大量生产 集中管理远距离传输自动控制 ?电机工业的地位电机工业的地位 ?电力工业 工矿企业国防农业 交通运输电力工业 工矿企业国防农业 交通运输 日常生活日常生活 ?电力工业以电机制造业的发展为基础电力工业以电机制造业的发展为基础 ?发电与用电过程发电与用电过程 绪论第一节 发电机发电机 汽轮机汽轮机/水轮机水轮机 燃煤燃煤水力水力 升压变压器升压变压器降压变压器降压变压器 电动机电动机 电网电网 绪论第一节 ?现代工农业生产中需要大量的电动机现代工农业生产中需要大量的电动机 ?机械冶金 化学轻纺交通运输 农业机械冶金 化学轻纺交通运输 农业 ?特定用途的要求：特定用途的要求： ?防爆，防腐蚀（石油，煤矿）防爆，防腐蚀（石油，煤矿） ?防尘，防潮（轻纺）防尘，防潮（轻纺） ?防碱酸（化工）防碱酸（化工） 绪论第一节 ?特定性能的要求特定性能的要求 ?不同容量（几不同容量（几mW几千几千MW） ?不同电压不同电压 ?不同启动性能不同启动性能 ?不同调速性能不同调速性能 绪论第二节 第二节第二节 电机发展简史及发展趋势电机发展简史及发展趋势 ?电机发展简史电机发展简史 ?两个时期两个时期 ?初期发展时期近代发展时期初期发展时期近代发展时期 绪论第二节 ?前期的四个阶段：前期的四个阶段： ?1 电磁感应定律的发现：电磁感应定律的发现： ?1821年法拉第发现了电动机作用原理， 制成原始型式的电动机 年法拉第发现了电动机作用原理， 制成原始型式的电动机 ?1831年法拉第提出了电磁感应定律年法拉第提出了电磁感应定律 绪论第二节 ?2 直流电动机的发展：直流电动机的发展： ?励磁：励磁：1845年电磁铁代替永久磁铁年电磁铁代替永久磁铁 1867年自励发电机年自励发电机 ?电枢：电枢：1870年环形电枢年环形电枢 1873年鼓形电枢年鼓形电枢 ?电源：电源： 直流电动机由电池供电改为直流 发电机供电 直流电动机由电池供电改为直流 发电机供电 1882年第一条直流输电线路年第一条直流输电线路 绪论第二节 ?3 单相交流电的应用：单相交流电的应用： ?1876年交流电被应用于照明装置年交流电被应用于照明装置 ?1884年闭合磁路的变压器的制成年闭合磁路的变压器的制成 ?4 三相交流电的应用：三相交流电的应用： ?1885年二相交流异步电机的模型年二相交流异步电机的模型 ?18891897年三相电动机和三相变压 器 年三相电动机和三相变压 器 绪论第二节 ?电机的发展趋势电机的发展趋势 ?单相容量不断提高单相容量不断提高 ?电机重量、材料、损耗、造价与容量 不成正比 电机重量、材料、损耗、造价与容量 不成正比 ?1900年年 5MVA ?1920年年 25MVA/3000rpm 6MVA/1000rpm 绪论第二节 ?1937年年 100MVA/空冷空冷 150MVA/3000rpm/氢冷氢冷 ?1956年年 208MVA/定水转氢定水转氢 ?1960年年 1000MVA ?设计、工艺、绝缘、结构材料设计、工艺、绝缘、结构材料 ?超导技术超导技术 绪论第二节 ?电机技术和经济指标不断改进电机技术和经济指标不断改进 ?计算机辅助设计计算机辅助设计(CAD)，优化技术，优化技术 ?新工艺和新的测试方法新工艺和新的测试方法 ?应用范围不断扩大应用范围不断扩大 ?特定用途电机特定用途电机 ?潜水，防爆，船舶，纺织，矿用，林 业等 潜水，防爆，船舶，纺织，矿用，林 业等 绪论第二节 ?特殊用途电机特殊用途电机 ?高速电机，计时电机，陀螺电机等高速电机，计时电机，陀螺电机等 ?新型结构电机新型结构电机 ?印制绕组电机，无刷电机，各类永磁 电机等 印制绕组电机，无刷电机，各类永磁 电机等 绪论第二节 ?60年代以来，电力电子的发展，电机 与控制系统相结合 年代以来，电力电子的发展，电机 与控制系统相结合 ?电力电子的发展为电机运行，电力拖 动开辟新途径 电力电子的发展为电机运行，电力拖 动开辟新途径 绪论第三节 第三节电机的主要作用第三节电机的主要作用 ?电机：能量转换装置电机：能量转换装置 ?有输入输出，效率有输入输出，效率 ?功率的单位：功率的单位：W,KW,MW ?电机的基本作用原理：电机的基本作用原理：电磁感应定律电磁感应定律 ?旋转电机旋转电机 ?定子，转子和气隙定子，转子和气隙能量转换的场所能量转换的场所 1PP 12 r 0r = 53 r 1010 = 绪论第四节 ?安培环路定律 （磁路基尔霍夫第二定律）安培环路定律 （磁路基尔霍夫第二定律） ?数学公式数学公式: ?磁压磁压 ?磁动势（磁势：磁动势（磁势： ?沿着磁场中任一闭合回路， 其总磁压等于总磁势 沿着磁场中任一闭合回路， 其总磁压等于总磁势 ? =INdlH l dlHu l = IN =INUi IN 4 U 2 U 1 U 3 U 绪论第四节 ?磁路，磁路参数磁路，磁路参数 ?磁阻磁阻 ?磁导磁导 ?磁路的欧姆定律：磁路的欧姆定律： =/1:)H( )S/(l:)H( 1 = =/U 绪论第四节 ?磁路与 电路有本质上的不同：磁路与 电路有本质上的不同： ?电流是带电粒子的真实运动；而磁通只是 一种描述方法；直流电流通过电阻时会有 能量损失，而恒定磁通通过磁阻不会产生 任何损耗。 电流是带电粒子的真实运动；而磁通只是 一种描述方法；直流电流通过电阻时会有 能量损失，而恒定磁通通过磁阻不会产生 任何损耗。 绪论第四节 ?磁路的基尔霍夫第一定律磁路的基尔霍夫第一定律 ?依据：磁通连续性原理依据：磁通连续性原理 ?流入任一磁路节点磁通代数和为零流入任一磁路节点磁通代数和为零 ? 0=+ 321 1 2 3 ?电路与磁路的类比电路与磁路的类比 电路电路 磁路磁路 磁势磁势F(A) 磁通磁通(Wb) 磁阻磁阻=l/( S) 磁导磁导 =1/ 磁路磁路F= 节点 节点 =0 回路回路u= IN 场强 场强 Hdl=IN 密度密度B= /S 磁导率磁导率=B/H 电势电势E(V) 电流电流I(A) 电阻电阻R= l/S 电导电导G=1/R 电路电路U=IR 节点节点I=0 回路回路U= IR 场强 场强 Edl=U 密度密度j=I/S 电导率电导率=j/E 绪论第四节 ?磁性材料的磁性材料的BH曲线曲线 ?BH曲线（磁化曲线）是材料的基本特 性 曲线（磁化曲线）是材料的基本特 性 ?线性区：线性区：BH曲线为一直线曲线为一直线 ?饱和区：随着饱和区：随着H的增大，的增大，B的变化很小的变化很小 绪论第四节 ? 起始区起始区 线性区线性区 饱和区饱和区 H（A/ m) B(T) 绪论第四节 ?磁滞回线：磁滞回线： ?剩余磁密：剩余磁密： ?矫顽磁力： 根据大小不同可分为软 磁和硬磁材料 矫顽磁力： 根据大小不同可分为软 磁和硬磁材料 r B c H c H ? H B OHm Bm Br Hc-Hm -Bm 绪论第四节 绪论第四节 ?铁芯损耗铁芯损耗 ?铁芯损耗：铁芯损耗： ?磁滞损耗磁滞损耗 ?涡流损耗涡流损耗 B(交变）交变） 涡流涡流 导体导体 绪论第四节 ?磁场储能磁场储能 ?体积能量密度体积能量密度 ?总能量总能量 ?对线性介质对线性介质: ? ? =HdB mm =HdBVVWW mmm BH 2 1 m = )/()/( 0r 22 m 2B2BW= 绪论第四节 ?电感电感 ?定义：单位电流所产生的磁链定义：单位电流所产生的磁链 ?自感：自感： ?分类：自感和互感分类：自感和互感 2 NIINNIFNINIL=/=/ +=NN xx x N x N I U N I U 绪论第四节 2 U 2 I 1 N 2 N 12 2 1 U 1 I 1 N 2 N 21 1 互感互感 2121 2 22211 2 121 2 12 12 2112 1 111222 21 NN I INNN M NN I INNN M = = = = = = = = 1 21 1 21 绪论第四节 2 U 2 I 1 N 2 N 12 2 1 U 1 I 1 N 2 N 21 1 2 1222 2 2 2 L L = = = = 1 2111 1 1 1 漏感漏感 绪论第四节 ?电磁感应定律电磁感应定律 ?定义：定义： ?当线圈中的磁链发生变化时，线圈中有感 应电动势产生 当线圈中的磁链发生变化时，线圈中有感 应电动势产生 ?公式：或公式：或 ?线圈中的感应电动势倾向于阻止线圈中磁链 的变化 线圈中的感应电动势倾向于阻止线圈中磁链 的变化 dtde/=dtNde/= 绪论第四节 ?感应电势的方向：感应电势的方向： ?右手定则右手定则 x e i 绪论第四节 ?分类：根据磁链变化的方式的不同分类：根据磁链变化的方式的不同 ?变压器电势：磁通本身随时间变化变压器电势：磁通本身随时间变化 ?运动电势运动电势: 线圈与磁场有相对运动引起 线圈中磁链的变化 线圈与磁场有相对运动引起 线圈中磁链的变化 R BB V 绪论第四节 ?电磁力、电磁转矩电磁力、电磁转矩 ?电磁力：电磁力： ?电磁力的方向：左手定则电磁力的方向：左手定则 ?电磁转矩：电磁转矩： BliF e = BlirT = e F e B i R e FBliF BlvieiFv = = F v 绪论第四节 ?电机的可逆性原理电机的可逆性原理 ?在电机轴上外施机械功率，通过电机导体 在电磁场中作用可输出电功率 在电机轴上外施机械功率，通过电机导体 在电磁场中作用可输出电功率 B v f外 外 i R e F 发电机原理发电机原理 绪论第四节 ?在电机电路输入电功率，载流导体在磁场 作用下使电机旋转而输出机械功率 在电机电路输入电功率，载流导体在磁场 作用下使电机旋转而输出机械功率 E i B v Fe f阻 阻 电动机原理电动机原理 绪论第四节 ?不论导体用作发电机或电动机，感应电 势和电磁力都同时作用 不论导体用作发电机或电动机，感应电 势和电磁力都同时作用 ?感应电势感应电势外部端电压，外界输入机械功 率，作发电机运行 外部端电压，外界输入机械功 率，作发电机运行 ?外部端电压外部端电压感应电势，外电源输入电功 率，作电动机运行 感应电势，外电源输入电功 率，作电动机运行 绪论第四节 ?任何电机既可作为发电机运行，也可 作为电动机运行 任何电机既可作为发电机运行，也可 作为电动机运行 ?发电机和电动机只是同一电机的不同运行 方式 发电机和电动机只是同一电机的不同运行 方式 绪论第五节 第五节 电机的制造材料第五节 电机的制造材料 ?材料的功用：导电，导磁 ，绝缘，散 热和机械支撑 材料的功用：导电，导磁 ，绝缘，散 热和机械支撑 绪论第五节 ?导电材料：铜和铝导电材料：铜和铝 ?20oc时铜的电阻率为时铜的电阻率为17.2410-9.m ?20oc时铝的电阻率为时铝的电阻率为28.210-9.m ?集电环的材料：黄铜，青铜和钢集电环的材料：黄铜，青铜和钢 绪论第五节 ?导磁材料：导磁材料： ?钢铁钢铁 ?电工钢片：含硅，电阻大，导磁率高，可 减小铁芯中的涡流损耗 电工钢片：含硅，电阻大，导磁率高，可 减小铁芯中的涡流损耗 ?标准厚度标准厚度0.35, 0.5, 1mm， 高频时高频时0.2, 0.15,0.1mm 绪论第五节 ?绝缘材料的等级：绝缘材料的等级： O(90)，A(105)，B(120)，E(130)， F(155)，H(180)，C(180) ?变压器油：变压器油： ?作用：绝缘和散热作用：绝缘和散热 ?支撑材料：支撑材料： ?机座，端盖，机座，端盖， ?轴，轴承，螺杆轴，轴承，螺杆 绪论第六节 第六节 电机学科的回顾和展望第六节 电机学科的回顾和展望 ?回顾历史回顾历史 1833年，诞生了第一台电机年，诞生了第一台电机 电机以优异的能量转换机制，向大自然攫 取能量供人类使用 电机以优异的能量转换机制，向大自然攫 取能量供人类使用 绪论第六节 ?三足鼎立三足鼎立 ?直流电机，异步电机，同步电机直流电机，异步电机，同步电机相继问世相继问世 , 各 有优势 各 有优势 ?运行机理：运行机理： ?直流电机频率受转速绝对控制直流电机频率受转速绝对控制 ?异步电机频率受转速相对的控制异步电机频率受转速相对的控制 ?同步电机频率不受转速控制同步电机频率不受转速控制 ?它们由于不同的频率约束条件导致了三大电机 的性能迥然不同 它们由于不同的频率约束条件导致了三大电机 的性能迥然不同 绪论第六节 ?四大冲击四大冲击 ?本世纪本世纪50年代，电机受到计算机年代，电机受到计算机，数值分析，数值分析， 电力电子技术 ， 电力电子技术和永磁材料和永磁材料四大冲击四大冲击 ?软冲击：计算机和数学方法的发展提高了 精度，减轻了脑力劳动 软冲击：计算机和数学方法的发展提高了 精度，减轻了脑力劳动 ?硬冲击：元器件和材料的发展，促进电机 的变革，改善电机性能 硬冲击：元器件和材料的发展，促进电机 的变革，改善电机性能 绪论第六节 ?认识深化认识深化 ?50年代，年代，D.C.White和和H.H.Woodson机电能 量转换理论将电机理解为机电能量或信号转 换的装置 机电能 量转换理论将电机理解为机电能量或信号转 换的装置 ?60年代，现代控制理论以系统的观点理解电 机为一种时变的分布参数、多输出多输入的