华中科技大学电机学第一章导论ppt

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1、电机学Electric Machinery,天津工业大学 电气工程与自动化学院,2013.2,（第1章 导论）,2,姓名：耿强 系部：天津工业大学 电气工程与自动化学院 电气工程系 研究方向：电机系统及其控制 办公室：4教C区203室 Email： QQ：1805031596,3,选用教材： 电机学 作者：辜丞林 等 出版社：华中科技大学出版社 参考书： 电机学 （汤蕴璆 机械工业出版社 ） Electric Machinery （A. E. Fitzgerald 英文教材）,4,考核方法： 出勤 = 15%课堂成绩 作业 = 15%课堂成绩 期末考试 = 70%课堂成绩 总成绩 = 80%课

2、堂成绩 + 20%实验成绩,5,实验时间： 第8周 周二（4.16） 第四大节 1、2班 周三（4.17） 第四大节 3、4班 第9周 周二（4.23）第四、五大节 1、2班 周三（4.24）第四、五大节 3、4班 第15周 周二（6.4）第四、五大节 1、2班 周三（6.5）第四、五大节 3、4班 实验地点：4D210,第1章 导论,概述 电机的发展历程 电机中的基本电磁定律 铁磁材料 磁路基本定律及计算方法 电机中的机电能量转换过程 电机的发热与冷却 电机的分析研究方法,第1章 导论,电机的基本概念,电机的分类,电机中使用的材料,概述,电机的作用和地位,8,1.1 概述,一、电机的基本概念

3、,电机是依据电磁感应定律和电磁力定律，由电路和磁路构成的能实现机电能量或信号传递与转换的电磁装置。,9,二、电机的分类,按运动方式分类,电机,10,按功能分类,电 机,11,三、电机中使用的材料,导电材料：铜线。构成电路。 导磁材料：硅钢片。构成磁路。 结构材料：铸铁、铸钢和钢板。承受力。 绝缘材料：聚酯漆、环氧树脂、玻璃丝带等。用于导体之间和各类构件之间的绝缘处理。电机常用绝缘材料按性能划分为A、E、B、F、H、C等6个等级。如B级绝缘材料可在130下长期使用，超过130则很快老化，但H级绝缘材料允许在180下长期使用。,12,四、电机的作用和地位,地位：作为电能生产、传输、使用和电能特性变

4、换的核心设备，电机在现代社会所有行业和部门中占据了重要的地位。,汽轮发电机,水泵,13,第1章 导论,直流电机的产生和形成,交流电机的形成和发展,电机理论和设计、制造技术的足部完善,电机的发展历程,电机的发展趋势,15,1.2 电机的发展历程,一、直流电机的产生和形成,1821年，法拉第发现载流导体在磁场中受力的现象，从而衍生出原始机构的电动机； 1831年，法拉第发现了电磁感应定律；,16,1832年，皮克西制成原始的旋转磁极式直流发电机现代发电机的雏形； 1833年，楞次证明了电机的可逆原理； 18341870年，永磁体励磁转变为线圈励磁，他励发展到自励，环形绕组的应用；,17,1873年

5、，海夫纳阿尔泰涅克发明了鼓形绕组； 1880年，爱迪生提出了叠片铁芯； 18841885年，出现了换向极、补偿绕组以及碳刷； 1886年，霍普金森兄弟确立了磁路欧姆定律； 1891年，阿诺尔特建立了直流电枢绕组理论。,18,二、交流电机形成和发展,1832年，单相交流发电机出现； 18761884年，单相交流电动机不断完善； 1885年，费拉里斯与特斯拉 几乎同时制成了感应电动机；,19,1889年，多利夫多布罗夫斯基提出了三相制，并设计制造了三相感应电动机； 18931899年，交流电机理论取得很多成果，如、双旋转磁场理论、交轴磁场理论、双反应理论。,20,三、电机理论和设计、制造技术的逐步

6、完善 20世纪是电机发展史上的一个新时期： 工业高速发展对电机提出了更高的要求； 控制电机和新型、特种电机发展更为迅速； 针对电机的研究更加深入，电机性能不断提高。,21,电机相关理论： 1918年，福蒂斯丘对称相量法； 19261930年，道黑提和尼古尔发展了布隆代尔的 双反应理论； 1929年，帕克将坐标变换与算子法应用到同步电机 瞬态电压方程的推导； 19201940年，德雷福斯、庞加、弗里茨等人奠定 了电机分析设计的基础； 19351938年，克朗引入张量概念研究旋转电机；,22,电机相关理论： 1959年，怀特和伍德森倡导下，逐步建立了以统 一 的机电能量转换理论为基础的新体系； 1

7、970年，勃拉希克提出了异步电机磁场定向控制 理论； 近年来，计算机、DSP等技术在电机设计与控制 中发挥了巨大的作用。,23,四、电机发展趋势,超导技术有助于电机单机容量进一步增大，效率 与功率密度进一步提高； 新型、特种电机与新原理、新结构、新材料、新 工艺、新方法联系更加紧密； 自动化、智能化电机系统将成为研究热点； 电机与电力电子以及计算机技术联系愈加紧密。,第1章 导论,电机中的基本电磁定律,全电流定律,电磁感应定律,电磁力定律,25,1.3 电机中的基本电磁定律,一、全电流定律,全电流定律（安培环路定律）：磁场强度沿任意的闭合路径的线积分等于闭合路径包围的导体电流的代数和。 电流是

8、产生磁场的源。,26,二、电磁感应定律,只要与线圈交链的磁链发生了变化，线圈内就会感应出电动势。 感应电动势倾向于在线圈内产生电流，以阻止的变化。 当电动势的正方向与磁通方向符合右手螺旋法则，则,27,二、电磁感应定律,导致磁通变换的原因： 磁通由时变电流产生； 磁通由线圈与磁场间的相对运动产生。 式中：eT为变压器电动势，线圈与磁场相对静止； ev为运动电动势（速度电动势、旋转电动势或 切割电动势）。,28,1. 变压器电动势,假设线圈与磁场相对静止，与线圈交链的磁通随时间按正弦规律变化 可得感应电动势为,29,1. 变压器电动势,用有效值表示，则可得,30,2. 运动电动势,假设：线圈匝数

9、 N，两边平行，有效长度为 l，宽度为b，以速率 v 沿 方向运动；磁场 B() 不随时间变化，方向垂直进入屏幕。 任意时刻穿过线圈的磁通为： 运动电动势为： 式中磁场、线圈运动方向和感应电动势之间的关系由右手定则（发电机定则）确定。,31,32,三、电磁力定律,磁场对电流的作用是磁场的基本特征之一。通电导体置于磁场中（电流方向与导体方向不平行）会受到力的作用，此力称为电磁力。 对于长直载流导体，若磁场与之垂直，则电磁力为 F=B l i 这就是通常所说的电磁力定律，也叫毕奥-萨伐电磁力定律。 式中电磁力F、磁场B和载流导体 l 的关系由左手定则（电动机定则）确定。普通电机中，l 通常沿轴线方

10、向，而B沿径向方向。,33,三、电磁力定律,电磁力作用于转子的切向方向，即产生转矩，称为电磁转矩。单根导体产生的电磁转矩为： Ts=Fr = B l i r 对于N匝线圈所产生的电磁转矩为： Tc= N l i r (B1-B2) 电机最大可能的电磁转矩为 Tem= M N B l i D,34,三、电磁力定律,在电动机中，电磁转矩是驱动电机旋转的原动力，电磁转矩表现为驱动性质，电能转换为机械能。 在发电机中，原动机克服发电机电磁转矩，电磁转矩表现为制动性质，机械能转换为电能。,第1章 导论,铁磁材料特性,铁磁材料的磁导率,磁滞与磁滞损耗,涡流与涡流损耗,交流铁芯损耗,36,1.4 铁磁材料特

11、性,一、铁磁材料的磁导率,磁导率的定义 = B/H B为磁感应强度（磁通密度），H为磁场强度矢量 铁磁性材料包括铁、钴、镍及它们的合金。 非导磁材料的磁导率均为常数，接近真空磁导率 0 = 410-7 H/m,37,铁磁材料的磁导率 Fe Fe0 Fe为非常数，随B的变化而变化 存在磁饱和现象：当铁磁材料中的B达到一定的程度后，随着H 的增加，B的增加逐渐变慢，因此 Fe随着H的增加而减小。,38,磁化曲线 在外磁场H作用下，磁感应强度B将发生变化，二者之间的关系曲线称为磁化曲线，记为B=f(H)。,39,三、磁滞与磁滞损耗,磁滞概念：B变化滞后于H变化的现象。 不同铁磁材料有不同的磁滞回线，

12、且同一铁磁材料，Bm愈大，磁滞回线所包围的面积也愈大。,剩磁密度,矫顽力,磁滞回线,40,软磁材料：磁滞回线很窄。硅钢片、铸铁、铸钢等等。 硬磁材料：磁滞回线很宽，或叫永磁材料。铁氧体、稀土钴、钕铁硼等。 基本磁化曲线,41,磁滞损耗：铁磁材料在交变磁场作用下的反复磁化过程中，磁畴会不停转动，相互之间会不断摩擦，因而就要消耗一定的能量，产生功率损耗。这种损耗称为磁滞损耗。 磁滞损耗的大小与磁滞回线的面积、电流频率f 和铁心体积V 成正比。 由于硅钢片的磁滞回线面积很小，而且导磁性能好。因此，大多数电机、变压器或普通电器的铁心都采用硅钢片制成。,42,假设环形铁芯(铁磁材料)横截面积为A，平均周

13、长为l，N匝数线圈紧密围绕于铁芯上，其中电流为i，铁芯内磁场强度为H，由全电流定律可得 电源供给线圈的功率为 忽略线圈电阻则有,43,P即为在铁芯中建立交变磁通、克服磁畴回转所需要的瞬时功率，其在一个周期T内的平均值就是铁芯磁滞损耗： 根据工程经验： Kh为不同材料的计算系数；为由试验确定的系数。,44,三、涡流与涡流损耗,涡流：铁磁材料在交变磁场将有围绕磁通呈涡旋状的感应电动势和电流产生，简称涡流。 涡流损耗：涡流在其流通路径上的等效电阻中产生的I 2R损耗称为涡流损耗。,45,涡流损耗与磁场交变频率f、厚度d和最大磁感应强度Bm的平方成正比，与材料的电阻率成反比。 式中，K为电动势比例常数

14、； 要减少涡流损耗，首先应减小厚度，其次是增加涡流回路中的电阻。电工钢片中加入适量的硅，制成硅钢片，显著提高电阻率。,46,四、铁耗,铁耗：铁磁材料在交变磁场作用时，磁滞损耗和涡流损耗是同时发生的。因此，在电机和变压器的计算中，当铁心内的磁场为交变磁场时，常将磁滞损耗和涡流损耗合在一起来计算，并统称为铁心损耗，简称铁耗。 单位重量铁耗 式中，p1/50为铁耗系数（当Bm=1T、f = 50Hz时，每千克硅钢片的铁耗），范围为1.052.5；为频率指数，范围为1.21.6，与材料性质有关。,第1章 导论,磁路基本定律及计算方法,磁路基本定律,铁芯磁路计算,永磁体磁路计算,交流磁路特点,48,1.

15、5 磁路基本定律及其计算方法,基本概念,磁路：与电路相仿，将磁通比拟为电流，则磁路是磁通行经的路径。 磁通分为主磁通和漏磁通，磁路对应的分为主磁路和漏磁路。 主磁通是实现机电能量转换所需要的磁通，因此主磁路为主要的研究对象。 磁路计算：确定磁动势F、磁通和磁路结构（如材料、形状、几何尺寸等）之间的关系。,49,一、磁路基本定律,主磁通,平均磁路长度,漏磁通,50,1、磁路欧姆定律,假设忽略漏磁且磁路上的 磁场强度H处处相等，由全电 流定律可知：,因H=B/，而B=/A，可得 式中，F=Ni 为磁动势；Rm= l /(A) 为磁阻； m = 1 / Rm为磁导。,51,2、磁路基尔霍夫第一定律,

16、进入或穿出任一封闭面的总磁通量的代数和等于零，或穿入任一封闭面的磁通量恒等于穿出该封闭面的磁通量。,图示的有分支磁路： 1+2=3,52,3、磁路基尔霍夫第二定律,任一闭合磁路上磁动势的代数和恒等于磁压降的代数和。,回路： H1l1+H3l3=N1i1 回路： -H2l2-H3l3=-N2i2 回路： H1l1-H2l2=N1i1-N2i2,l1,l2,l3,53,磁路与电路的比较,54,二、铁芯磁路计算方法,磁路计算分为两大类： 给定磁通，求磁动势F。 给定磁动势F，求磁通。 注：电机和变压器设计中的磁路计算通常属于第一种类型的问题。对于第二种类型的问题，一般要用迭代法确定，编程由计算机完成

17、。,55,1、串/并联磁路计算,将磁路分段，保证每段的均匀性，即材料相同、截面积相等； 计算各段磁路的截面积Ax和平均长度l ； 根据给定磁通，由Bx=/Ax 确定各段内的平均磁感应强度（简称磁密）; 由磁密确定对应的磁场强度Hx ； 铁磁材料由基本磁化曲线或相应的数据表格确定，空气隙和非铁磁性材料由Hx=Bx/0。 计算各段磁路上的磁压降Hxlx ； 由磁路基尔霍夫第二定律计算F 。,56,2、自感和互感,自感,自感的大小与匝数的平方和磁路的磁导成正比； 铁心线圈的自感要比空心线圈的大得多； 铁心线圈的电感不是常数，当磁路饱和程度增加时，自感下降。,N 线圈匝数 m自感磁通所经磁路的磁导,5

18、7,互感,N1 -线圈1的匝数 N2 -线圈2的匝数 m-互感磁通所经磁路的磁导,互感的大小与两线圈匝数的乘积和互感磁通所经磁路的磁导成正比。,58,3、交流磁路特点,在磁路计算方法上与直流磁路基本相同； 在磁化特性等方面有自身的特点 ； 铁芯中会产生损耗（磁滞损耗和涡流损耗）； 交流磁路中要考虑外施电压与线圈中感应的反电动势平衡，因而其幅值会比直流磁路中大很多，线圈电阻上的压降相对较小，可忽略不计； 交流磁路中，磁通、电流为交流，存在波形和相位问题。,第1章 导论,电机中的机电能量转换过程,60,机电能量转换示意图,机械系统对于电动机而言是负载，对于发电机而言是原动机； 电气系统对于电动机而

19、言是电源，对于发电机而言是负载； 能量转换过程在某种条件下是可逆的，遵循能量守恒原理； 能量转换过程中，能量表现为四种形态：电能、机械能、磁场储能和热能。,1.6 电机中的机电能量转换过程,61,电机能量平衡关系,机械能Wmec= 磁场储能增量Wm+热能损耗PT电能We “”分别表示发电机和电动机，发电机取“+”，电动机取“ - ”； 热能损耗包括：电阻损耗pCu，铁芯损耗pFe，机械摩擦损耗pmec； （Wmec- pmec ）= （Wm+pFe）（We+pCu）,62,耦合磁场的作用,电机进行机电能量转换的关键是耦合磁场对电气系统和机械系统的作用与反作用； 耦合磁场对电气系统的作用或反作用

20、是通过感应电动势表现出来的； 耦合磁场对机械系统的作用或反作用是通过电磁力或电磁转矩表现出来的； 耦合场即为电机中的气隙场。,第1章 导论,电机的发热和冷却,电机的发热和冷却过程,电机的绝缘材料和允许温升,电机的冷却介质和冷却方式,64,一、电机的发热与冷却过程,均质等温体的发热曲线 均质等温体的冷却曲线 实际电机的发热和冷却过程较均质等温体复杂很多，但图中所示基本规律适用于电机的发热和冷却过程的研究。,1.7 电机的发热与冷却,65,二、电机的绝缘材料和允许温升,工作温度对绝缘材料的寿命有较大影响，若高于极限温度连续运行，寿命会迅速下降。 现代电机中应用最多的是E级和B级绝缘，在重要场合，特

21、别是有缩小尺寸和减轻重量需要时，也常采用F级和H级绝缘。 工程中反映电机发热和散热的指标是温升，而不是温度。,66,三、电机的冷却介质和冷却方式,冷却介质 气体电机中采用的气体冷却介质有空气和氢气等。 液体主要采用水、油等冷却介质。 冷却方式 直接冷却冷却结构复杂，价格昂贵。 间接冷却主要介质是空气。 自然冷却 自扇冷却 他扇冷却,第1章 导论,电机的分析与研究方法,分析步骤,研究方法,68,一、分析步骤,电机内部物理情况的分析建立物理模型。 列出电机的运动方程将物理模型转化为数学模型。 求电机的运行特性和性能确定主要技术数据。,1.8 电机的分析与研究方法,69,二、研究方法,不计磁路饱和时，用叠加原理分析各磁场及其对应的感应电动势；计及饱和时，常把主磁通和漏磁通分开处理。 常采用参数和频率折算方法解决交流电机中由于定、转子绕组匝数不等、相数不等和频率不等的问题。 电机的稳态分析可采用等效电路求解，交流电机还可采用相量图分析。 交流电机的不对称运行可采用双旋转磁场理论和对称分量法。 凸极电机常用双反应理论。 电机的动态分析采用状态方程及坐标变换的方法。,