电机学Ch1-GT.

1学习电机课程的目的：什么是电机？我们周围有哪些电机？它有什么用处？怎样分析和使用各种各样的电机？宫金武[e-mail]2教材:电机学辜成林陈乔夫熊永前编,华中科技大学出版社2010年第3版.教学参考书:1.胡虔生、胡敏强、杜炎森.电机学.中国电力出版社，2001.2.A.E.Fitzgerald,CharlesKingsley,Jr.StephenD.Umans，ElectricMachinery(SixthEdition)，McGrawHill,清华大学出版社，2003.3.汤蕴璆、史乃主编，电机学，机械工业出版社，1999.4.许实章，电机学，机械工业出版社，1990.电机学ElectricMachinery第1章导论1.了解电机的作用与电机学的任务2.掌握基本电磁定律3.掌握铁磁材料的磁化特性4.培养学生对电机课的兴趣第1章导论电机中的基本电磁定律电机的基本概念电机的分类电机中使用的材料涡流与涡流损耗铁耗铁磁材料特性铁磁材料的磁导率磁滞与磁滞损耗磁化曲线全电流定律电磁感应定律电磁力定律磁路基本定律及其计算方法磁路基本定律自感和互感磁路计算方法概述51.1概述一、电机的基本概念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转换或信号传递与转换的装置。e=Blvf=Bli机械能电能电路磁路广义言之，电机可泛指所有实施电能生产、传输、使用和电能特性变换的机械或装置。6二、电机的分类按运动方式分类按功能分类电机电机7现代电力系统中的各种电机广义言之，电机可泛指所有实施电能生产、传输、使用和电能特性变换的机械或装置。89风力发电机群10西门子1000KV/800MVA变压器11各行业广泛使用电动机永磁直流无刷直流电动机外形图12三、电机中使用的材料①导电材料：构成电机中的电路系统，为了减少损耗，要求材料的电阻率小，常用的有紫铜和铝②导磁材料：硅钢片。构成磁路。③结构材料：铸铁、铸钢和钢板。承受力。④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。AEBFHC105℃120℃130℃155℃180℃180℃以上131.2铁磁材料特性一、铁磁材料的磁导率磁导率的定义=B/H非铁磁材料的磁导率≈0=4π×10-7H/m为常数铁磁材料的磁导率Fe①Feμ0②Fe为非常数，随B的变化而变化③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。14所有非导磁材料的磁导率都是常数，并且都接近于真空磁导率μ0，μ0=4π×10-7H/m。但铁磁材料却是非线性的，即其中B与H的比值不是常数，磁导率μFe在较大的范围内变化，而且数值远大于μ0，一般为μ0的数百乃至数千倍。对电机中常用的铁磁材料来说，μFe在2000μ0～6000μ0之间。因此，当线圈匝数和励磁电流相同时，铁心线圈激发的磁通量比空心线圈的大得多，从而电机的体积也就可以减小。HB15二、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)。16三、磁滞与磁滞损耗磁滞概念剩磁矫顽力磁滞回线不同铁磁材料有不同的磁滞回线，且同一铁磁材料，Bm愈大，磁滞回线所包围的面积也愈大。17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18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。19铁磁材料之所以有高导磁性能，依磁畴假说，从微观角度看，就在于铁磁材料内部存在着很多很小的具有确定磁极性的自发磁化区域，并且有很强的磁化强度，就相当于一个个超微型小磁铁，称之为磁畴。磁化前磁化后20四、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I2R损耗称为涡流损耗。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。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。21五、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。铁耗pFe∝fβBm2。其中1＜β＜2，β与材料性质有关。221.3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。电流是产生磁场的源。321IIIldHldΗllGNSab一、电磁感应现象GNSab一、电磁感应现象GNSab一、电磁感应现象GNSab一、电磁感应现象GNSab一、电磁感应现象GNSabSN一、电磁感应现象GNSabSNR12εGmΦ当回路1中电流发生变化时，在回路2中出现感应电动势。SSmcosdSBSdBB变化S变化变化SNGNSabiI当通过一个闭合导体回路所包围面积内的磁通量发生变化时，回路中就会产生感应电流。结论这一现象称为电磁感应。电流方向？31二、电磁感应定律只要与线圈交链的磁链Ψ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Ψ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dtdΦNdtdΨe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。对于长直载流导体，若磁场与之垂直，则计算电磁力大小的公式为F=Bli。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的关系由左手定则确定。普通电机中，l通常沿轴线方向，而B沿径向方向。331.4磁路基本定律及其计算方法一、磁路基本定律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。磁动势F=Ni磁阻Rm=l/(A)l为磁路的长度A为铁心截面积磁导Λm=1/Rm磁路欧姆定律：Φ=F/Rm铁磁材料的磁阻随饱和程度的提高而增加34磁路基尔霍夫第一定律ΣΦ=0图示的有分支磁路：Φ1+Φ2=Φ3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。35磁路基氏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①：H1l1+H3l3=N1i1回路②：-H2l2-H3l3=-N2i2回路③：H1l1-H2l2=N1i1-N2i2ΣF=ΣNi=ΣHl=ΣΦRm36磁路与电路的比较磁路电路磁通Φ电流i磁动势F电动势e磁阻Rm电阻R磁压降Hl电压降u磁导Λm电导G欧姆定律Φ=F/Rm欧姆定律i=u/R基氏第一定律ΣΦ=0基氏第一定律Σi=0基氏第二定律ΣF=ΣHl=ΣΦR基氏第二定律Σe=Σu=ΣiR37磁路和电路的对比38二、磁路计算方法给定磁通Φ求磁动势F。给定磁动势F求磁通Φ。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。磁路欧姆定律39三、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。m2mm)()(NiNiNiFNiNΦiΨLN——线圈匝数Λm——自感磁通所经磁路的磁导40②互感m211m1121m121212121)()(NNiiNNiFNiΦNiΨMN1----线圈1的匝数N2----线圈2的匝数Λm----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。41电机的发热与冷却一、电机的发热：任何机械装置工作了一段时间后，都会出现发热的现象，我们已经学过了电工和大物，那么，很显然，这是损耗的出现所导致的结果。1、温升：电机的温度在工作了一段时间后不在上升而达到某一稳定数值，此值和周围冷却介质温度之差，我们称之为温升。电机的温升不仅取决与损耗的大小和散热情况，还与电机的工作方式有关。422.定额：制造厂按国家标准的要求对电机的全部电量和机械量的数值以及运行的持续时间和顺序所做的规定称为电机的定额，（既电机的工作方式）。1）连续定额2）短时定额3）周期工作定额二、电机的冷却：电机的冷却快慢直接决定了电机的寿命和额定容量。1）冷却介质：空气，氢气，水和油2）冷却方式：外部冷却和内部冷却。现代巨型电机均采用内部冷却方式。43学习电机课的重点内容1.各种概念和新名词：磁滞概念，剩磁，矫顽力磁滞回线。。。。。。。2.电机的分类：3.各种电机的组成部分及结构特点4.各种电机的工作原理5.各种电机的额定参数及其物理含义6.各种电机的等效电路及方程式7.各种电机的启动、调速、制动等特性8.各种电机的运行曲线、效率曲线44电机的分析研究方法分析步骤虽然电机的种类很多，分析研究方法也各有特点，但其基本步骤和基本方法还是有很多共同之处的，尤其是对旋转电机。下面综合介绍旋转电机的分析步骤和研究方法。①电机内部物理情况的分析。这一步主要是分析空载和负载运行时电机内部的磁动势和磁场，建立物理模型。45②列出电机的运动方程。利用电磁感应定律和电磁力定律，即可求出各个绕组内的感应电动势和作用在转子上的电磁转矩；再利用基尔霍夫定律、全电流定律、牛顿定律和能量守恒原理，可列出各个绕组的电动势方程式以及电机的磁动势方程式、转矩方程式和功率方程式。这些方程统称为电机的运动方程。这一步的工作就是把物理模型变为数学模型。电机的运动方程除了可用上述传统方法建立外，还可以用汉密尔顿原理通过变分法建立，或直接应用机电动力系统的拉格朗日麦克斯韦方程列写。46③求电机的运行特性和性能。列出运动方程后，求解这些方程，即可确定电机的运行特性和一些主要的技术数据。对于动力用电机，在稳态运行特性中，发电机以外特性为最重要，而电动机则以机械特性为最重要。发电机的外特性是指负载电流变化时，端电压的变化曲线u=f(iL)；而电动机的机械特性是指电磁转矩变化时，转速的变化曲线n=f(Tem)。此外，电机的效率、功率因数、温升、过载能力等指标也很重要。暂态运行时，还要考虑电机的稳定性、暂态电流和暂态电磁转矩等。对于控制电机，则要考察其快速响应能力、精确度和控制性能等指标。47研究方法在分析电机内部磁场并建立和求解电机运动方程时，常规方法有：①不计磁路饱和时，用叠加原理分析电机内的各个磁场和气隙合成磁场以及与磁场一一对应的感应电动势。考虑饱和时，常把主磁通和漏磁通分开处理，主磁通用合成磁动势和主磁路的磁化曲线确定，漏磁通则以等效漏抗压降方式处理，在列写电动势平衡方程式时考虑。②在解决交流电机中由于定、转子绕组匝数不等、相数不等、频率不等而引起的困难时，常采用参数和频率折算方法进行等效处理。48③各种电机都有对应的等效电路分析模型，一般电机的稳态分析均可归结为等效电路的求解，交流电机还要应用相量图分析方法