《电磁场与电机》课件

电磁场与电机探索电磁理论与电机系统的基础知识课程目标和学习成果掌握电磁场基本理论理解静电场、磁场及时变电磁场的基本规律熟悉电机工作原理掌握各类电机的结构、特性及应用培养工程实践能力第一部分：电磁场基础1静电场理论电荷与电场、高斯定理2恒定电场电流与电流密度、欧姆定律3静磁场理论磁场基本概念、安培定律4时变电磁场电磁感应、麦克斯韦方程组电荷与电场电荷的基本性质正负电荷、库仑力、电荷守恒电场强度矢量量、单位：牛/库、点电荷电场电场线电场线表示方法、电场线特性静电场的基本定律库仑定律F=k·q₁q₂/r²电场强度E=F/q=k·Q/r²电场叠加原理多个电荷产生的合成电场高斯定理及其应用电通量概念电场线穿过面积的度量1高斯定理表述∮E·dS=Q/ε₀2高斯面选择利用对称性简化计算3经典应用球、圆柱、平板电场求解4电位与电势电势能电荷在电场中具有的势能W=qV电势单位电荷的电势能V=W/q电势梯度电场强度与电势关系E=-∇V静电场中的导体与电介质导体特性静电平衡、表面电荷、等势体电介质极化位移、极化强度、电导率边界条件电场切向分量、法向分量变化规律静电场的边值问题1边值问题定义在给定边界条件下求解场分布2唯一性定理边界条件确定，解唯一3解法技术分离变量法、镜像法、数值方法4应用实例电容器场分布、屏蔽效应分析静电场的能量与力1/2能量因子静电场能量计算中的系数CV²电容器能量储存在电容器中的能量公式ε₀E²/2能量密度单位体积中存储的静电能恒定电流与电流密度电流定义单位时间通过的电荷量电流密度单位面积上的电流，矢量量电流连续性方程描述电荷守恒的微分方程欧姆定律与焦耳定律第二部分：磁场理论磁场基本概念磁感应强度、磁通量磁场定律毕奥-萨伐尔定律、安培环路定理磁性材料磁化强度、磁导率、磁滞现象磁场能量磁场能量密度、自感、互感磁场的基本概念磁感应强度B-单位：特斯拉(T)描述磁场强弱的物理量磁通量Φ=∫B·dS-单位：韦伯(Wb)穿过面积的磁感线数量磁场线表示磁场方向的曲线闭合曲线，无起点终点毕奥-萨伐尔定律直线电流圆环电流螺线管弧形导线其他形状安培环路定理定理表述∮H·dl=I安培环路选择利用对称性选择闭合路径磁场计算求解各种对称结构的磁场分布验证应用无限长直导线、螺线管磁场磁矢势与磁标势1磁矢势A-描述磁场的辅助量2磁标势Um-适用于无电流区域3边界条件界面处磁场连续性条件磁场中的物质顺磁性物质微弱增强磁场，相对磁导率略大于1抗磁性物质微弱减弱磁场，相对磁导率略小于1铁磁性物质显著增强磁场，相对磁导率远大于1超导体完全排斥磁场，迈斯纳效应磁化与磁路磁化过程磁畴重排、磁矩定向磁路分析类比电路、磁阻概念工程应用变压器铁芯、电机定转子磁场的能量与力LI²/2磁场能量储存在电感中的能量B²/2μ₀能量密度单位体积中的磁场能量F=ILBsinθ洛伦兹力电流在磁场中受到的力第三部分：时变电磁场1电磁感应法拉第定律、楞次定律2位移电流麦克斯韦补充电流概念3麦克斯韦方程组统一描述电磁现象的方程组4电磁波波动方程、传播特性法拉第电磁感应定律磁通变化磁通随时间变化1感应电动势ε=-dΦ/dt楞次定律感应电流方向阻碍磁通变化应用实例发电机、变压器、电磁制动位移电流位移电流定义Id=ε₀·dE/dt变化电场产生的"电流"麦克斯韦创新完善安培环路定理电磁理论对称性物理意义传导电流中断处的连接电磁波理论基础麦克斯韦方程组∇·D=ρ高斯电场定律∇·B=0高斯磁场定律∇×E=-∂B/∂t法拉第电磁感应定律∇×H=J+∂D/∂t安培-麦克斯韦定律电磁波方程波动方程推导从麦克斯韦方程组出发方程形式∇²E=με·∂²E/∂t²波速计算v=1/√(με)波动性质横波、E⊥B⊥传播方向平面电磁波的传播特性波长与频率λ=v/f=c/f√(εᵣμᵣ)波速v=c/√(εᵣμᵣ)波阻抗Z=E/H=√(μ/ε)能量传输坡印廷矢量S=E×H电磁波的反射与折射1界面条件电磁场边界连续性条件2反射定律入射角等于反射角3折射定律斯涅尔定律n₁sinθ₁=n₂sinθ₂4反射系数描述反射波与入射波的比值第四部分：电机原理基本概念电能-机械能转换装置工作原理基于电磁感应与电磁力主要类型直流电机、同步电机、异步电机应用分析特性曲线、效率、控制方法电机的基本概念与分类按电源分类直流电机、交流电机1按工作原理电磁式、静电式、压电式2按运动方式旋转电机、直线电机3按用途牵引电机、伺服电机、家用电机4电机的工作原理电能转换输入电能转为机械能基于电磁理论电磁力作用安培力F=BIL磁场中导体受力转矩产生T=F×r力与半径的矢量积直流电机的结构与原理定子主磁极、换向极、磁路转子电枢绕组、换向器、轴承换向系统换向器片、电刷、压力弹簧直流电机的特性与应用电枢电流转矩效率交流电机的分类同步电机转速与电源频率同步异步电机转速与电源频率不同步单相电机单相电源供电，家用设备常见同步电机的结构与原理定子结构三相绕组、铁芯槽、冷却系统转子类型凸极转子、隐极转子励磁系统直流励磁、无刷励磁同步原理转子磁场与定子旋转磁场锁定同步电机的特性与应用V曲线不同励磁电流下的功率因数变化过励磁：感性负载补偿功率特性功率角特性P=3UIcosφ最大功率传输稳定条件主要应用大型发电机需精确速度控制场合无功功率补偿设备异步电机的结构与原理异步电机的特性与应用转矩-转速特性起动转矩、最大转矩、额定转矩转差率s=(ns-n)/ns，反映负载情况广泛应用工业设备动力、风机水泵、家用电器调速方法变频调速、极对数变换、转子变阻第五部分：电机中的电磁场分析1磁场特征分析空间分布、时间变化规律2绕组与磁势磁动势波形、谐波分析3气隙磁场计算解析方法、数值计算4电磁力与损耗转矩产生、铁损铜损电机磁场的基本特征空间分布径向分量、切向分量周期性变化时间变化交变磁场、旋转磁场频率特性谐波成分基波、高次谐波谐波影响分析电机绕组与磁势分布绕组布置集中绕组、分布绕组磁势波形阶梯波、正弦波近似2谐波分析傅里叶分解、谐波次数绕组因数分布因数、短距因数4气隙磁场分析电机中的电磁力与转矩电磁力产生F=BIL磁场与电流相互作用转矩计算T=Fr麦克斯韦应力张量法转矩波动齿槽转矩谐波转矩脉动转矩电机损耗与效率3-5%铁损磁滞损耗、涡流损耗2-3%铜损绕组电阻损耗1-2%机械损耗轴承摩擦、风阻损耗85-95%总效率输出功率/输入功率电机热分析基础热源各类损耗转化为热能散热途径对流、传导、辐射温升计算热等效电路模型热保护冷却系统、温度监测第六部分：电机设计与优化设计规范确定要求、技术指标参数计算主尺寸、绕组设计性能分析特性预测、电磁场计算优化方案多目标优化、灵敏度分析电机设计的基本步骤需求分析功率、转速、电源、工作环境主尺寸确定D²L计算、电磁负荷选择结构设计绕组设计、磁路设计、冷却系统验证与修正性能计算、热分析、结构强度电机参数计算方法电磁参数电感、电阻、反电动势系数等效电路T型等效电路、参数测定方法机械参数转动惯量、阻尼系数、摩擦因数热参数热阻、热容、温度系数电机性能预测效率功率因数温升电机优化设计技术优化目标高效率、低成本、小体积、低噪声优化变量几何尺寸、材料特性、绕组参数优化算法遗传算法、粒子群优化、模拟退火约束条件温升限制、起动性能、制造工艺电机仿真分析软件介绍AnsysMaxwell电磁场有限元分析Flux多物理场耦合仿真Motor-CAD电机快速设计与热分析第七部分：特种电机与新型电机永磁电机原理与特点工作原理永磁体提供励磁磁场无需励磁绕组永磁材料钐钴、钕铁硼、铁氧体剩磁、矫顽力、最大磁能积优缺点分析优点：高效率、高功率密度缺点：成本高、退磁风险开关磁阻电机1结构特点双凸极结构、简单绕组工作原理基于磁阻变化产生转矩应用优势结构简单、可靠性高、宽调速范围无刷直流电机结构特点永磁转子、多相定子绕组电子换向电子开关代替机械换向器控制方式位置传感器反馈、无传感器控制性能优势高效率、长寿命、低噪声线性电机基本原理旋转电机展开的平面形式直接产生线性运动主要类型同步线性电机异步线性电机开关磁阻线性电机应用领域磁悬浮列车、精密定位高速电梯、自动化生产线超导电机0Ω零电阻超导态下无电阻损耗-196°C临界温度高温超导体工作温度5-10×功率密度增益比常规电机高5-10倍99%+理论效率理论效率可超过99%第八部分：电机控制基础1传统控制改变电源、调节转子电路2变频调速PWM技术、V/f控制3矢量控制转子磁场定向控制4智能控制模糊控制、神经网络电机调速原理电机类型调速参数调速范围直流电机电枢电