电机学绪论及磁路

1、电机学电气(dinq)2011共七十页目录(ml)绪论第1章磁路第2章变压器第3章直流电机第4章交流(jioli)电机理论的共同问题第5章交流电机第6章同步电机总复习 共七十页绪论(xln) 一 电机在国民经济中的作用电机是利用电磁作用原理工作的电气设备，电机的功能是实现机电能量（信号）的转换和传递。电能是国民经济中应用最为广泛的能源，电能的生产、传输、分配和使用等都要依赖于各式电机，在国民经济各部门中起着非常重要的作用。电机按不同的用途可以分为发电机、电动机、变压器和控制电机。发电机是将机械能转换为电能，又分为直流发电机和交流发电机，现代工业、农业、交通运输等各行各业广泛应用的电能，几乎全部

2、(qunb)是由火电厂或是水电站的交流发电机发出的交流电能。共七十页电动机是将交流电能或直流电能转换为机械能，用来拖动各种生产机械的动力，是国民经济各部门应用最多的动力机械。是最主要的用电设备，各种电动机消耗的电能占发电量的60%以上。变压器是将一种电压的交流电能转换为另一种电压的交流电能，发电机发出的电压受绝缘材料和结构的限制（最高只能是27KV），进行(jnxng)远距离输电时，输电线路上将产生较大的电压降落和能量损耗，因此在电厂和电站。需用变压器将电压升高，使输送功率不变的情况下输电线路上的电流变小。以求输电的经济，到变电所在把电压降到用电设备的电压等级，保证安全。控制电机主要用于信号的

3、变换和传递，在自动控制系统中作为多种控制元件来使用，主要用在国防工业，新型的数控制机床、计算机外围设备、机器人和音象设备等都需要大量的控制电机。共七十页小结(xioji)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(kn zh x tn)中的信号转换由各种控制电机完成。共七十页二、电机学发展史1820年奥斯特发现(fxin)了电流磁效应，随后安培通过总结电流在磁场中所受机械力的情况建立了安培定律共七十页1、直流电机的产生(chnshng)与形成 18

4、21年9月法拉第发现通电的导线能绕永久磁铁旋转以及磁体绕载流导体的运动，第一次实现了电磁运动向机械运动的转换，从而(cng r)建立了电动机的实验室模型，被认为是世界上第一台电机。盘子内注入水银，盘子中央固定一个永磁体，盘子上方悬挂一根导线，导线的一端可在水银中移动，另一端跟电池的一端连接在一起，电池的另一端跟盘子连在一起，构称导电回路，载流导线在磁场中受力运动。共七十页第一台真正意义(yy)上的电机1831年，法拉第利用电磁感应发明了世界上第一台真正意义上的电机法拉第圆盘发电机。这台发电机制构造(guzo)跟现代的发电机不同，在磁场所中转动的不是线圈，而是一个紫铜做的圆盘。圆心处固定一个摇柄

5、，圆盘的边缘和圆心处各与一个电刷紧贴，用导线把电刷与电流表连接起来；铜圆盘放置在蹄形永磁体的磁场中，当转动摇柄使铜圆盘旋转起来时，电流表的指针偏向一边，电路中产生了持续的电流。共七十页振荡(zhndng)电动机1831年夏，亨利对法拉第的电动机模型进行了改进该装置的运动部件是在垂直方向上运动的电磁铁，当它们端部的导线与两个电池交替连接时，电磁铁的极性自动改变，电磁铁与永磁体相互吸引或排斥，使电磁铁以每分钟75个周期的速度上下运动。亨利的电动机的重要(zhngyo)意义在于这是第一次展示了由磁极排斥和吸引产生的连续运动，是电磁铁在电动机中的真正应用。 亨利的振荡电动机照片 原理图 共七十页第一台

6、能产生连续(linx)运动的旋转电动机1832年，斯特金发明了换向器，据此对亨利的振荡电动机进行了改进，并制作了世界上第一台能产生连续运动的旋转电动机。后来他还制作了一个(y )并励直流电动机。 共七十页雅可比的电动机 1834年，德国的雅可比在两个U型电磁铁中间，装一六臂轮，每臂带两根棒型磁铁，通电后，棒型磁铁与U型磁铁之间产生相互吸引和排斥作用 ，带动轮轴转动。安在小艇上，用320个丹尼尔电池供电，1838年小艇在易北河上首次航行，时速只有2.2公里(n l)，但种电动机都没有多大商业价值，用电池作电源，成本太大、不实用。 共七十页直流发电1882年，德国将米斯巴哈水电站发出的2千瓦直流电

7、通过57千米 15002000伏 电线输送到慕尼黑，证明直流远距离输电的可能性。直流在传输中的缺点：电压越高，电能的传输损失越小，但高压直流发电机困难较大，而且单机容量越大，换向也越困难，换向器上的火花使工作不稳定。因而人们就把目光(mgung)转向交流电机。 共七十页2、交流(jioli)电机的产生与形成 1824年，法国人阿拉果（DFJArago）在转动悬挂着的磁针时发现其外围环上受到机械力。1825年，他重复这一实验(shyn)时，发现外围环的转动又使磁针偏转，这些实验(shyn)导致了后来感应电动机的出现。共七十页1888年南斯拉夫出生的美国发明家特斯拉发明了交流电动机。它是根据电磁感

8、应原理制成，又称感应电动机，这种电动机结构简单，使用交流电，无火花，因此被广泛应用于工业(gngy)的家庭电器中，交流电动机通常用三相交流供电。美国的特斯拉在爱迪生公司的时候就决心开发交流电机，但爱迪生坚持只搞直流方式，因此他就把两相交流发电机和电动机的专利权卖给了西屋公司。 共七十页电机迅速(xn s)发展1891年，奥斯卡冯米勒在法兰克福世界电气博览会上宣布：他与多里沃合作架设的从劳芬到法兰克福的三相交流输电电路，可把劳芬的一架300735.5W 55V三相交流发电机的电流经三相变压器提高到了万伏，输运175千米，顺利通电，从此三相交流电机很快代替了工业上的直流电机，因为三相制的优点十分明

9、显：材料可靠，结构简单，性能好，效率高，用铜省，在电力驱动方面又有重大效益。各种各样的电机迅速发展(fzhn)起来。 1896年，特斯拉的两相交流发电机在尼亚拉发电厂开始劳动营运，3750KW，5000V的交流电一直送到40公里外的布法罗市。 共七十页总结电机(dinj)的发展简史直流电机的产生和形成时期1821-1833 法拉弟载流导体在磁场中受力，电磁感应定律；电机可逆原理；制作(zhzu)一台旋转磁极式直流电机（永久磁铁和线圈）。1834-1870 永磁变成电流线圈，他励变成自励；环形（分布）电枢绕组代替T型绕组；直流发电机和电动合一。 1870-1890鼓形电枢绕组；电枢开槽；叠片铁心

10、。1899-直流电枢绕组理论。进入现代直流电机交流电机的形成和发展时期新发展时期 电机理论、设计工艺共七十页三 电机的分类常用的分类方式有两种：一是按功能分，有发电机、电动机、变压器和控制(kngzh)电机四大类；二是按电机结构或转速分，有变压器和旋转电机。两种方法(fngf)归纳如下： 电机静止电机 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旋转电机 共七十页电力系统(din l x tn)图的电机应用共七十页共七十页机器人共七十页1、磁路 掌握磁路的基本定律，了解各种( zhn)常用的铁磁材料及其性质。ANi四、电机学涉及

11、(shj)内容共七十页电磁感应(dinc-gnyng)定律闭合回路中的磁通量随时间(shjin)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。共七十页2、变压器了解变压器的基本结构、工作原理(yunl)和额定值。 变压器的空载运行及变压器的负载运行分析。用途分类：电力(dinl)变压器，电力(dinl)系统传输电能电炉变压器，专给炼钢炉供电整流变压器，大型电解电镀、直流电力机车供电仪用变压器、控制变压器无线电变压器，仅传输信号。共七十页电力(dinl)变压器变压器的总容量大致相当于发电机容量的三倍。输电过程中，通常将电压升高，通过高压输电线传送(chun sn)到远方的城市，经过

12、降压变压器降为10kv电压，再经过配电降压变压器分配给用户。输送同样的功率，电压低则电流大，一方面由于大电流在输电线路上引起损耗，另一方面大电流在线路阻抗上产 生大的压降，受电端电压很低，电能传送不出去。只有高电压能将电能输送到远方。 配电变压器共七十页配电(pi din)变压器输电(shdin)变压器共七十页3、直流电机共七十页4、交流(jioli)绕组及其电动势和磁动势 共七十页5、感应(gnyng)电机主要用作电动机笼型异步电机剖面图转轴定子绕组转子定子铁心端盖接线盒共七十页6、同步电机主要(zhyo)用作发电机共七十页水轮机共七十页汽轮机秦山核电站湛江火电厂 火电厂中的汽轮机组共七十页

13、五、电机研究(ynji)现状大容量、超高速大功率、超低速智能材料多功能集成(j chn)电机系统共七十页东方电机：交付首台三峡(sn xi)右岸水轮机转轮2006年10月东方电机开发出三峡右岸水轮发电机组，我国完全拥有自主知识产权，综合性能全面优于三峡左岸(zu n)水轮发电机组。改变了我国巨型水轮发电机组研发技术依靠国外进口的状况，标志着东方电机已系统掌握包括从水轮机模型转轮水力开发、水轮机真机结构设计到真机加工制造的全部核心技术。 大容量、超高速共七十页哈电机厂三峡(sn xi)右岸水轮机转轮研制成功2006年11月30日，目前世界上最大70万千瓦水轮机核心部件三峡右岸水轮机转轮(zhun

14、 ln)在哈尔滨电机厂辽宁葫芦岛制造成功，将在三峡工地“服役”。这是我国独立研制成功并拥有自主知识产权的巨型水轮机组。它的研制成功结束了我国在此领域内长期依赖进口的历史。共七十页高速(o s)电机应用领域（超）高速电机可广泛用于高速磨头，高速的车床、钻床(zun chung)、铣床；医疗器械和手术器械中用的高速电机；高速电动工具以及航空航天等领域。 共七十页2、大功率、超低速(d s)主要(zhyo)应用于船舶和舰艇推进系统的直接电力驱动和大型风力发电机。体积大国外已能生产4.5MW的直驱式风力发电机，转速813r/min。共七十页3、智能(zh nn)材料近年，新型功能材料智能材料，如压电陶

15、瓷、超磁致伸缩、电致伸缩、温控与磁控形状记忆合金等等。由智能材料构思出各种新型能量转换器件与系统，如传感器、执行器和机器人等。成为电工科学(kxu)新的研究领域。超声波电机是近年发展迅速的一种压电执行器。共七十页1）压电效应(y din xio yng) 逆压电效应(y din xio yng)当材料受力作用而变形(bin xng)时, 其表面会有电荷产生共七十页2）超声电机技术(jsh)的应用共七十页纳米(n m)发电机 超声波驱动(q dn)的纳米发电机能收集周围环境中微小的震动机械能并转变为电能来为其它纳米器件，如传感器，探测器等提供能量。这种震动机械能普遍存在于自然界以及人们日常生活中

16、，如空气或水的流动、引擎的转动、空调或其它机器的运转等引起的各种频率的噪音，人行走时肌肉伸缩能或脚对地的压缩能等。甚至在人体内由于呼吸，心跳或是血液流动带来的体内某处压力的细微变化也有可能带动纳米发电机产生电能。纳米发电机的发明为实现能源系统的微型化带来了可能；对于实现具有完全无线，可生物植入，以及长时期甚至终生无需照管的纳米或微电子器件，提供了一种理想的电源系统。共七十页4、多功能集成电机(dinj)系统交直流供电系统(n din x tn)Powerformer磁悬浮技术共七十页磁悬浮技术(jsh)磁悬浮列车是将列车用磁力悬浮起来，使列车与导轨脱离接触，以减小摩擦，提高车速。列车由直线电机

17、牵引。直线电机的一个级固定于地面，跟导轨一起延伸到远处；另一个级安装在列车上，初级通以交流，列车就沿导轨前进。列车上装有磁体（有的就是兼用直线电机的线圈(xinqun)），磁体随列车运动时，使设在地面上的线圈(xinqun)（或金属板）中产生感应电流，感应电流的磁场和列车上的磁体（或线圈(xinqun)）之间的电磁力把列车悬浮起来悬浮列车的优点是运行平稳，没有颠簸，噪声小，所需的牵引力很小，只要几千kw的功率就能使悬浮列车的速度达到550kmh。悬浮列车减速的时候，磁场的变化减小，感应电流也减小，磁场减弱，造成悬浮力下降。共七十页磁悬浮中的直线(zhxin)电机liner motor将传统的旋

18、转电机从转子中心向一侧切开并且展直，这样旋转电机则变为直线电机。或者认为直线电机是半径无限大的旋转电机。这时定子中的旋转磁场将变为直线移动磁场，车辆将随着直线电机磁场的移动而向前运动。 直线电机可以划分为长定子直线电机和短定子直线电机长定子直线电机的定子（初级线圈）设置在导轨上，其定子绕组可以在导轨上无限(wxin)长地铺设，故称为“长定子”。长定子直线电机通常用在高速及超高速磁悬浮铁路中，应用在长大干线及城际铁路领域。 共七十页共七十页我国第一辆国产悬浮(xunf)磁客车我国第一辆国产悬浮磁客车（长春客车厂）德国和日本之后，第三个掌握磁悬浮客车技术的国家。 由长春客车厂、西南交通大学和株洲电

19、力机车研究所联合开发研制的。为常导吸浮式磁悬浮车，采用电磁(dinc)吸力将车辆浮起，与轨道间距始终保持在至毫米之间，采用直线电机驱动车，推进速度取决于直线电机的牵引力，运营时速公里，最高试验时速可达公里。 共七十页五、电机学发展趋势 （一） 单机容量不断提高（二） 中小型电机(dinj)技术和经济指标不断改进 （三） 应用范围不断扩大共七十页六 课程(kchng)的性质、任务、内容、特点及要求性质：电气工程专业必修的专业基础课。前续课是数学、物理及电路及磁路。后续课是、电力拖动自动控制系统、工厂电气控制设备电气专业诸多课程。任务：使学生掌握各种电机和变压器的基本结构、工作原理和主要特性；基本

20、分析方法、培养解决工程实际(shj)问题的能力，包括一定的计算能力；学习测试各种电机、变压器的性能和参数的基本方法，进行实验技能的训练等。为以后的学习打基础。内容：变压器、交流电机及拖动。直流电机及拖动 学时：48+8 学分：3.5共七十页特点： 理论性和实践性都很强，分析电机工作原理时要用电学、磁学和动力学的基础理论。要有时间和空间概念，所以理论性很强；而用理论分析各种电机和电力拖动的实际(shj)时，必须结合电机的具体结构、采用工程观点和工程分析方法，所以实践性也很强，又要注意实验操作技能和计算能力。所以必须注意理论联系实际(shj)。要求： 1上课注意听讲，重点内容记笔记，保证出勤。 2

21、 认真完成作业。 3 作好实验及预习。考核方式 考试70分+实验15分+出勤及作业10分+5分表现共七十页第1章 磁路(c l)磁路(c l)的基本定律共七十页1.1 磁路(c l)的基本定律1磁路的概念磁场的磁通（flux）。磁通所通过的路径(ljng)就是磁路(magnetic circuit)。共七十页i1输入(shr)电能电能(dinnng)磁场输出电能i2电能变压器实现能量传递条件：两个线圈被磁场耦合起来。共七十页磁场机械能电能(dinnng)在发电机中，机械能之所以会转换(zhunhun)为电能，一个重要条件也是因为其中存在一个耦合磁场。旋转电机共七十页磁通密度(md)也叫磁感应强

22、度。单位 特斯拉（T）。磁通：直观地理解为磁路中所包含(bohn)地磁力线条数。单位 韦伯（Wb）2 磁路的基本定律 磁路相关的几个重要物理量磁导率 表示物质导磁能力的大小。 真空磁导率为 H/m。 空气、塑料等非金属以及铜、铝等大部分金属的磁导率都近似等于空气。称为非铁磁物质。 还有一部分材料的磁导率远高于真空的磁导率，这类材料称为铁磁物质，比如，铁、镍、钴及其合金等。共七十页而磁通密度则分别为 因为(yn wi) 是 的数千倍，所以铁环中的磁密与磁通是塑料环中的数千倍。下图中，以长直导线中心为圆心，在半径(bnjng)为r的圆周上有一个塑料环和一个铁环，显然其中磁场强度均为 ，磁场强度，单

23、位为A/m。它与磁感应强度的关系在一般的情况下可表示为。需要注意的是，磁场强度本身并不代表磁场强弱。只有它与磁导率之积才能反映磁场的强弱。 共七十页 沿空间任意一条闭合回路，磁场强度(cchng qingd)H的线积分等于该闭合回路所包围的电流的代数和。注：若 与 符合(fh)右手螺旋关系，取正号，否则取负。其中大拇指所指为 的方向，四指为 方向。安培环路定律共七十页l和l，两积分路径结果(ji gu)相同：共七十页 全电流定律应用到电机和变压器中。把磁路分成多段，全电流定律可改写成HK第K段磁路的磁场强度， LK第K段磁路平均长度，上式的每一段HL称为该磁路上的磁压降，NI整个磁路上的磁势，

24、N磁路绕组(roz)中的安匝数。 作用在磁路上的总磁势等于各段磁路上的磁压降之和。 共七十页磁路(c l)的欧姆定律 单框铁心(ti xn)磁路ANil共七十页磁阻磁导共七十页与电路(dinl)中的欧姆定律相似模拟(mn)电路图F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。 共七十页1)磁通连续性定理(dngl)磁通连续性原理(yunl)示意图共七十页二、磁路的基尔霍夫第一(dy)定律 定律内容: 穿出(或进入)任一闭和面的总磁通量恒等于(dngy)零(或者说，进入任一闭合面的磁通量恒等于(dngy)穿出该闭合面的磁通量)，这就是磁通连续性定律。 共七十页图 无分支(fnzh)磁路示意图ANi中间铁心柱的线圈(xinqun)中通以电流，产生磁通，路径如图共七十页三、磁路(c l)的基尔霍夫第二定律 定律(dngl)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