电机学课件(华中科技大学出版社)

电机学第一章导论1.电机的定义2.电机的分类及作用3.电机中的基本电磁关系4.电机中的铁磁材料特性5.磁路基本定律及计算方法6.电机的机电能量转换过程7.总结电机：依据电磁感应定律和电磁力定律实现机电能量转换和信号传递与转换的装置什么是电机？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电机的定义电机的分类电机静止的电气设备——变压器旋转电机交流电机直流电机直流发电机直流电动机同步电机异步电机同步发电机同步电动机异步电动机异步发电机使用中的变压器水轮发电机电动机汽轮发电机组电机类型电能的生产、传输和分配返回返回驱动生产装置和机械控制系统和智能化装置的重要元件返回电机的作用电机电能的生产、传输和分配控制系统和智能化装置的重要元件驱动生产机械和装置发电机、变压器电动机控制电机电机中的基本电磁定律1.全电流定律lIdlH321'IIIIdlHdlHll电机中的基本电磁定律2.电磁感应定律dtdNdtdedxxdttd变压器电动势运动电动势xNvtNe电机中的基本电磁定律变压器电动势tsinm)(90tsinEtcosNemmmmmm44fN4fN22N2EE.变压器电动势的方向可根据楞次定律来判断运动电动势eBv电机中的基本电磁定律bxxndBl)(nnnBNvlbxBxBNvle)()(电机中的基本电磁定律3.电磁力定律BdlidFFBliFBfiBlirFrTs)21sBNlir(BTM1jcjemMNBliDTT铁磁材料的特性铁磁材料包括铁、钴、镍以及它们的合金1.铁磁材料的导磁率HB1.所有非导磁材料的磁导率均为常数，接近真空磁导率2.铁磁材料的磁导率远大于非导磁材料的磁导率3.铁磁材料的磁导率在较大范围内变化，铁磁材料是非线性的70104H/m铁磁材料的特性在外磁场的作用下，铁磁材料内部的磁筹重新排列，使得内部磁效应不能抵消，因而在宏观上对外显示磁性。铁磁材料的特性铁磁材料磁化过程oa段：H较弱，B缓慢增加ab段：H较强，B迅速增加bc段：H继续加强，B增加变慢（饱和段）c－段：H继续加强，B增加缓慢（深度饱和段）铁磁材料的特性2.磁滞与磁滞损耗VfBKpmhh磁滞损耗：P18~19铁磁材料的特性3.涡流与涡流损耗12VBdfKp2m222w4.交流铁心损耗铁磁材料的特性2m501FeB50fpp/公式中各量纲见P20磁路基本定律及计算方法磁路基本定律欧姆定律FRFAlNimm)/(基尔霍夫第一定律0基尔霍夫第二定律mRHlNiF磁路的欧姆定律ANiNiHldlHFRFAlNimm)/(AlRm/BHAB/磁阻lARmm1磁导磁路的基尔霍夫第一定律213ANi00321321定律内容:穿出(或进入)任一闭和面的总磁通量恒等于零(或者说，进入任一闭合面的磁通量恒等于穿出该闭合面的磁通量)，这就是磁通连续性定律。磁路的基尔霍夫第二定律定律内容:沿任何闭合磁路的总磁动势恒等于各段磁路磁位降的代数和。3311111lHlHFiNdlH22112211221121mmRRlHlHiNiNFF111111/ABH333333/ABH3311333311111mmRRAlAlF1111AlRm3333AlRmmRHlNiF磁路基本定律及计算方法磁路与电路的主要区别电路磁路电阻率恒定导磁率变化电压、电流线性磁势、磁通非线性不存在饱和现象有磁路饱和磁路和电路的比拟仅是一种数学形式上的类似、而不是物理本质的相似。电路磁路电流I磁通Φ电动势E磁动势F电压降IE磁压降ΦRm电阻R磁阻Rm电导g＝1/R磁导Λm=1/Rm基尔霍夫第一定律Σi＝0基尔霍夫第一定律ΣΦ＝0基尔霍夫第二定律ΣU＝Σe基尔霍夫第二定律ΣHl＝ΣNI欧姆定律I＝U/R欧姆定律Φ＝Um/Rm磁路基本定律及计算方法铁心磁路计算是电机分析和设计过程中的一项重要工作已知磁通确定磁动势已知磁动势确定磁通磁路基本定律及计算方法1.串联磁路计算将磁路分段，保证每段磁路的均匀性计算每段磁路的截面积和等效长度根据给定磁通，确定每段磁路磁密由磁密确定每段磁路的磁场强度计算每段磁路的磁压降由基尔霍夫第二定律计算磁动势磁路基本定律及计算方法计算实例已知数据：1.硅钢片的磁化曲线2.铁心尺寸：24m109A3m0l,.3.气隙尺寸：m100.5-44.线圈砸数：N＝5005.给定磁通：Wb109.9-4计算数据：1.励磁磁动势F2.励磁电流I磁路基本定律及计算方法将磁路分为铁心段和气隙段24m109A3m0l,.m100.5-424m109A3m0l,.铁心段的磁场强度，由磁化曲线查得：m493AHFe/mA1075810411BH570/././6A585HlHFFe.1.17AF/NI1.1T/AB磁路基本定律及计算方法第二类问题求解：给定磁动势大小，求磁通和磁密假定一个磁通值，计算出相应得磁动势，迭代完成假定一个磁通φ’计算出磁动势F’重新假定φ’||'FFYN'磁路基本定律及计算方法2.并联磁路计算将磁路分段，保证每段磁路的均匀性计算每段磁路的截面积和等效长度列出节点方程和电压方程求解确定每段磁路磁密和磁场强度计算磁动势磁路基本定律及计算方法计算实例已知数据：2421m106AA5m0ll21.243m1010A07m02l3.m1010-4Wb101043350AF1求：励磁磁动势F2磁路基本定律及计算方法磁路分段HlHlHHlF332220T1ABB333./03BHm383AH//2A133HlH33.HlHlHHlF33111HlHFlH33111m6A433H1/.052T1B1.312Wb6AB111.Wb106934132.615T0AB222./m185AH2/7A225HlHlHF33222.3.交流磁路的特点磁路基本定律及计算方法1.交流磁路存在磁滞损耗和涡流损耗2.交流磁路中电压平衡关系中比直流磁路多了感应电动势3.交流磁路存在交流磁通，电流的波形和相位问题电机中的机电能量转换过程1.理想模型ilviBNeiPneFliBNFnlviBNFvPnmecemecPP2.实际机电能量转换系统电机中的机电能量转换过程发电机电动机电机中的机电能量转换过程eTmmecWpWWP33电机中的机电能量转换过程mecFecuTpppp)()()(cueFemmecmecpWpWpWP34电机中的机电能量转换过程电磁转矩和电磁功率在机电能量转换中起重要用，而它们都是通过气隙磁场的作用而产生电磁功率电磁转矩总结第一节磁路的基本定律•机电能量转换的媒介是磁场，磁场的路径称为磁路。在工程中，通常将磁场问题简化为磁路问题。•电机是进行机电能量转换的装置一.磁场的几个常用量磁感应强度（又称磁通密度）B——表征磁场强弱及方向的物理量。单位：Wb/m2磁通量Φ——垂直穿过某截面积的磁力线总和。单位：Wb磁场强度H——计算磁场时引用的物理量。B=μH，单位：A/m磁通所通过的路径称为磁路二.磁路的概念三、磁路的基本定律1、安培环路定律沿任何一条闭合回线L，磁场强度H的线积分等于该闭合回线所包围的电流的代数和如果在均匀磁场中，沿着回线L磁场强度H处处相等，则NiHL2、磁路的欧姆定律作用在磁路上的磁动势F等于磁路内的磁通量Φ乘以磁阻RmLilHd磁通量Φ等于磁通密度乘以面积BAABd磁场强度等于磁通密度除以磁导率/BH于是)/(/AllBNimRF3、磁路的基尔霍夫定律（1）磁路的基尔霍夫电流定律03210或（2）磁路的基尔霍夫电压定律mm22m11221131kkkRRRHlHlHlHNi磁路和电路有相似之处，却要注意有以下几点差别：1）电路中有电流I时，就有功率损耗；而在直流磁路中，维持一定磁通量，铁心中没有功率损耗。2）电路中的电流全部在导线中流动；而在磁路中，总有一部分漏磁通。3）电路中导体的电阻率在一定的温度下是恒定的；而磁路中铁心的导磁率随着饱和程度而有所变化。4）对于线性电路，计算时可以用叠加原理；而在磁路中，B和H之间的关系为非线性，因此计算时不可以用叠加原理。第二节常用铁磁材料及其特性一、铁磁物质的磁化在外磁场的作用下，磁畴顺着外磁场方向转向，排列整齐，显示出磁性。二、磁化曲线和磁滞回线1、起始磁化曲线将一块未磁化的铁磁材料进行磁化，当磁场强度H由零逐渐增加时，磁通密度B将随之增加。用B=f(H)描述的曲线就称为起始磁化曲线。2、磁滞回线剩磁——当H从零增加到Hm时，B相应地从零增加到Bm；然后再逐渐减小H，B值将沿曲线ab下降。当H=0时，B值并不等于零，而是Br。这就是剩磁。磁滞回线——当H在Hm和－Hm之间反复变化时，呈现磁滞现象的B－H闭合曲线，称为磁滞回线。3、基本磁化曲线对同一铁磁材料，选择不同的Hm反复磁化，得到不同的磁滞回线。将各条回线的顶点连接起来，所得曲线称为基本磁化曲线。三、铁磁材料1、软磁材料2、硬磁材料四、铁心损耗1、磁滞损耗——材料被交流磁场反复磁化，磁畴相互摩擦而消耗的能量。2、涡流损耗——铁心内部由于涡流在铁心电阻上产生的热能损耗。3、铁心损耗——磁滞损耗和涡流损耗之和。第三节直流磁路的计算磁路计算正问题——给定磁通量，计算所需的励磁磁动势磁路计算逆问题——给定励磁磁势，计算磁路内的磁通量磁路计算正问题的步骤：1）将磁路按材料性质和不同截面尺寸分段；2）计算各段磁路的有效截面积Ak和平均长度lk；3）计算各段磁路的平均磁通密度Ak，Bk=Φk/Ak；4）根据Bk求出对应的Hk；5）计算各段磁位降Hklk，最后求出F=∑Hklk。磁路计算逆问题——因为磁路为非线性的，用试探法。第四节交流磁路的特点交流磁路除了会在铁心中产生损耗外，还有以下两个效应：1）磁通量随时间变化，在励磁线圈中产生感应电动势。2）磁饱和现象会导致电流、磁通和电动势波形畸变。本章作业：1.1~1.7本章主要讨论直流电机的基本结构和工作原理，讨论直流电机的磁场分布、感应电动势、电磁转矩、电枢反应及影响，从应用角度分析直流发电机的运行特性和直流电动机的工作特性。第二章直流电机2.1概述与异步电动机相比，直流电动机的结构复杂，使用和维护不如异步机方便，而且要使用直流电源。直流电机的优点：（1）调速性能好:调速范围广，易于平滑调节。（2）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。（3）易于控制。应用：（1）轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等调速范围大的大型设备。（2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。（3）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具2.1.1直流电机的主要结构2.1直流电机的基本工作原理和结构主磁极换向磁极电刷装置机座端盖定子转子电枢铁心电枢绕组换向器转轴轴承直流电机具体结构参看P462.1.2直流电机的工作原理2.1直流电机的基本工作原理和结构一、直流发电机工作原理右图为直流发电机的物理模型，N、S为定子磁极，abcd是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或电枢。线圈的首末端a、d连接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上。转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动的电刷进行的。2.1.2直流电机的工作原理2.1直流电机的