电机第1章 导论1

第一章导论,电机的定义、类型、作用电机发展简史与趋势电机中常用的基本电、磁、力定律铁磁材料性质、磁路及其计算其他内容自学,1.1概述,一、电机的定义广义：所有实施电能生产、传输、使用和电能特性变换的机械或装置。狭义：是一种基于电磁感应定律和电磁力定律能够实现机电能量转换或信号传递与转换的电磁机械装置。,1.1概述,二、电机的分类,三、电机中使用的材料1、导电材料：导电性能好，损耗小，便于加工。2、导磁材料：导磁性能好，损耗小，易于加工。3、绝缘材料：介电强度高，耐热性能好，容易成型。绝缘等级：O(90）、A（105）、E（120）、B（130）、F（155）、H（180）、C（180)4、结构材料：机械强度高、加工方便,1.1概述,四、电机的作用及地位电机在现代社会所有行业和部门以及人类生活等领域占据重要地位。1、电力工业：发电机、变压器是发电厂和变电站的核心设备。发电机：生产电能设备，将机械能转换为电能。通过原动机先把一次能源蕴藏的能量转换为机械能，原动机再拖动发电机向外发出电能。变压器：改变电压等级实现电能传输和分配。,1.1概述,1.1概述,应用于电力工业,1.1概述,电力系统简图：,1.1概述,世界上最大的水轮发电机在三峡电站安装,1.1概述,永磁外转子大型风力发电机,四、电机的作用及地位2、其他行业：电动机是各种各样电力拖动系统的动力源。电动机：作为原动机拖动和控制生产机械。制造工业机械加工机床、纺织机、造纸机冶金行业冶炼用高炉、轧钢机交通行业电气化铁路、地铁、磁悬浮列车国防、高科技领域航空、航天、制导、跟踪、定位自动控制系统家用电器、办公自动化设备,1.1概述,1.1概述,应用于其它工业,1.1概述,应用于交通行业,电梯用永磁牵引电动机,电力机车直流牵引电动机,1.1概述,应用于交通行业,舰船内燃机电力推进感应电动机,磁悬浮列车驱动,1.1概述,应用于交通行业,1.1概述,应用于国防、高科技领域,全电军舰吊舱式推进系统超导直流电动机剖面图,微型超声波压电电动机,1.1概述,应用于家用电器,医疗器械心电机X光机CT牙科手术工具渗析机呼吸机电动轮椅,办公设备DVD驱动器CD-ROM打印机传真机,家用电器电冰箱洗衣机电风扇空调器抽油烟机,1.1概述,应用于医疗、办公设备与家用电器,1.2电机发展简史,直流电机的发展,单相交流电机的应用,三相交流电机的应用,找出了电能和机械能可以互换的规律,高压大容量直流发电机研究存在困难,单相交流电输电效率低、电机性能差,电磁力定律、电磁感应定律被发现,一、电机发展历程,1.2电机发展简史,1.2电机发展简史,1.2电机发展简史,经过100多年的发展，电机的理论已经相当成熟。但是，随着电工科学、材料科学、计算机科学与控制技术的发展，电机的发展又进入了新的阶段。,1.2电机发展简史,二、电机研究现状大容量、超高速大功率、超低速智能材料多功能集成电机系统,1.2电机发展简史,三、电机的发展趋势超导技术新型、特种电机：绿色电机、智能化电机计算机技术和电力电子技术广泛深入地应用于电机领域：电机的计算机集成制造系统（CIMS-EM）电磁式电机电子电机,1.3基础知识基本知识,电学、磁学和动力学原理的综合运用直流和交流电路分析原理磁路定律电磁关系电、磁和力的关系力学定律,1.3基础知识电路定律,交、直流电路分析欧姆定律：U=IR基尔霍夫定律ii=0ui=0,1.3基础知识电路定律,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）。如图可得电路方程式：e=iR-u即u=iR-(-Ldi/dt),1.3基础知识全电流定律,全电流定律：在磁场中，磁场强度沿任意闭合路径的线积分等穿过该闭合路径所界定面的电流代数和。用以描述电磁联系，即：电流磁场注意：式中电流符号由右手螺旋法则确定，如图1-2可得：,1.3基础知识磁路概念,几个物理量：（1）磁通密度或磁感应强度B：表征磁场的一个基本物理量，单位T（特斯拉）。1T=1wb/m2B是矢量，即既有大小，又有方向。用磁力线上每点的切线方向规定B的方向用磁力线的疏密程度表示B的大小,1.3基础知识磁路概念,采用磁力线（感应线）来描述磁场的空间分布，是一闭合线。(1)磁感应线的回转方向和电流方向之间的关系遵守右手螺旋法则。(2)磁场中的磁感应线不相交，每点的磁感应强度的方向确定唯一。(3)载流导线周围的磁感应线都是围绕电流的闭合曲线。,1.3基础知识磁路概念,（2）磁通量：穿过某一截面A的磁感应强度B的通量，Wb。（3）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。（4）磁导率：=B/H亨/米；H/m,1.3基础知识磁路概念,磁路：磁通所通过的路径。见图1-1。主磁通：由于铁芯的导磁性能比空气要好得多，所以绝大部分磁通将在铁芯内通过，这部分磁通称为主磁通。漏磁通：围绕载流线圈、部分铁芯和铁芯周围的空间，还存在少量分散的磁通，这部分磁通称为漏磁通。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。,1.3基础知识电磁感应定律,电磁感应现象：电磁感应定律（1831年法拉第发明）：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：若N匝线圈中通过的磁通均为，则=N,1.3基础知识电磁感应定律,1、变压器电动势设=msintE=eT=-Nmcost=Emsin(t-900)有效值：,1.3基础知识电磁感应定律,如图，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：,注：B.v.e之间关系由右手定则（又称发电机定则）确定。,感应电动势即运动电动势为：,2、运动电动势,1.3基础知识电、磁和力的关系,右手定则：导体在磁场中运动产生电势。,左手定则：载流导体在磁场中受到的电磁力。,1.3基础知识力学定律,直线运动和旋转运动的动力学定律力和力矩的关系：电磁转矩与功率关系：:电机气隙磁场旋转角速度。,一）铁磁物质的磁化铁磁材料在外磁场中呈现很强的磁性，此现象称为铁磁物质的磁化。磁畴示意图1-6,1.4铁磁材料特性,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所有非导磁材料的磁导率都是常数，并且都接近于真空磁导率0，0=410-7H/m。,1.4铁磁材料特性,1.4铁磁材料特性,分析：起始磁化曲线基本上可分为四段，如下,铁磁材料磁化曲线示意图1-7。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。通常把铁芯内的工作磁通密度选择在膝点附近。,1.4铁磁材料特性,2磁滞回线示意图：图1-8剩磁：去掉外磁场之后，铁磁材料内仍然保留的磁通密度Br。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Hc。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。磁滞回线：呈现磁滞现象的B-H闭合回线。磁滞现象是铁磁材料的另一个特性。,1.4铁磁材料特性,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。如图1-9。,1.4铁磁材料特性,三）铁磁材料1软磁材料定义:磁滞回线窄、剩磁和矫顽力Hc都小的材料。附图1-10a。常用软磁材料：铸铁、铸钢和硅钢片等。2硬磁(永磁)材料定义：磁滞回线宽、剩磁和Hc都大的铁磁材料称为硬磁材料。附图1-10b。,1.4铁磁材料特性,1.4铁磁材料特性,四）铁芯损耗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芯常用硅钢片叠成。,2涡流损耗涡流：环流在铁芯内部围绕磁通作旋涡状流动。如示意图1-11。定义：涡流在铁芯中引起的损耗。公式：应用：为减小涡流损耗，电机和变压器的铁芯都用含硅量较高的薄硅钢片叠成。,1.4铁磁材料特性,3铁芯损耗定义:铁芯中磁滞损耗和涡流损耗之和。表达式：,1.4铁磁材料特性,1.5磁路基本定律及计算方法,一、磁路基本定律1、磁路的欧姆定律,1.5磁路基本定律及计算方法,F=Ni磁动势，ARm=l/A磁阻，1/Hm=1/Rm磁导，H定理说明附图1-3a。与电路中的欧姆定律的相似性，附相应的模拟电路图1-3b。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。,1.5磁路基本定律及计算方法,例1有一闭合铁芯磁路，铁芯的截面积A910-4m2，磁路的平均长度L=0.3m，铁芯的磁导率为空气的5000倍，套装在铁芯上的励磁绕组为500匝。试求在铁芯中产生1T的磁通密度时，所需的励磁磁动势和励磁电流。,1.5磁路基本定律及计算方法,解:用全电流定律来求解。磁场强度磁动势励磁电流,1.5磁路基本定律及计算方法,2、磁路的基尔霍夫第一定律：穿出(或进入)任一闭合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。定律说明附图1-4,1.5磁路基本定律及计算方法,3、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。定律说明附图1-5,二、铁芯磁路计算1、直流磁路的计算导言: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。,1.5磁路基本定律及计算方法,1）简单串联磁路定义：不计漏磁影响，仅有一个磁回路的无分支磁路。附图1-12,1.5磁路基本定律及计算方法,例2若在例l的磁路中，开一个长度的气隙，问铁芯中激励1T的磁通密度时，所需的励磁磁动势为多少?已知铁芯截面积为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、宽方向各增加值。,解：用磁路的基尔霍夫第二定律来求解。铁芯内的磁场强度:气隙磁通密度:气隙磁场强度:铁芯磁位降:气隙磁位降:励磁磁动势:,1.5磁路基本定律及计算方法,2）简单并联磁路定义：指考虑漏磁影响，或磁回路有两个以上分支的磁路。,1.5磁路基本定律及计算方法,例3图1-13a所示并联磁路，铁芯所用材料为DR530硅钢片，铁芯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=1.211T的磁通密度时，所需的励磁电流i。,解：画出图1-13b所示模拟电路图。由于两条并联磁路是对称的，故只需计算其中一个磁回路即可。根据磁路基尔霍夫第一定律，得根据磁路基尔霍夫第二定律，,1.5磁路基本定律及计算方法,由图1-13a可知中间铁芯段的磁路长度左、右两边铁芯段的磁路长度均为（1）气隙磁位降,1.5磁路基本定律及计算方法,（2）中间铁芯段的磁位降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、宽方向各增加值，则气隙段的磁通量为中间铁芯段的磁通密度为,1.5磁路基本定律及计算方法,从DR530的磁化曲线查得，与B3对应的H319.5102A/m，则中间铁芯段的磁位降为（3）左、右两边铁芯的磁位降,1.5磁路基本定律及计算方法,由DR530的磁化曲线查得，H1=H2=215A/m,1.5磁路基本定律及计算方法,(4)总磁动势和励磁电流,2、直流电机的空载磁路和磁化曲线定义：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。附空载磁场分布图1-14a。空载磁路计算各部分的磁路长度图1-14b。,1.5磁路基本定律及计算方法,直流电机的磁化曲线曲线示意图1-15。电机的磁化曲线体现了电机磁路的非线性，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。,1.5磁路基本定律及计算方法,四、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。,1.5磁路基本定律及计算方法,交变磁通的两个效应:(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)磁饱和现象会导致电流、磁通和电动势波形的畸变。,1.5磁路基本定律及计算方法,1.6电机的机电能量转换过程,机械能电能热能损耗磁场储能增量注：发电机取“”，电动机取“”热能损耗有三种：电阻损耗pCu铁芯损耗pFe各类机械摩擦损耗pmec,本节自学，要求如下：知道发热与冷却过程的变化规律温升的概念冷却介质与冷却方式,1.7电机的发热与冷却,主磁通,漏磁通,图1-1常见的磁路,H,L,图1-2全电流定律,图1-3A)无分支铁芯磁路,A,N,i,F,图1-3B)模拟电路图,图1-4磁路的基尔霍夫第一定律,A,N,i,图1-5磁路的基尔霍夫第二定律,i,A)未磁化,B)磁化,图1-6磁畴,B,H,a,b,c,d,图1-7铁磁材料的起始磁化曲线,图1-8铁磁材料的磁滞回线,H,B,a,b,c,d,e,f,基本磁化曲线,H,B,