第1章-电机学基础知识

weipeiyu制作2020年6月3日星期三山东理工大学电工电子教研室1第1章电机学基础知识1.1电机的基本功能与主要类型1.3电机的制造材料1.2电机的基本原理weipeiyu制作2020年6月3日星期三山东理工大学电工电子教研室21.1电机的基本功能与主要类型一、按照能量转换和信号传递所起的作用分类1.发电机将机械能转换为电能。2.电动机将电能转换为机械能。3.变压器、变流器、变频机、移相器变换电压、电流、频率、相位。4.控制电机作为自动控制系统的控制元件，起检测、放大、执行和校正作用。电机定义：是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置。weipeiyu制作2020年6月3日星期三山东理工大学电工电子教研室3二、按运动方式及电源性质分类电机静止电机-----------------变压器旋转电机直流电机交流电机异步电机同步电机控制电机直流发电机直流电动机异步发电机异步电动机同步发电机同步电动机电机与电力拖动的发展概况weipeiyu制作2020年6月3日星期三山东理工大学电工电子教研室41.电与电机的发展概况三、电、电机与电力拖动的发展史在公元585年，泰勒斯发现了摩擦起电；1672年格里凯解释了摩擦起电；1746年荷兰的莫伸布洛克在莱顿镇制造了莱顿瓶；1752年美国的富兰克林解释了雷和电的关系。十八世纪末和十九世纪初，由于生产发展的需要，在电磁方面的研究工作发展的很快。1785年库仑首先从实验室中确定了电荷间的相互作用力，即库仑定律，使电荷的概念开始有了定量的意义。电机与电力拖动的发展概况weipeiyu制作2020年6月3日星期三山东理工大学电工电子教研室51820年丹麦的奥斯特从实验室中发现了电流对磁针有力的作用，揭开了电学理论新的一页；同一年德国的安培确定了通过有电流的线圈其作用与磁铁相似，这指出了磁现象的本质问题；1826年德国的欧姆在通过实验而得出欧姆定律；电机与电力拖动的发展概况1831年英国的法拉第发现电磁感应定律，为研制各种电机奠定了重要的理论基础；法拉第与最早的发电机——法拉第盘weipeiyu制作2020年6月3日星期三山东理工大学电工电子教研室61832年皮克斯在电磁感应理论的指导下，制造了第一台发电机；电机与电力拖动的发展概况1833年楞次建立了确定感应电流方向的原则；皮克斯发明的直流发电机其后他致力于电机理论的研究并阐明了电机的可逆性原理。1834年雅比克制造出世界第一台电动机，从而证明了实际应用电能的可能性。weipeiyu制作2020年6月3日星期三山东理工大学电工电子教研室7雅可比发明的世界上第一台电动机模型与实用电动机weipeiyu制作2020年6月3日星期三山东理工大学电工电子教研室81838年，俄国人用一台直流电动机拖动轮船，以4km/h的速度逆流而上和顺流而下，这是最早的实用电动机。1845年用电磁铁代替了永久磁铁，此前电机中的磁极是用永久磁铁制造的。电机与电力拖动的发展概况1866年，德国科学家西门子制成的第一台自激式发电机，标志着制造大容量发电机技术的突破，具有划时代的意义。weipeiyu制作2020年6月3日星期三山东理工大学电工电子教研室9Siemens和他的自激式发电机weipeiyu制作2020年6月3日星期三山东理工大学电工电子教研室101886年，特斯拉研制出两相异步电动机。特斯拉与他发明的两相异步电动机1885年，费那里斯发现了两相电流能产生旋转磁场。weipeiyu制作2020年6月3日星期三山东理工大学电工电子教研室111820年丹麦的奥斯特从实验室中发现了电流对磁针有力的作用，揭开了电学理论新的一页；同一年德国的安培确定了通过有电流的线圈其作用与磁铁相似，这指出了磁现象的本质问题；1826年德国的欧姆在通过实验而得出欧姆定律；1831年英国的法拉第发现电磁感应定律，为研制各种电机奠定了重要的理论基础；1832年皮克西在电磁感应理论的指导下，制造了第一台发电机（另一说法是法拉第制造了第一台发电机）；1833年楞次建立了确定感应电流方向的原则；电机与电力拖动的发展概况weipeiyu制作2020年6月3日星期三山东理工大学电工电子教研室121834年雅比克制造出世界第一台电动机，从而证明了实际应用电能的可能性。1838年，用直流电动机拖动电动轮船试验成功。1845年用电磁铁代替了永久磁铁，此前电机中的磁极是用永久磁铁制造的；1871年凡·麦尔准发明了交流发电机；1884年霍普金孙制造出了单相变压器；1885年费那里斯发现了两相电流能产生旋转磁场；1886年，研制成功两相感应电动机模型；电机与电力拖动的发展概况weipeiyu制作2020年6月3日星期三山东理工大学电工电子教研室13电机工程得以飞跃发展是与俄罗斯杰出的工程师多里沃－多勃罗沃尔斯基的工作分不开的，他是三相电路系统的创始者；他在1889年相继发明和制造出三相异步电动机和三相变压器，并首先采用了三相输电线，使电机基本定型。一个多世纪以来，电机的基本结构似乎并没有多大的变化，但电机的类型有了很大的发展，在运行性能、经济指标等方面都有了很大的改进和提高。电机与电力拖动的发展概况weipeiyu制作2020年6月3日星期三山东理工大学电工电子教研室14随着自动控制系统和计算机装置的发展，在一般旋转电机的理论基础上，又发展了许多种可靠性，高精度、快速响应的控制电机，成为电机学科的一个独立的分支。我国的电机工业在建国以来发生了巨大的变化。现在已建立了自己的工业体系，有统一的国家标准、统一的电机、变压器系列，能生产成套的大、小型火力和水力发电设备，基本上能生产满足国民经济生产需要的各种电机。电机与电力拖动的发展概况weipeiyu制作2020年6月3日星期三山东理工大学电工电子教研室152．电力拖动的发展概况最初电动机拖动代替了蒸汽或水力的拖动；当时电动机拖动生产机械的方式是通过天轴来实现的，称为“成组拖动”。即由一台电动机拖动一组生产机械，从电动机到各种生产机械的能量传送以及在各生产机械之间的能量分配完全用机械的方式，靠天轴及机械传动来实现。电动机远离车间，车间内有大量的天轴、长皮带和皮带轮等，能量在传递过程中损耗大、效率低、易出事故，若电动机发生故障，成组的生产机械将停产，这是一种落后的拖动方式。电机与电力拖动的发展概况weipeiyu制作2020年6月3日星期三山东理工大学电工电子教研室16二十世纪以来，生产机械上广泛采用“单电机拖动系统”，即一台生产机械由一台单独的电动机拖动；电动机与生产机械在结构上密切配合，从而进一步简化机构容易实现生产机械运动的全部自动化。用一台电动机拖动具有多个工作机构的生产机械，则机械内部仍保留着复杂的机械传动机构；从上世纪三十年代起，广泛采用了“多电机拖动系统”，即每一个工作机构用单独电机带动，这样生产机械结构大大简化；例对铣床来说共有3台电机即主轴电机、进给电机和冷却电机。电机与电力拖动的发展概况weipeiyu制作2020年6月3日星期三山东理工大学电工电子教研室17随着生产机械的发展，对上述单机、多机拖动系统提出了更高的要求：要求提高加工精度与工作速度，要求快速起动、制动及反转。实现在宽广范围内调速及整个生产过程自动化等。完成这些任务，除电动机外，还需有其他装置，组成自动化的电机拖动系统。随着电机及电器制造工业及各种自动化元件的发展，自动电力拖动系统得到不断的更新发展。最初采用的控制系统是继电器—接触器型的。属于有触点断续控制系统。电机与电力拖动的发展概况weipeiyu制作2020年6月3日星期三山东理工大学电工电子教研室18随着电子技术的不断发展，无触点控制系统已被大量采用，从分离元件到集成电路，直到近几年来的微机处理系统。由于有触点控制系统有其独特的优点，目前仍被广泛采用。建国以来，电力拖动自动化系统技术的发展有了很大的成绩，建立了一些有一定电力拖动自动化水平的工厂，建立了一批科研与设计机构，自行设计和制造了一批具有一定水平的生产自动线。但与先进国家相比差距较大；控制电机方面，由于我们起步较晚，差距更大。电机与电力拖动的发展概况weipeiyu制作2020年6月3日星期三山东理工大学电工电子教研室19电机与电力拖动的发展概况专业技术基础课程。了解各类电机的基本结构。理解电机中的能量转换关系。掌握电机稳态运行时的分析方法和运行性能。理解电机稳态运行时各种参数的物理意义，并能熟练应用等效电路和相量图。通过实验，掌握电机的基本实验方法和电机使用的基本技能。四、本课程的性质和任务weipeiyu制作2020年6月3日星期三山东理工大学电工电子教研室20电机与电力拖动的发展概况变压器电机动力电机控制电机直流电机交流电机异步电机同步电机电机：发电机和电动机。电能机械能电动机发电机磁场水能热能风能原子能五、教学内容weipeiyu制作2020年6月3日星期三山东理工大学电工电子教研室211.2电机的基本原理一、磁感应强度磁感应强度B表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。磁感应强度B的大小磁感应强度B的方向与电流的方向之间符合右手螺旋定则。IlFB磁感应强度B的单位:特斯拉(T)，1T=1Wb/m21.2.1磁场的基本物理量weipeiyu制作2020年6月3日星期三山东理工大学电工电子教研室22磁场的基本物理量二、磁通磁通：穿过垂直于B方向的面积S中的磁力线总数。说明:如果不是均匀磁场，则取B的平均值。在均匀磁场中=BS或B=/S磁感应强度B在数值上可以看成为与磁场方向垂直的单位面积所通过的磁通,故又称磁通密度。磁通的单位:韦[伯](Wb)1Wb=1T·m2均匀磁场:各点磁感应强度大小相等，方向相同的磁场，也称匀强磁场。weipeiyu制作2020年6月3日星期三山东理工大学电工电子教研室23H与B的区别①H∝I，与介质的性质无关。②B与电流的大小和介质的性质均有关。磁场的基本物理量磁场强度H的单位：安培/米（A/m)三、磁场强度磁场强度H：表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。是计算磁场时所引用的一个物理量，通过它来确定磁场与电流之间的关系。weipeiyu制作2020年6月3日星期三山东理工大学电工电子教研室24磁场的基本物理量由实验可测得：真空的磁导率为：H/m10π470mHmsΩmAsVmAmWb//μ2位的单真空磁导率是一个常数，将其它物质的磁导率和它比较是很方便的。四、磁导率磁导率：表示磁场媒质磁性的物理量，衡量物质的导磁能力。它与磁场强度的乘积就等于磁感应强度，即：磁导率的单位：亨/米（H/m）μHBweipeiyu制作2020年6月3日星期三山东理工大学电工电子教研室25磁场的基本物理量0r0BBHH0也即当磁场媒质是某种物质时某点的磁感应强度B与在同样电流下真空时该点的磁感应强度B0之比的倍数。自然界的所有物质按磁导率的大小，大体上可分为磁性材料和非磁性材料。相对磁导率r：任一种物质的磁导率和真空的磁导率0的比值。weipeiyu制作2020年6月3日星期三山东理工大学电工电子教研室26磁通所通过的路径称为磁路。1.2.2磁路及其基本定律＋u－ΦΦ主磁通漏磁通磁路iweipeiyu制作2020年6月3日星期三山东理工大学电工电子教研室27电机中常用的基本定律一、全电流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HLiF二、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LilHdF称为磁动势weipeiyu制作2020年6月3日星期三山东理工大学电工电子教研室28电机中常用的基本定律磁通量Φ等于磁通密度乘以面积dBSBS磁场强度等于磁通密度除以磁导率/BHmRF于是//()NilBlSWweipeiyu制作2020年6月3日星期三山东理工大学电工电