电机学概述分解

电机学ElectricalMachinery刘黎[e-mail]西南交通大学电气工程学院？？？学什么？为什么学？怎么学？怎么考核？总评成绩：平时10%，实验10%，中期10%，期末考试70%。课程性质及内容课程性质电气工程类专业专业基础课课程特点课程内容（电机原理）集理论性、实用性为一体•变压器：电力变压器•交流电机：感应电机、同步电机•直流电机：直流电动机、直流发电机先修课程相关课程高等数学大学物理电路分析工程力学电磁场理论学习方法1、抓主要问题，有条件地略去一些次要因素；2、抓住重点，牢固掌握基本概念、基本原理和主要特性；3、注重类比方法，分析电机的共性和特点，加深对原理和性能的理解；4、理论联系实际，重视科学实验和工程实践；5、充分预习和复习，认真对待习题。参考书目1.电机学（教材）2.A.E.Fitzgerald等著.刘新正等译.电机学.电子工业出版社，20043.许实章主编.电机学.机械工业出版社，19904.汤蕴璆，史乃主编.电机学.机械工业出版社，19995.电机学相关习题集概述重点与难点：1.了解电机发展概况；2.复习常用基本定律；3.掌握电机常用材料；4.掌握磁路基本定律；5.熟悉电机基本分析方法。第一节电机概况什么是电机？－应用电磁感应原理实现机电能量转换的机械分类–发电机：将机械能转换成电能–电动机：把电能转换成机械能–变压器：将一种电压等级的电能转换成另一种电压等级的电能–控制电机和特种电机电机的用途电力工业（发电机、变压器）－电能的生产、传输、分配•机械、冶金、化学工业（电动机拖动）•运输行业（牵引）•控制系统（控制电机）电机工业的历史与现状—历史1821年，法拉第发现载流导体在磁场中受力1831年，法拉第发现电磁感应定律1884年，世界上第一台直流电动机问世1885年，世界上第一台交流电动机（笼型异步电动机）问世未来电机及其系统发展趋势（图）适应环境系统：清洁化、超低音化剩余寿命诊断技术智能电机全球化长寿命化对应成本硬件技术组合技术超高性能化技术超高速、超小型、轻量超高效率驱动能源有效利用系统组合驱动新电磁模型新市场时间附加值、难易程度第二节相关基本定律全电流定律（安培环路定律）电磁感应定律电磁力定律电路定律牛顿第二运动定律与磁场、磁路相关与等值电路相关与动力学问题相关1、全电流定律（安培环路定律）在磁场中沿任意闭合回路磁场强度的线积分等于穿过该回路所有电流的代数和，即：sldsJdlH式中，电流方向与闭合回路环绕方向符合右手螺旋关系时为正，反之为负。安培环路定律HL1idl2i3i思考对于仅存在载流导体的情况：IdlHl1、全电流定律（安培环路定律）（续）例：按图中顺时针l1、l2取回路有：11221122HlHlNiNi按图中顺时针l1、l3取回路有：113311iNlHlH1i1N2i2N1l1F2F3F2l3l2、电磁感应定律当与线圈交链的磁链Ψ随时间变化时，线圈中将感应电动势e，e的大小等于线圈所交链的磁链对时间的变化率，e的方向符合楞次定律，数学描述为：dtdNdtde（式中N为线圈匝数）(1)线圈感应电动势:(2)运动导体感应电动势：dlBve)(Blve当磁场均匀、导线为直线、且运动方向与磁场和导体三者相互垂直。则：导体在磁场中运动切割磁力线，产生电动势：2、电磁感应定律（续）（方向用右手定则确定）3、电磁力定律（方向用左手定则确定）BlidfdBlif•载流导体在磁场中受力，大小为：•当磁场均匀、导体为直线且导体电流与磁场相互垂直。则：注：旋转电机中，转子导体上电磁力电磁转矩Tem4、电路定律基尔霍夫第二定律（电压定理）KVL:0ieu基尔霍夫第一定律（电流定理）KCL:欧姆定律uRi5、牛顿第二运动定律对平动刚体dtdvmfdtdJT对旋转刚体第三节电机中所用的材料与磁路电机电路部分磁路部分结构部分－结构材料－导电材料、绝缘材料导磁材料－一、电机中所用的材料导电材料：作为电机中的电路，常采用导电性能好的材料，如紫铜或铝绝缘材料：作为带电体之间和铁心间的电气隔离。要求材料介电强度高而且耐热强度好。导磁材料：作为电机中的磁路，常用硅钢片、钢板和铸钢结构材料：使各部分构成整体、支撑和连接其他机械。要求机械强度好、加工方便。常用铸铁、铸钢、铝合金及工程材料二、基本磁路物理量磁场强度H(A/m)磁感应密度(磁密)B(T)磁动势(磁势)F(A)：励磁绕组产生的安匝数F=Ni磁通量(磁通)Φ(Wb)：穿过曲面S的磁通是磁感应密度B的法线分量的面积分sdaBccABB均匀时，磁场强度H与磁感应密度B的关系由材料特性决定B＝μHμ称为材料的磁导率相对磁导率：材料的磁导率与真空磁导率的比值)/104(/700mHr基本磁路物理量（续）•电机中使用的铁磁材料的典型相对磁导率范围：2000－80000三.磁性材料的特性按相对磁导率，将材料分为•非磁性物质：μr约为1•磁性（铁磁）物质：μr远大于1铁磁物质包括铁、镍、钴等和他们的合金铁磁物质在外磁场中呈现磁性大幅度增强的现象非磁性物质非磁性物质分子电流的磁场方向杂乱无章，几乎不受外磁场的影响而互相抵消，不具有磁化特性。非磁性材料的磁导率都是常数，有：此时B与H呈线性关系。OHB0r1B=0H()(I)磁性物质磁性物质特点：磁畴。在外磁场作用下，磁畴方向发生变化，使之与外磁场方向趋于一致，整体显示出磁性来，称为磁化。即磁性物质能被磁化。磁畴外磁场在无外磁场作用时，各个磁畴排列杂乱无章，磁场互相抵消，整体对外不显磁性。磁畴磁性材料的磁性能高导磁性r1磁饱和性当外磁场增大到一定程度时，磁性物质的全部磁畴的磁场方向都转向与外部磁场方向一致，磁化磁场的磁感应强度将趋向某一定值。OHBB0BJB•a•b磁化曲线思考几种常见磁性物质的磁化曲线a铸铁b铸钢c硅钢片O0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0103H/(A/m)H/(A/m)12345678910103B/T1.81.61.41.21.00.80.60.40.2ababcc磁滞现象磁滞回线：磁性材料在交变磁场中反复磁化，其B-H关系曲线形成一条的回形闭合曲线。磁滞现象：磁性材料中磁感应强度B的变化总是滞后于外磁场变化的性质。磁滞回线OHB••••BrHc注：磁性物质不同，其磁滞回线和磁化曲线也不同。铁磁材料分类软磁材料•磁滞回线窄，剩磁Br和矫顽力Hc小•铸铁、钢、硅钢片等•软磁材料的磁导率较高硬磁（永磁）材料•磁滞回线宽、Br和Hc都大的铁磁材料•永磁材料的性能用剩磁Br、矫顽力Hc和最大磁能积（BH）max三项指标表征四.磁路1.磁路的概念：磁通所通过的闭合路径。是以高导磁性材料构成的使磁通被限制在结构所确定的路径之中的一种结构(和电流在电路中被导体所限制是极为相似)。+–NIfNSS直流电机的磁路变压器的磁路0i1u+–11N2N有线圈的铁心中，磁通分成主磁通和漏磁通两部分主磁通：在铁心中通过的绝大部分磁通漏磁通：围绕载流线圈、在部分铁心和铁心周围的空间的少量磁通励磁线圈：用来产生磁场的载流线圈励磁电流：载流线圈中的电流简单磁路的几个概念2、磁路基本定理磁路欧姆定律磁路基尔霍夫第一定律磁路基尔霍夫第二定律磁路欧姆定理对于等截面、磁密分布均匀、材料一致的简单磁路假设磁通为Φ，磁动势为F=Ni，磁路截面积为A，磁路平均长度为lABdaBsABABH1AllHiNF11N2Ni1u+–lHUmAlRm1mmRU磁位降磁阻磁路基尔霍夫定律磁路基尔霍夫第一定律：穿过任意闭曲面的总磁通恒等于零SdSB0磁路基尔霍夫第二定律：沿任意闭合磁路的总磁动势恒等于各段磁路磁位降的代数和csdaJdlHiimimimiiiiURlHFiimimimiiiiURlHNiF0磁路与电路的比较磁路磁通势F磁通磁阻电路电动势E电流密度J电阻磁感应强度B电流IAlmRAlNIRFmAlRAlEREINI+_EIR4.直流磁路的分析计算分析计算类型:•给定磁通，按照磁路各段的尺寸和材料，求需要的磁通势F=NI，确定线圈匝数和励磁电流。•给定励磁磁动势求磁通（逆问题）（课内不讨论）磁路分析的特点(1)在分析磁路时离不开“磁场”的概念；(2)在处理电路时一般可以不考虑漏电流，在处理磁路时一般都要考虑漏磁通；(3)磁路欧姆定律和电路欧姆定律只是在形式上相似。由于不是常数，其随励磁电流而变，磁路欧姆定律不能直接用来计算，只能用于定性分析；(4)在电路中，当E=0时，I=0；但在磁路中，由于有剩磁，当F=0时，不为零；基本步骤:（由磁通求磁通势F=NI）(1)分段，求各段磁感应强度Bi各段磁路截面积不同，通过同一磁通，故有：nnSBBSB,...,S,2211(2)求各段磁场强度Hi根据各段磁路材料的磁化曲线Bi=f(Hi),求B1，B2，……相对应的H1，H2，……。(3)计算各段磁路的磁压降（Hili）(4)根据下式求出磁通势（NI）niiilHNI1例1:一个具有闭合的均匀的铁心线圈，其匝数为300，铁心中的磁感应强度为0.9T，磁路的平均长度为45cm，试求：(1)铁心材料为铸铁时线圈中的电流;(2)铁心材料为硅钢片时线圈中的电流。解：（1）查铸铁材料的磁化曲线，5.1330045.09000NHlIA(2)查硅钢片材料的磁化曲线，当B=0.9T时，A390300450260..NHlIB=0.9T时磁场强度H=9000A/m，则磁场强度H=260A/m，则结论：如果要得到相等的磁感应强度，采用磁导率高的铁心材料，可以降低线圈电流，减少用铜量。如线圈中通有同样大小的电流0.39A，则铁心中的磁场强度是相等的，都是260A/m。查磁化曲线可得，在例1(1)，(2)两种情况下，如线圈中通有同样大小的电流0.39A，要得到相同的磁通，铸铁材料铁心的截面积和硅钢片材料铁心的截面积，哪一个比较小？【分析】B硅钢是B铸铁的17倍。因=BS，如要得到相同的磁通，则铸铁铁心的截面积必须是硅钢片铁心的截面积的17倍。B铸铁=0.05T、B硅钢=0.9T,结论：如果线圈中通有同样大小的励磁电流，要得到相等的磁通，采用磁导率高的铁心材料，可使铁心的用铁量大为降低。查铸钢的磁化曲线，B=0.9T时，磁场强度H1=500A/m例2:有一环形铁心线圈，其内径为10cm，外径为5cm，铁心材料为铸钢。磁路中含有一空气隙，其长度等于0.2cm。设线圈中通有1A的电流，如要得到0.9T的磁感应强度，试求线圈匝数。解:空气隙的磁场强度A/m102.71049.057000BHcm390.2-2391.ll铸钢铁心的磁场强度，铁心的平均长度磁路的平均总长度为cm23921510.l对各段有A16351951440110lHHNIA144010201027250..HA1951039500211lH总磁通势为163511635ININ线圈匝数为磁路中含有空气隙时，由于其磁阻较大，磁通势几乎都降在空气隙上面。结论：当磁路中含有空气隙时，由于其磁阻较大，要得到相等的磁感应强度，必须增大励磁电流（设线圈匝数一定）。(1)交流磁路中，激磁电流是交流，因此磁路中的磁动势及其所激励的磁通均随时间而交变，但每一瞬时仍和直流磁路一样，遵循磁路的基本定律；(2)就瞬时值而言，通常情况下，可以使用相同的基本磁化曲线；(3)磁通量和磁通密度均用交流的幅值表示，磁动势和磁场强度则用有效值表示。5、交流磁路的分析特点(1)磁通量随时间交变，必然会在激磁线圈内产生感应电动势；(2)磁通量随时间交变，必然会在铁心中产生铁心损耗。(3)磁