华北电力大学电机学课件(全1)

绪论2(Introduction2)电机中的能量转换与磁路（EnergyConversionandMagneticCircuitinElectricalMachines）0.3与磁路相关的基本物理定律;（BasicPhysicsLawrelatedtoMagneticCircuit）0.4铁磁材料及其特性.（FerromagneticMaterialsandTheirMagnetizationCharacteristics）0.2电机中的能量转换与磁路;（EnergyConversionandMagneticCircuitinElectricalMachines）主要内容（Content）电机中能量转换的两个实例（Twoexamples）Coretypetransformer(心式变压器)☆变压器(Transformers)§0.2电机中的能量转换与磁路（EnergyConversionandMagneticCircuitinElectricalMachines）Shelltypetransformer(壳式变压器)1N2N2i1i2i1i1N2N(a)Schematicdiagramofcoretypetransformer(心式变压器示意图)(b)Schematicdiagramofshelltypetransformer(壳式变压器示意图)☆心式与壳式变压器(TwoTransformers)同步发电机工作原理(OperationPrincipleofSynchronousGenerator)(b)发电机(Generator)同步电机机械能到电能转换过程(EnergyConversionProcedureofSynchronousGenerator)发电机工作原理动画(AnimationforthePrincipleofGenerator)励磁绕组中有直流电流流过，在发电机运行时，转子轴由于外力的驱动而旋转，从定子绕组出线端就可以向外部电路输出电能。SchematicDiagramofGeneratorMainPartCoreofStator定子铁心WindingofStator定子绕组CoreofRotor转子铁心WindingofRotor转子绕组发电机主体部分的示意图(SchematicDiagramofGeneratorMainPart)nNS1W2W0.2.2能量转换装置中的磁场与磁路(MagneticFieldandMagneticCircuit)i1输入电能InputEnergy电能ElectricEnergy磁场电气回路电气回路输出电能OutputEnergyi2电能ElectricEnergy变压器实现能量传递条件：两个线圈被磁场耦合起来。(Conditionforenergyconversion:Twowindingscoupledwithmagneticfield.)单相变压器(Single-phaseTransformer)转子(Rotor)定子绕组(Statorwinding)定子铁心(Statorcore)电端口(Electricport)ABC旋转电机能量转换端口(EnergyConversionportofRotatingMachine)机械端口(Mechanicalport)磁场机械承力部件电气回路机械能MechanicalEnergy电能ElectricEnergy在发电机中，机械能转换为电能，一个重要条件也是因为其中存在一个耦合磁场(Coupledmagneticfield)。旋转电机耦合场(CoupledFieldofRotatingMachine)电机、变压器磁场最重要的一个物理量是磁通。磁通所通过的路径就是磁路。(MagneticCircuitisthepathformagneticfluxtopassthrough)磁路主要由铁磁材料构成，称为铁心磁路。变压器与发电机磁路的形成（MagneticCircuit）发电机磁极单独存在时不构成磁路发电机磁极与定子铁心构成的磁路有线圈有铁心才能构成磁路有线圈没有铁心时不构成磁路§0-3.与电机磁路相关的基本电磁定律0.3.1与磁路相关的基本物理量(PhysicalQuantitiesRelatedtoMagneticCircuit)a.磁场强度H[A/m](MagneticFieldIntensity,H,[A/m])2iHr注意！磁场强度的大小在铁磁材料中，并不代表磁场强弱。只有它与磁导率之积才能反映磁场的强弱。（BasicPhysicsLawRelatedtoMagneticCircuit）a.磁场强度H[A/m]2iHrHliHl——磁压降上面是铁环,下塑料环.磁通密度则分别为:0HFeH与(MagneticFieldIntensity,H,[A/m])因为是的数千倍，所以，铁环中的磁密与磁通是塑料环中的数千倍。(Forisseveralthousandtimesof,themagneticdensityandmagneticfluxinironringareseveralthousandtimesofthoseinplasticsring.)Fe0Fe0FNi—磁动势(MagnetomotiveForce)b.磁感应强度B（磁通密度）(IntensityofMagnetization/DensityofMagneticflux)描述磁场强弱及方向的物理量。单位(Unit)：特斯拉（T）[T,Gs]，1Gs=10-4Tc.磁通量φ(MagneticFlux)(垂直)穿过截面S的磁力线根数。在均匀磁场，且B与S垂直时，有单位：韦伯（Wb）[Wb,Mx]1Mx=10-8WbBS.SBdSd.磁导率μ(MagneticPermeability)磁导率μ表示物质导磁能力的大小。μ为磁导率，其单位为H/m磁场强度的单位为A/m真空的磁导率H/mBH70410铁磁物质：铁、钴、镍及其合金(FerromagneticMaterials:iron,cobalt,nickelandtheiralloy）非铁磁物质：空气、水、油、铜、铝(NonferrousMaterials)电机、变压器的磁路通常由磁导率达到数千倍0的铁与硅合金构成，它被制成厚度为0.5mm或者更薄的硅钢片。(Siliconsteelsheet)0.3.2全电流定律（安培环路定律）(AmpereCircuitalTheorem)逻辑：能量转换需要磁场要转换很大的功率，需要很多的磁通磁场由激磁电流产生，希望以小的激磁电流产生较多的磁通。首要问题是:研究激磁电流与磁路中磁通的关系：（1）全电流定律描述H-i之间关系（2）磁路欧姆定律描述磁通与电流的关系(AmpereCircuitalTheoremdescribestherelationbetweenHandi)(Magneticcircuitlawdescribestherelationbetweenfluxandcurrenti)1)简化形式的全电流定律(SimpleformofAmpereCircuitalTheorem)N为线圈匝数，H为回线上各点的磁场强度。:作用在磁路上的安匝数（磁路磁动势）,单位A。Ni2NiHR对于左下角的螺绕环磁路，设圆形回线l1与环的中心圆重合，则有:1liR螺线管solenoid1)简化形式的全电流定律全电流定律：磁场强度与回线长度的乘积等于该回线所包围的总安匝数。2NiHR1liR螺线管solenoid注意条件：沿回线长度各点磁场强度相等，且方向与回线方向相同。上式实际上只适合于回线正方向为顺时针的情况！简化形式的全电流定律---Ni=Hl(SimpleformofAmpereCircuitalTheorem)对于右下角的单相变压器铁心磁路，设回线l1与铁心中心线重合，方向如图，则可以认为:回线l1各点磁场强度近似相等,且方向与回线l1相同,于是得到:单线圈铁心磁路(Magneticcircuitwithsinglewinding)NiHlN为线圈匝数，H为回线上各点的磁场强度。全电流定律：磁场强度与回线长度的乘积等于该回线所包围的总安匝数。其中:F=Ni——磁路的总磁动势HFelFe——铁心上的磁压降Hδδ——气隙上的磁压降若磁回路中存在气隙，当气隙长度δ远远小于铁心截面的边长时，铁心和气隙中分别为近似均匀磁场，则:讨论1磁路包含气隙时的全电流定律(Discussion1AmpereCircuitalTheoremwithairgapinmagneticcircuit)带气隙的铁心磁路(Magneticcircuitwithairgap)NFeFeFNiHlH可见，总磁势等于各段磁压降之和。当磁路由k段均匀磁路串联时有kkHli对于该图所示电流方向，上式两项均取正号。对于一般的情况需要仔细判断各线圈电流的方向，以便正确选择磁势求和的正负号。对于下图所示铁心上绕有匝数分别为与两个绕组，分别通入电流与的情况，作用于磁路上的总磁动势则为两个线圈安匝数的代数和，于是有:1N2N1i2i1122FNiNiHl多线圈铁心磁路Magneticcircuitwithmultiplewindings讨论2磁路包含两个线圈时的全电流定律(Discussion2AmpereCircuitalTheoremwithtwowindings)安培环路定律:沿空间任意条闭合回路，磁场强度H的线积分等于该闭合回路所包围的电流的代数和。(AmpereCircuitalTheorem:Thelineintegralofmagneticintensity,withrandomloopinspace,isequaltothealgebraicsumofcurrentencircledbytheloop.)i3lHdli2i1注：若i与l符合右手螺旋关系，取正号，否则取负。其中大拇指所指为i的方向，四指为l方向。123()iiilHdlirrÑ2）全电流定律一般形式(GeneralformofAmpereCircuitalTheorem),BA由于B=μH1）均匀磁路的欧姆定律(Ohm’sLawforuniformmagneticcircuit)0.3.3磁路的欧姆定律与电感(Ohm’sLawforMagneticCircuitandInductance)得FeFeBlNiFlA全电流定理仅仅给出磁场强度与磁势之间关系，电机分析中更需要i-f关系。根据安培环路定律简化形式，通过定义磁阻及磁导，可以得到描述磁动势与磁通关系的磁路欧姆定律。于是得到i-f关系。FeFeBlNiFlA磁路欧姆定律mFRmF或则上式可写为：欧姆定律：作用于磁路上的磁动势等于磁阻乘以磁通。(Ohm’sLaw:Themagnetomotiveforceinthemagneticcircuitisequaltotheproductofmagneticresistanceandmagneticflux.)定义：mlRS:磁路的磁阻,A/Wb(magneticresistance)mR定义：1mmSRl:磁路的磁导，Wb/A(permeance/magneticconductance)m1)引入磁动势,磁阻,磁导有什么作用?2)磁导与哪些因素有关?3)从磁路欧姆定律出发，磁通的大小受哪些因数的影响？思考(Ponder):又知道线圈的磁链(magneticfluxlinkage)与电流的关系:NLi22mALNNl结论：电感等于线圈匝数的平方和磁路磁导的乘积。讨论:影响电感大小的因素()mmFNi已知2)线圈的电感(Inductance)得到电感与线圈匝数和磁导的关系2mNNi随着铁心磁路饱和的增加，铁心磁导率µFe减小，相应的磁导、电抗也要减小。2