电动机培训-预备知识

1、第一章 预备知识 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 本章内容 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。 二、电机的主要类型 根据速度、电流分类根据速度、电流分类 电机电机 静止的电气设备静止的电气设备变压器变压器 旋转电机旋转电机 交流电机交流电机 直流电机直流电机 直流发电机直流发电机 直流电动机直流电动机 同步电机同步电机 异

2、步电机异步电机 同步发电机同步发电机 同步电动机同步电动机 异步电动机异步电动机 异步发电机异步发电机 根据能量转换分 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 水轮发电机水轮发电机 电动机电动机 汽轮发电机组汽轮发电机组 三、电机中所用材料 1. 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 A105 E120 B130 F155 H180 C180 2、磁磁路导磁材料硅钢片、铸钢等 导磁材料：铁磁材料 3、结构材料铸

3、钢、铸铁、钢板等 三、电机中所用材料 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。 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 1876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 1.3 电机中磁路基本定律 1. 全电流定律安培环路

4、定律 IdlH L L L 1 i 2 i H H dl 3 i 式中，若电流的正方式中，若电流的正方 向与闭合回线向与闭合回线L L的环行方的环行方 向符合右手螺旋关系时，向符合右手螺旋关系时， i i取正号，否则取负号。取正号，否则取负号。 321 iiidlH L 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。 dt d N dt d e N其中 dt d Ne 正电动势产生正电流正电动势产生正电流电电 流正方向流正方向 正电流产生正磁通正电流产生正磁通 右右 手螺旋定则手螺旋定则

5、 图1-2 电磁感应定律 2. 电磁感应定律 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。 ),(txfdx x dt t d vT ee x Nv t Ne dt d Ne 1.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） 2.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。 磁通变化原因 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

6、则 BliF 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。 BlirFrTs )( 21 BBNlirTc匝数为匝数为N N的线圈的线圈 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 Tem P P ：电磁功率（输入、输出）：电磁功率（输入、输出） ：电机气隙磁场旋转角速度：电机气隙磁场旋转角速度 u功率关系求得电磁转矩功率关系求得电磁转矩 1.4 铁磁材料特性 一、磁导率一、磁导率 =B/H=B/H B B：磁通密度、磁感应强度：磁通密度、磁感应强度 H

7、 H：磁场强度：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 1、定义、定义 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0 0=410-7 H/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 1.4 铁磁材料特性 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

8、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。 图图1.5 1.5 铁磁材料中的磁畴铁磁材料中的磁畴 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)。 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

9、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。 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。 1. 变化 2.总体非线性 3.存在饱和特性 H 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值从减小到零，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。 图图1-7 1-7 铁磁材料的磁滞回线铁磁材料的磁滞回线 H H B B a a b b

10、c c d d e e f f c H m B m B m Hm H r B c H 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 H B B 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 B Br r H HC C B Bm m 软磁材料的磁滞曲线软磁材料的磁滞曲线 H H B BB B H H 硬磁材料的磁滞曲线硬磁材料的磁滞曲线 3、磁滞损耗 定义: 铁磁材料置于交变磁场中时

11、，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。 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。 22 mww Bfkpk kw w与材料有关的比例系数与材料有关的比例系数 p pW W=K=K2 2f f2 2d d2 2B Bm m2 2V/12V/12 V V：钢片的体积：钢片的体积 ：硅钢片的电阻率：硅钢片的电阻率 d d：硅钢片厚度：硅钢片厚度 p pW W f f2 2、d d2 2 、 、B Bm m2 2、1/1/ 、V V

12、加入加入硅硅硅钢片硅钢片增大增大 B B n图1-10 硅钢片中的涡流 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。 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 whFe ppp 2 50 1 ) 50 ( mFe B f pp n 对于一般的电工钢片，在正常的工作磁通密度范围内对于一般的电工钢片，在正常的工作磁通密度范围内 ：铁心质量：铁心的损耗系数；G 23 . 1 Fe mFeFe C GBfCp 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

13、施 。 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 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。 n主磁路：主磁通所通过的路径。主磁路：主磁通所通过的路径。 n漏磁路：漏磁通所通过的路径。漏磁路：漏磁通所通过的路径。 磁路磁路 主磁通主磁通 漏磁通漏磁通 一、磁路的欧姆定律 BAAB 图图1-12 1-12 单框铁心磁路单框铁心磁路 A A N N i i l l 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。 0 三、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