电机学第一章导论

2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,1,电机学,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,2,电机学课程的特点,综合性实际性统一性,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,3,电机学的基本分析方法,方程式、相量图和等效电路的分析方法归算算法标么制凸极处理法凸极隐极对称分量法不对称实验分析法实验,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,4,怎样学好电机学,认真听课课后及时复习精读教材熟练掌握基本电磁规律掌握各物理量及其参数之间的关系物理意义、适用范围、主要因素、公式习题和实验是学好电机学的重要保证,实验台,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,5,参考教材,电机学辜承林华中科技大学出版社电机学第三版许实章机械工业出版社电机学汤蕴璆机械工业出版社电机学胡虔生中国电力出版社,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,6,课程要求,认真听课独立完成作业,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,7,第一章导论,1.1概述1.2电机发展简史1.3电机中的基本电磁定律1.4铁磁材料特性1.5磁路基本定律及计算方法,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,8,1.1概述一、电机的定义,广义：实施电能生产、传输、使用和电能特性变换的机械和装置。狭义：电机是基于电磁感应定律、电磁力定律（能进行电磁感应），由电路和磁路所构成，能进行机电能量转换或信号变换的电磁机械装置。,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,9,二、电机的主要类型,据速度、电流分,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,10,据能量转换分,发电机将机械功率转换为电功率电动机将电功率转换为机械功率变压（流、频、相位）器将电功率转换为另一种形式的电功率控制电机电气机械系统中调节、放大和控制作用,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,11,实物图,使用中的变压器,水轮发电机,电动机,汽轮发电机组,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,12,三、电机中所用材料,电电路导电材料及绝缘材料导电材料：紫铜、铝线绝缘材料：聚脂漆、云母片按耐热能力高低分六个等级A105E120B130F155H180C180,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,13,2、磁磁路导磁材料硅钢片、铸钢等导磁材料：铁磁材料3、力结构材料铸钢、铸铁、钢板等,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,14,四、电机作用和地位,电能生产由同步发电机生产；高压输电由升压变压器将发电机发出的电压升高到输电电压再输送；降压用电由降压变压器将输来的高压电降为所需低电压，供给用电设备；生产机械的拖动由各种电动机实现；控制系统中的信号转换由各种控制电机完成。,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,15,我国老牌电机厂：哈尔滨电机厂上海电机厂四川：德阳东方电机厂,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,16,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,17,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,18,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,19,请观察电力系统示意图，找到系统中使用的电机？,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,20,1.2电机发展简史,1电机的发展初期FBli1821年Faraday电磁感应定律的发现1831年Faraday直流发电机1831年Pixii1876年单相交流电的应用远距离传输1885年交流电动机1889年三相制三相交流电的应用三相电机,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,21,2电机的近代发展及趋势,单机容量不断增加如汽轮发电机：中小型电机技术与经济指标不断改进新的设计方法（CAD）、工艺、材料、测试手段应用范围扩大,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,22,1.3电机中基本电磁定律,1.全电流定律安培环路定律,L,H,式中，若电流的正方向与闭合回线L的环行方向符合右手螺旋关系时，i取正号，否则取负号。,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,23,l和l，两积分路径结果相同：,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,24,2.电磁感应定律,闭合回路中的磁通量随时间发生变化，该线圈中必然有感应电势产生，称这种现象为电磁感应。线圈中的感应电势将倾向于阻止线圈中磁链的变化。,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,25,图1-2电磁感应定律,正电动势产生正电流电流正方向正电流产生正磁通右手螺旋定则,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,26,磁通变化原因,在变压器和电机的绕组中，磁通的变化可以是磁通随时间脉动或磁通不变，而线圈在转动。对特种电机还可以是磁通随时间脉动，而线圈也在转动,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,27,变压器电动势,磁通本身就是由交流电流所产生，也就是说磁通本身随时间在变化着，这样产生的电势称为变压器电势。（线圈与磁场相对静止）磁通本身不随时间变化，但由于线圈与磁场间有相对运动而引起线圈中磁链的变化，这样产生的电势称为运动电势或速度电势,运动电动势,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,28,变压器电势,若线圈不动，穿过线圈的磁通随时间变化，则线圈中感应的电动势变压器电势,感应电动势有效值：,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,29,电动势和磁通相位关系,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,30,若磁场恒定，构成线圈的导体切割磁力线，使线圈交链的磁链随时间变化，导体中的感应电动势运动电动势。,运动电动势,感应电动势的方向_右手定则,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,31,电磁力定律,载流导体在磁场中要受到力的作用电磁力。左手定则,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,32,电磁转矩,在旋转电机中，作用在转子载流导体上的电磁力将使转子受到一个力矩（等于力乘转子半径）电磁转矩。,匝数为N的线圈,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,33,最大转矩,线圈两侧边处磁场大小恒相等、极性恒相反,线圈总个数M，转子直径D，B大小处处相等。电机最大可能电磁转矩,电磁转矩,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,34,电磁转矩是电机实现机电能量转换的重要物理量。,电动机：电磁转矩驱动性质电能机械能发电机：电磁转矩制动性质机械能电能,P：电磁功率（输入、输出）：电机气隙磁场旋转角速度,功率关系求得电磁转矩,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,35,1.4铁磁材料特性,一、磁导率,=B/H,B：磁通密度、磁感应强度H：磁场强度,电机主要由两大系统组成：电路系统和磁路系统。铁磁材料是组成磁路的主要部分。所谓铁磁材料是指导磁性能好的材料，如：铁、镍、钴等以及它们的合金。,1、定义,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,36,在同样大小的电流作用下，铁芯线圈的磁通比空心线圈的磁通大得多,非铁磁材料磁导率接近真空磁导率00=410-7H/m铁磁材料的磁导率Fe要比非铁磁材料磁导率0大得多（Fe）铁磁物质:铁、镍、铝及其合金电机中常用的铁磁材料的磁导率Fe=(20006000)0,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,37,考虑：为什么铁磁材料具有很高的导磁性能?,在铁磁物质未放入磁场之前，磁畴杂乱无章排列，其磁效应互相抵消，对外不呈现磁性。将铁磁物放入磁场。在外磁场的作用下，磁畴的轴线趋于一致。形成一个附加磁场，叠加在外磁场上，使合成磁场大为增强。铁磁材料的磁导率要比非铁磁材料大得多。铁磁材料的磁导率Fe不是常数。,图1.5铁磁材料中的磁畴,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,38,2、磁化曲线,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，得到曲线B=f(H)。,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,39,分析磁化曲线，分四段,在oa段：当H增大B增大，但B增大速度较慢在ab段：当H增大B增大，B增大速度快；在bc段：B随H增大的速度又较慢；在cd段：为磁饱和区（又呈直线段）。其中拐弯点b称为膝点；c点为饱和点。过了饱和点c，铁磁材料的磁导率趋近0。,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,40,铁磁材料具有的特点,它的磁化曲线具有饱和性，磁导率Fe不是常数，且随H的变化而变化。变化总体非线性存在饱和特性,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,41,B,H,图1-6铁磁材料的磁化曲线（p16）,a,b,c,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,42,应用,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。,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,43,二、磁滞与磁滞损耗1、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值减小到零，必须加上相应的反向外磁场，此反向磁场强度称为矫顽力。磁滞现象：B的变化总是滞后H的变化磁滞回线：磁场强度H缓慢地循环变化，BH曲线封闭曲线磁滞现象是铁磁材料的另一个特性。,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,44,图1-7铁磁材料的磁滞回线,H,B,a,b,c,d,e,f,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,45,基本磁化曲线：,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。,H,B,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,46,2、铁磁材料,HC矫顽力Br剩余磁感应强度铁磁材料：软磁材料-磁滞回线窄，HC及Br小硬磁材料-磁滞回线宽，HC及Br大HC及Br大，难退磁-永磁材料,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,47,软磁材料的磁滞曲线,H,B,B,H,硬磁材料的磁滞曲线,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,48,3、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。,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,49,全电流定律,电源供给线圈的瞬时功率,电磁感应定律,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,50,建立交变磁通、克服磁畴回转所需要的瞬时功率p,Kh不同材料计算系数试验确定的指数,经验公式：,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,51,4、涡流损耗,铁芯是有阻值的，当磁通交变时，铁芯中就会感应交变的电势，在导电的铁芯中就会产生环流，这种电流在铁芯构成的回路与磁通相环链，故称涡流。涡流产生的损耗称为涡流损耗。,kw与材料有关的比例系数,pW=K2f2d2Bm2V/12V：钢片的体积：硅钢片的电阻率d：硅钢片厚度pWf2、d2、Bm2、1/、V加入硅硅钢片增大,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,52,图1-10硅钢片中的涡流,B,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,53,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。,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,54,5、铁心损耗,铁芯中的磁滞损耗和涡流损耗之合称为铁芯损耗,对于一般的电工钢片，在正常的工作磁通密度范围内,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,55,B增加,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,56,注意,在恒定磁场中的静止导磁体内是不会引起能量损耗的。铁芯损耗均转化为热能使铁芯温度升高，为防止电机过热，采用硅钢片以减小铁芯损耗，采取散热降温措施。,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,57,1.5磁路基本定律和磁路的计算,电电路导电材料（及绝缘材料）紫铜、铝线（绝缘:按耐热能力高低分A、E、B、F、H、C六个等级）磁磁路导磁材料硅钢片、铸钢等力结构材料铸钢、铸铁、钢板等,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,58,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。,主磁路：主磁通所通过的路径。漏磁路：漏磁通所通过的路径。,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,59,图变压器的磁路,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,60,一、磁路的欧姆定律,图1-12单框铁心磁路,l,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,61,磁阻,磁导,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,62,与电路中的欧姆定律相似,模拟电路图,铁磁材料的磁导率不是一个常数，所以由铁磁材料构成的磁路，其磁阻不是常数，而是随着磁路中磁通密度的大小而变化，这种情况称为非线性。,2020年5月3日星期日,电机学第一章导论,63,二、磁路的基尔霍夫第一定律,定律内容:穿出(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