第1章 电机学基础知识.jsp

电机与拖动基础,自动化系陈燕,性质：电气自动化和自动化专业的专业基础课,本课程的性质、任务和内容,任务：掌握电机的基本结构、工作原理和主要特性；掌握电力拖动系统的分析计算；培养分析和解决问题的能力，为今后学习和工作打下坚实的基础。,内容：电机学：直流电机、变压器、异步电机、同步电机、控制电机电力拖动：电动机的起动、调速和制动方法,特点：理论性很强，涉及面广(电磁学、动力学、热力学)。实践性强，用理论分析电机及拖动的实际问题时，必须结合电机的具体结构，采用工程观点和分析方法。,学习方法和要求：1、抓住重点，牢固掌握基本概念、基本原理和主要特性；2、要有良好的学习方法，运用对比或比较的方法，分析电机的共性和特点，加深对原理和性能的理解；3、抓主要矛盾，有条件地略去一些次要因素；4、理论联系实际，重视科学实验和工程实践；5、充分预习和复习。,本课程的特点、学习方法,1.3电机的制造材料,1.2电机的基本原理,1.1电机的基本功能与主要类型,第1章电机学基础知识,电机与拖动,一、电机的作用与分类,能源系统的关键设备发电输配电用电,各领域中有特殊要求的动力装置,电机实现机电能量转换和信号传递的电磁装置。（旋转电机、变压器）,1.1电机的基本功能与主要类型,发电环节各种发电机,引进600MW汽轮发电机,国产300MW汽轮发电机,现场运行的水轮发电机,20kV/500kV(220kV)500kV(220kV)/110kV110kV/35kV35kV/10kV10kV/380V,为把发电厂发出的电力输送到四面八方的用户，需要将发电机输出的20kV左右的电压升高。在我国，一般升高到220kV或500kV。,输配电环节变压器,连接发电机与电网的升压变压器,用电环节电动机,1）各行业广泛使用电动机,2）在高新技术领域的新应用,信息技术（雷达驱动）航天航空航海生物医学工程（多种医疗设备）,绪论,2.电机的分类,两种方法归纳如下：,电机,变压器,直流电机,直流发电机,直流电动机,交流电机,控制电机,同步电机,同步发电机,同步电动机,异步电机,异步发电机,异步电动机,常用分类方式：按功能分，有发电机、电动机、变压器和控制电机四大类。按电机结构及电源性质分，有变压器和旋转电机。,1.2电机的基本原理,电系统,耦合磁场,机械系统,电机(电磁装置)的要素,一、磁场的基本概念,1.磁感应强度B（单位：T）矢量,电流,用磁感线的疏密程度描述B的大小,磁场,回转方向与电流方向符合右手螺旋法则,磁感线闭合，无头无尾,任一点的磁感线不会相交，磁感应强度唯一,2.磁通与磁通连续性定理磁通量垂直穿过某截面积的磁感线总和。单位：Wb,磁通连续性定理通过任意封闭曲面的磁通量总和必等于零。,0=4107H/m,H与B的区别：,HI，与介质的性质无关；B与电流的大小和介质的性质均有关。4.磁导率,单位：H/m真空中的磁导率:,3.磁场强度H(单位：A/m)矢量,物质按磁导率分类：非磁性物质、磁性物质。非磁性物质01）顺磁物质(如空气):略大于0。2）反磁物质(如铜)：略小于0。磁性物质高导磁性0,铸钢：10000硅钢片：(60007000)0玻莫合金：比0大几万倍。,5.磁场储能磁场中能量密度旋转电机中气隙的磁感应强度约为(0.40.8)T，铁心中的磁感应强度约为(l.01.8)T。旋转电机的磁场能量主要储存在空气隙中。,二、磁路及其基本定律,u,主磁通,漏磁通,磁路,变压器磁路,电机磁路,电机中的典型磁路,磁通的路径称为磁路。在工程中，通常将磁场问题简化为磁路问题。,1.安培环路定律,沿空间任意条闭合回路，磁场强度H的线积分等于该闭合回路所包围的电流的代数和。,正方向规定：若i与l符合右手螺旋关系，取正号，否则取负号。,若均匀磁场，闭合回线所包围的总电流是由通有电流的N匝线圈提供的：,2.磁路欧姆定律,上式改写为：,磁路中：磁导率不为常数（与磁路的饱和程度有关），磁阻也不为常数。电路中：电阻率为常数，电阻也为常数。,3.磁路基尔霍夫第一定律,312=0任一闭合面：=0,穿出或进入任何一闭合面的总磁通恒等于0,磁位差UmUm=HlUm=F,4.磁路基尔霍夫第二定律,沿任何闭合磁路的总磁动势等于各段磁位降的代数和。,注意：磁路与电路相似，但性质上是不同的：电路中，有电流，就有损耗；磁路中，有磁通，不产生损耗。电路中，电流只流经导体，导体外无电流。磁路中，磁通流经铁心内外。电路中，电阻率为常数；磁路中，磁导率不为常数（与磁路的饱和程度有关）线性电路，可以应用叠加原理。铁心磁路，不可以叠加（磁路饱和时为非线性）,【例1】图示磁路是由两块铸钢铁心及它们之间的一段空气隙构成。各部分尺寸为：l0/2=0.5cm，l1=30cm，l2=12cm，A0=A1=10cm2，A2=8cm2。线圈中的电流为直流电流。要使空气隙处的磁感应强度达到B0=1T，问需要多大的磁动势？,解：(1)磁路中的磁通=B0A0=10.001Wb=0.001Wb(2)各段磁路的磁感应强度B0=1T,(3)各段磁路的磁场强度,由磁化曲线查得：H1=9.2A/cmH2=14A/cm,=796000A/m=7960A/cm,(4)各段磁路的磁压降,Um0=H0l0=79601A=7960AUm1=H1l1=9.230A=276AUm2=H2l2=1412A=168A(5)磁动势F=Um0Um2Um2=(7960276168)A=8404A,气隙长度只有总磁路长度的2.3%,其磁压降则占94.7！,【例2】图示磁路由硅钢制成。磁动势F1=N1I1=F2=N2I2，线圈的绕向及各量的方向如图示。磁路左右对称，具体尺寸为：A1=A2=8cm2，l1=l2=30cm，A3=20cm2，l3=10cm。若已知3=0.002Wb，问两个线圈的磁动势各是多少？,解：由磁路基尔霍夫定律可得321=0Um1Um3=F1Um2Um3=F2已知：F1=F2，l1=l2可得：Um1=Um2,即H1l1=H2l2H1=H2因此B1=B21=2由于,=0.001Wb,所以,由磁化曲线查得：H1=6.5A/mH2=3A/m最后求得F1=F2=Um1Um3=H1l1H3l3=(6.530310)A=225A,三、电磁感应定律,正方向规定：线圈的磁通与电动势符合右手螺旋关系。,当与线圈交链的磁链=N发生变化时，线圈中将产生感应电动势。,变压器电动势,若线圈和磁场相对静止，感应电动势纯粹是由于和线圈交链的磁通随时间的变化而产生的。,主磁通,有效值,相量形式：,运动电势的方向用右手定则确定。,运动电动势,导体切割磁感线则导体中感应的电势为运动电势,e=Blv,1.电磁关系励磁：u,u,iNie,电压方程u=Rie,四、线圈的电路方程,电感：,电抗：X=L,=2fL,相量方程,五、电磁力定律,载流导体与磁场垂直的情况下，若导体中电流为i，导体长度为l，导体所在处的磁通密度为B，则电磁力为：,正方向：电磁力方向由左手定则决定,fBli,六、电机的可逆性原理,电动机：通电电磁力转矩旋转带动机械负载,发电机：原动机旋转感应电动势发电,电机的可逆性原理任何电机既可以作为发电机运行，又可以作为电动机运行。,1.3电机的制造材料,导电材料（铜、铝）,导磁材料（钢铁，如硅钢片、铸铁等）,绝缘材料（隔离电、磁系统）,结构材料（将电机的部件组合在一起）,一、电机的主要制造材料,其他（散热、冷却、润滑材料）,二、铁磁材料的重要特性1.高导磁性0,铸钢：10000硅钢片：(60007000)0玻莫合金：比0大几万倍。,磁性物质内部存在着很多很小的“磁畴”。,磁畴（磁化前）,磁畴（磁化后）,铁磁材料的高导磁性被广泛应用于变压器和电机中。,起始磁化曲线,2.磁饱和性,B=H（常数）B与H的关系称为BH曲线或磁化曲线。,磁化曲线,3.磁滞性,剩磁,矫顽磁力,磁滞回线,基本磁化曲线,(1)硬磁物质:BH曲线宽，Br大、Hc大。用于制造永磁铁。(2)软磁物质：BH曲线窄，Br小、Hc小。用于制造变压器、电机等电器的铁心。(3)矩磁物质：BH曲线形状接近矩形，Br大、Hc小。用于计算机中，作记忆单元。,按磁滞回线的不同，铁磁材料可分为：,(1)磁滞损耗Ph,4.铁心损耗,铁磁材料置于交变磁场中时，材料被反复交变磁化，磁畴相互摩擦造成能量的消耗。,ph=VfHdB,磁滞损耗系数,磁场交变的频率,最大磁密,铁心的体积,=KhfBmV,磁滞回线的面积,电工钢片:=1.62.3,(2)涡流损耗Pe,0.50mm0.35mm0.30mm0.27mm,铁心既是导磁体又是导电体，交变磁场在铁心中感应的电