第01讲电机学概述

1、第第01讲讲 电机学概述电机学概述 1. 电机的定义电机的定义 2. 电机的作用电机的作用3. 电机的分类电机的分类4. 电机学课程简介电机学课程简介 5. 电机发展简史电机发展简史 1. 电机的定义电机的定义 l 传统电机传统电机：以以电磁感应电磁感应为工作为工作机理机理，能够实现，能够实现电能电能与与机机械能械能之间或者两种形式的之间或者两种形式的电能电能之间相互转换之间相互转换的的装置装置。看重。看重力能指标力能指标。l 控制电机控制电机：原理与原理与传统电机传统电机一样；一样；作为一种作为一种机电元件机电元件，用在，用在自控自控系统中，具有系统中，具有执行执行、检测检测、解算解算等功能

2、。看重等功能。看重高精度高精度和和快快速响应速响应等指标。等指标。n机械能机械能 电能电能 电磁场电磁场 电能电能2 电磁场电磁场 电能电能1 l 电磁感应电磁感应： 用在电机中的用在电机中的电磁感应理论电磁感应理论最主要最主要的是：的是：电磁感应电磁感应定律（两个公式）和定律（两个公式）和电电磁力定律磁力定律（一个公式）。（一个公式）。 l 电机的构成：电机的构成： 由由电路电路、磁路磁路和和机械部件机械部件构成；构成； 电路用来承载电路用来承载电能电能； 机械部件用来承载机械部件用来承载机械能机械能； 磁路用来疏通磁场，为电能与机械磁路用来疏通磁场，为电能与机械能相互转换提供更好的能相互转

3、换提供更好的场所（媒介）场所（媒介）。l 电磁感应电磁感应定律（两个公式）定律（两个公式）eBlv=deNdtF= -l 电磁力电磁力定律（一个公式）定律（一个公式）FBIl=电机的构成电机的构成 2. 电机的作用电机的作用 电力系统框图电力系统框图 G3.1526kV-35500kV-610kV-220/380V发发电电机机升升压压变变压压器器高高压压输输电电线线降降压压变变压压器器高高压压配配电电线线降降压压变变压压器器低低压压配配电电线线M电电动动机机3. 电机的分类电机的分类 4. 电机学课程特点电机学课程特点 5. 电机发展简史电机发展简史 l 电磁感应电定律的发现；电磁感应电定律的

4、发现；l 直流电机的发展；直流电机的发展；l 单相交流电的应用；单相交流电的应用；l 三相交流电的应用。三相交流电的应用。 初期发展初期发展 工业革命后，普遍应用蒸汽动力。但其输送和管理不便，工业革命后，普遍应用蒸汽动力。但其输送和管理不便，难以满足生产需要。迫使人们寻找新的动力。难以满足生产需要。迫使人们寻找新的动力。 19世纪初期，人类积累丰富的电磁知识。法拉第世纪初期，人类积累丰富的电磁知识。法拉第1821年首年首次使用模型表演了把电能转换为机械能的可能次使用模型表演了把电能转换为机械能的可能他发现了他发现了电动机的作用原理。不久就出现了原始型式的电动机的作用原理。不久就出现了原始型式的

5、电动机电动机。由于。由于电动机用电池作电源，不能和蒸汽机相抗衡，难以推广。电动机用电池作电源，不能和蒸汽机相抗衡，难以推广。 生产上的需要，又迫使人们寻求把机械能转换为电能的装生产上的需要，又迫使人们寻求把机械能转换为电能的装置。在进行了大量实验研究的基础上，法拉第于置。在进行了大量实验研究的基础上，法拉第于1831年发现年发现了了电磁感应定律电磁感应定律。 1832年法拉第制成了第一台原始型式的年法拉第制成了第一台原始型式的发电机发电机。 电磁感应定律电磁感应定律使得人们掌握了电能和机械能相互转换的规使得人们掌握了电能和机械能相互转换的规律，大规模使用电能的时代已经来临。律，大规模使用电能的

6、时代已经来临。电磁感应电定律的发现电磁感应电定律的发现电能在工业上应用的初期，主要是满足弧光照明及电化学工电能在工业上应用的初期，主要是满足弧光照明及电化学工业的需要，虽然最早发明的是直流电动机，但最初期发展较快业的需要，虽然最早发明的是直流电动机，但最初期发展较快的电机是直流发电机。的电机是直流发电机。在在1840-1870年代，直流发电机发展很快。年代，直流发电机发展很快。在励磁方面，早在在励磁方面，早在1845年就开始以电磁铁代替永久磁铁。到年就开始以电磁铁代替永久磁铁。到1867年制造成了自激发电机。年制造成了自激发电机。在电枢结构方面，也从在电枢结构方面，也从1870年的环形电枢发展

7、到年的环形电枢发展到1873年的鼓年的鼓型电枢。至此，直流电机的结构已取得了现代电机的基本型式。型电枢。至此，直流电机的结构已取得了现代电机的基本型式。早在早在1882年就开始建成了第一条远距离传输直流电能的线路，年就开始建成了第一条远距离传输直流电能的线路，开辟了广泛应用电能的前景。开辟了广泛应用电能的前景。直流电机的发展直流电机的发展为了扩大供电区域和传送距离，须把发电机的单机容量增大，为了扩大供电区域和传送距离，须把发电机的单机容量增大，并把运行电压提高，这对直流电机来说有一定的限制。并把运行电压提高，这对直流电机来说有一定的限制。为解决这一矛盾，在为解决这一矛盾，在19世纪世纪70年代

8、初，人们已经开始尝试年代初，人们已经开始尝试应用交流电。应用交流电。在在1876年，交流电已经应用于照明装置。不久就制成了原年，交流电已经应用于照明装置。不久就制成了原始型式的同步发电机和具有开启磁路的原始型式的变压器。始型式的同步发电机和具有开启磁路的原始型式的变压器。到到1884年，闭合磁路的变压器制成。这种变压器基本上已年，闭合磁路的变压器制成。这种变压器基本上已经具备了现代结构的形式。经具备了现代结构的形式。由于单相变压器的推广，单相交流电的应用得到了迅速发展。由于单相变压器的推广，单相交流电的应用得到了迅速发展。单相交流电的应用单相交流电的应用 用单相交流电代替直流电，解决了当时远距

9、离输电的困难。用单相交流电代替直流电，解决了当时远距离输电的困难。 但单相交流电不适合用作电动机的电源。但单相交流电不适合用作电动机的电源。 不久，应用两相电流产生旋转磁场的原理被发现了，接着就不久，应用两相电流产生旋转磁场的原理被发现了，接着就制成了两相异步电动机的模型。制成了两相异步电动机的模型。 到到19世纪末，三相异步电动机和三相变压器相继出现。世纪末，三相异步电动机和三相变压器相继出现。 三相交流制迅速取代了两相交流制。三相输电系统的优越性三相交流制迅速取代了两相交流制。三相输电系统的优越性立即为举世公认。立即为举世公认。 此后应用三相交流制的发电厂变迅速发展起来，高速运转的此后应用

10、三相交流制的发电厂变迅速发展起来，高速运转的汽轮发电机不久便取代了以蒸汽机作为原动机的发电机。汽轮发电机不久便取代了以蒸汽机作为原动机的发电机。 从从19世纪末到世纪末到20世纪初，包括交流换向器电机在内的各种电世纪初，包括交流换向器电机在内的各种电机均已陆续发明。电机的初期发展至此告一段落。机均已陆续发明。电机的初期发展至此告一段落。三相交流电的应用三相交流电的应用l 单机容量不断提高；单机容量不断提高；l 重量不断减轻，尺寸不断缩小；重量不断减轻，尺寸不断缩小； l 应用范围不断扩大应用范围不断扩大 ；l 现代设计现代设计,制造及控制技术的应用。制造及控制技术的应用。 发展壮大发展壮大 进

11、入进入20世纪，大型工业企业不断集中，使得发电机的容量随世纪，大型工业企业不断集中，使得发电机的容量随着工业发展的要求而不断提高。着工业发展的要求而不断提高。 以汽轮发电机为例，在以汽轮发电机为例，在1900年，汽轮发电机的单机容量不超年，汽轮发电机的单机容量不超过过5000kVA，到，到1920年，汽轮发电机容量已经达到年，汽轮发电机容量已经达到5000060000kVA。 在在1937年，应用空气冷却的汽轮发电机的容量已经达到年，应用空气冷却的汽轮发电机的容量已经达到10万万kVA。应用氢气冷却后，汽轮发电机的容量便上升到。应用氢气冷却后，汽轮发电机的容量便上升到15万万kVA。 随后电机

12、的冷却技术不断发展，表现为在导体内部用气体冷随后电机的冷却技术不断发展，表现为在导体内部用气体冷却或液体冷却。却或液体冷却。1956年制成年制成 20.8万万kVA的汽轮发电机，采用了的汽轮发电机，采用了定子导体水内冷，转子导体氢内冷。在定子导体水内冷，转子导体氢内冷。在1960年汽轮发电机的容年汽轮发电机的容量又上升为量又上升为32万万kVA。不久，汽轮发电机的容量久突破了。不久，汽轮发电机的容量久突破了100万万kVA。 目前汽轮发电机的容量已达到目前汽轮发电机的容量已达到6001000万万kVA。单机容量的不断提高单机容量的不断提高 设计技术的完善、结构和工艺措施的改进、新材料的应用，设

13、计技术的完善、结构和工艺措施的改进、新材料的应用，使得制成的电机更为灵巧和经济合用。使得制成的电机更为灵巧和经济合用。 在设计方面应用计算机辅助设计，更便于进行多方案的综合在设计方面应用计算机辅助设计，更便于进行多方案的综合比较。比较。 新工艺措施方面，计有线圈的真空处理、硅钢片涂漆机械化、新工艺措施方面，计有线圈的真空处理、硅钢片涂漆机械化、异步电机转子压铸浇铝。异步电机转子压铸浇铝。 金工方面推广高速切削、模具钳工机械化等等。金工方面推广高速切削、模具钳工机械化等等。 新材料的发展，如磁性材料方面采用冷轧硅钢片、绝缘材料新材料的发展，如磁性材料方面采用冷轧硅钢片、绝缘材料方面采用聚酯薄膜、

14、硅有机漆、粉云母等。方面采用聚酯薄膜、硅有机漆、粉云母等。 电机重量的减轻和轮廓尺寸的缩小可用下面的例子窥见一斑：电机重量的减轻和轮廓尺寸的缩小可用下面的例子窥见一斑：小型异步电机的重量在小型异步电机的重量在19世纪末为每世纪末为每kW60余公斤；第一次世余公斤；第一次世界大战后为界大战后为20余公斤；余公斤；1980年代为年代为10公斤左右。我国生产的公斤左右。我国生产的J2、JO2新系列小型异步电动机与新系列小型异步电动机与J、JO老系列相比较，体积平均老系列相比较，体积平均缩小缩小25.6%，重量平均减轻，重量平均减轻20%。目前的。目前的Y系列与系列与Y2系列异步系列异步电动机尺寸与重

15、量又有大幅度下降。电动机尺寸与重量又有大幅度下降。重量不断减轻，尺寸不断缩小重量不断减轻，尺寸不断缩小 为适应各种不同的工作要求，电机的系列和品种也愈来愈多。为适应各种不同的工作要求，电机的系列和品种也愈来愈多。 除了一般用途的电机之外，尚有各种特殊要求的电机，如船除了一般用途的电机之外，尚有各种特殊要求的电机，如船舶电机、潜水电机、防爆电机、湿热带电机等等。舶电机、潜水电机、防爆电机、湿热带电机等等。 随着生产过程自动化和遥控技术的发展，在随着生产过程自动化和遥控技术的发展，在20世纪世纪30年代末年代末期就出现了各种形式的的电机放大机，例如交磁放大机和自激期就出现了各种形式的的电机放大机，例如交磁放大机和自激放大机。放大机。 此外，作为控制单元用的微型电机也在迅速发展着，这类电此外，作为控制单元用的微型电机也在迅速发展着，这类电机的型式很多，它们的容量和体积都很小，一般只有数瓦或数机的型式很多，它们的容量和体积都很小，一般只有数瓦或数十瓦，外径只有十几个毫米，且向更小容量和体积发展。在结十瓦，外径只有十几个