《电机学》电子教案

《电机学(ElectricalMachinery)》课程简介电机学课程的内容电机学课程的特点电机学课程的学习方法电机学课程的考核方法参考书任课教师电机学(ElectricalMachinery)变压器(Transformers)交流绕组（ACWinding）直流电机（DCElectricMachines）电机学I和电机学II感应电机（InductionMachines）同步电机（SynchronousMachines）《电机学》(ElectricalMachinery)课程的特点一、研究的对象是实物，是一个电的、磁的、机械的综合体。则要求：1.要清楚机械实物的具体结构(Construction)；2.要弄清电机内主要电物理量和磁物理量的特性及相互关系，并能用方程式(Equation)、等效电路(EquivalentCircuit)和相量图(PhasorDiagram)这三种主要方式表示之；3.要能运用这些特性和关系结合具体条件对电机的运行进行初步的分析（Analysis)。──这就是本课程的主要任务或总的要求二、课程前后的连贯性强各种电机都存在共性例如，各种电机的原理都是以电磁感应定律和载流导体在磁场中受力作为基础。则要求：学生不但要掌握前面所学的基本理论，而且在学后续内容时要善于比较找出不同电机的共同处和不同点，以便更好地掌握各类电机的特点。三、课程以定性分析为主概念多，理论性强。要求：改变以往以套公式算题就算完成学习任务的学习方法，而把学习重点放在课后及时复习、钻研教材在掌握电机中主要物理量的概念、特性及相互关系后，结合具体的条件，对电机的运行进行分析，即认真思考老师所布置的习题和思考题，培养分析问题和解决问题的能力，并且勤于总结。四、时空观强电机内发生的电磁过程是很复杂的，交流电流是一个时间的函数，磁场分布是一个空间的函数，交流电流产生的磁场既是时间函数，又是空间函数。要求：具有丰富的想象力和综合思考的能力。《电机学》(ElectricalMachinery)课程的特点研究的对象是实物，是一个电的、磁的、机械的综合体，与工程实践联系非常紧密。课程前后的连贯性强课程以定性分析为主，概念多，理论性强。时空观强《电机学》(ElectricalMachinery)课程的学习方法掌握电机的分析方法理解、掌握各种电机的基本概念、基本原理、重点和难点（听课、自学、作业和实验）总结出各种电机间的共性和个性基本工作原理(FundamentalPrinciples)结构(Construction)----（电路、磁路的特点）(TheFeatureofElectricandMagneticcircuit)电磁物理过程分析（导体与磁场相互作用产生电磁转矩和感应电势）基本方程式和等效电路内部功率流程及损耗运行分析《电机学》(ElectricalMachinery)考核方法1、平时作业及考勤10％2、实验及操作20％（操作10％）3、变压器20％4、交流绕组10％5、感应电动机20％6、同步电机20%实验说明变压器综合实验（单相变压器参数测定三相变压器极性与组别）感应电动机综合实验同步发电机的综合实验直流电机综合实验。先写预习实验报告，合格后，再做实验。实验必须完成和参加，否则不能参加考试。教材及参考书1．汤蕴璆等合编《电机学》普通高等教育“九五”国家重点教材机械工业出版社20002．顾绳谷主编，《电机及拖动基础》（上、下册），机械工业出版社，1998，第2版3．许实章主编，《电机学》（上、下册），机械工业出版社，1994，修订版4．张松林主编，《电机及拖动基础习题集与实验指导书》，机械工业出版社，19975．ELECTRICMACHINERYFUNDAMENTALSStephenJ.CapmanMcGraw-HillBookCompany任课教师武惠芳郭芳刘慧娟张威－－电气工程学院电机与电器研究所（电气楼203）(电话：84831）《电机学(ElectricalMachinery)》课程简介电机学课程的内容电机学课程的特点电机学课程的学习方法电机学课程的考核方法参考书任课教师绪论一、电机的分类及发展概况：二、电机的应用：三、电力拖动系统的发展概况：四、本课程的性质和任务：五、磁路的基本知识电机的分类及发展概况：电机(ElectricalMachinery)是以适当的有效材料（导电和导磁）构成的能互相进行电磁感应的磁路和电路(ElectricandMagneticcircuit)，以产生电磁转矩和电磁功率(ElectricalandmagneticTorqueandPower)，达到转换能量(Energy)形式的目的。电机是一种机电能量转换的装置变压器是一种电能传递装置一般分类：静止电机——变压器电机{直流电机旋转电机{同步电机交流电机{异步电机（感应电机）电机是一种机电能量转换的装置变压器是一种电能传递装置按功能分将机械能转换为电能－－发电机(Generators)将电能转换为机械能－－电动机(Motors)不以功率传递为主要职能，而在电气机械系统中起调节、放大和控制作用──微型控制电机将一种形式的电能转化为另一种形式的电能──变压器、变流机、变频机、移相器其共同的特点是：根据电磁感应定律和电磁力定律进行能量转换。电机的发展电动机代替蒸汽机电机初步定型电机理论形成电机设计计算发展性能好、运行可靠、体积小单机容量的重量轻高可靠性、高精度、快速相应的控制电机功率电子学等学科的渗透使电机学得到了新的发展电机的发展简史和发展趋势电机的发展简史可分为两个时期初级发展时期从发现电磁感应现象开始到十九世纪末和本世纪初各种电机的基本型式已经具备为止。可分为四个阶段：1、电磁感应定律的发现：十八世纪中叶开始了第一次世界工业革命。主要是以机器大生产代替工场手工业。主要标志是蒸汽机的广泛使用。但由于蒸汽动力在输送和管理上的不便，不能满足生产力发展的需要，迫使人们寻找新的能源和动力。在此时代背景下，电磁学得到了兴起和发展。1821年，法拉第表演了电流位于磁场中产生机械力的实验，发现了电动机的作用原理，不久制造了原始型式的电动机。1824年，阿果拉发现了旋转磁场，1831年，法拉第提出了电磁感应定律，1832年，出现了原始型式的发电机。2、直流电机的发展：电能的最早应用是供给照明和电化学工业的需要，所以最初发展的电机是直流电机。1845年，用电磁铁代替了永久磁铁。1867年，制成了自励发电机。1882年，建成了第一条直流输电线路。远距离输电需提高单机容量及运行电压，使其发展受到了限制。3、单相交流电的应用：1876年交流电应用于照明装置，不久有了原始型式的同步发电机和变压器。4、三相交流电的应用：在单相交流电源供电的情况下，单相交流电动机无法自行起动。不久，两相电流能产生旋转磁场的原理被发现，1885年制成了两相交流异步电机的模型。1889年，多里沃─多勃罗沃尔斯基提出了三相制的建议并设计和制造了第一台三相变压器和三相异步电动机。至1897年，建成了第一个三相交流输电系统。交流三相制发电厂的迅速发展，使高速运转的汽轮发电机代替了蒸汽机为原动机的发电机，把社会生产力推进到电力时代，第二次技术革命。近代发展及今后发展的主要趋势从本世纪初直到现在及将来。1、单机容量不断提高；单机容量大，单位容量的用料省、损耗小、造加低；同时电站机组少，工作人员少，厂房面积小，可节约基建投资及维护费用。2、重量的不断减轻和外形尺寸的不断缩小；3、应用范围不断扩大；特定用途电机：潜水电机、防爆电机、船舶电机、纺织电机、矿用电机等。电机初步定型。建立了电机理论，电机设计计算等得到发展。要求性能良好、运行可靠、单机容量重量轻、体积小等。而且发展出高可靠性、高精度、快速相应的控制电机，控制电机已成为电机学科的一个独立分支。功率电子学等学科的渗透，使电机学得到了新的发展。如开关磁阻电机等。我国电机制造业发展简况：解放前：200kW发电机、2000kVA变压器。解放后：发展迅速，1955年：10000kW的水轮发电机；1956年：12000kW的汽轮发电机；1958～1960年：72500kW的水轮发电机，100MW的双水内冷汽轮发电机；1959年：220kV、120000kVA的三相变压器，6300kW的异步电动机和4500kW的直流电动机；1972年：300MW双水内冷汽轮发电机，360000KVA变压器。目前已能制造600MW。值得一提的是1958年我国制成了世界上第一台用于生产的双水内冷汽轮发电机（12000kW）为电机制造工业继续发展开辟了一条新的道路。我国从仿制进入自行试验研究和自行设计，建立了自己的电机工业体系，统一的国家标准，统一的电机和变压器系列，能制造成套的大、中型火力和水力发电设备。电机的应用专业基础课一座桥梁：工科大学公共基础课和专业技术课之间。作业、实验：一定数量的作业和4个设计型实验：变压器综合实验三相异步电动机综合实验同步发电机的综合实验直流电机综合实验任务：掌握变压器和交、直流电机的基本结构、工作原理和运行性能，并对电机的运行进行初步的分析提供基础知识：《自动控制系统》、《计算机控制技术》、《控制电机》、《变频调速》及电力系统相关课程。课程性质、任务：磁路基本知识一、常用物理量二、铁磁材料的性质三、常用基本电磁定律四、电磁感应定律一、常用物理量：1、磁感应强度(magneticfluxdensity)（向量）单位：特斯拉，T，或高斯。描述磁场强弱和磁场方向的物理量。磁力线是闭合曲线，其方向与产生磁场的电流的方向满足右手螺旋关系。B2、磁通(magneticflux)φ：单位：韦伯，Wｂ表征磁介质或真空中磁场分布的物理量。穿过某一截面的磁感应强度B的通量。电机的每极磁通，即穿过每个磁极横截面的全部磁通，是设计、计算电机的重要基础数据。特别：在均匀磁场中，若与垂直，则Φ＝BS。ssdB（面积分）BS2/11mWbT3、磁场强度(magneticfieldintensity)（向量）单位：安匝/米，At/ｍ．是描述磁场强弱和方向的辅助物理量。在电机和变压器中常常使用该物理量。它与磁感应强度的关系：＝μ，μ为磁导率(permeability)，单位为H/ｍ，＝4π×10－7亨/米（真空）非磁性物质的μ为常数；铁磁材料的μ比真空的大数十至数千倍。如铸钢的μ约为的1000倍；各种硅钢片的μ约为的6000～7000倍。HHB00004、磁势(magnetomotiveforceMMF)F：（磁压降，磁动势）单位：安匝,At。F＝NI线圈匝数与励磁电流之积。5、磁阻(reluctanceofthemagneticcircuit)：单位为：1/亨或At/Wb＝L／μｓＬ为磁路长度，ｓ为磁路横截面积。mR6、磁导＝1/单位为：亨。7、磁链(fluxlinkage)ψ：ψ＝Nφ，线圈所交链的磁通。mmR二、铁磁材材料的性质(磁化、磁滞和损耗）1、起始磁化曲线：非铁磁材料的B与H成正比，是线性关系。在铁磁材料中B与H的关系为非线性的2、磁滞回线Bｒ为剩余磁感应强度。Hc称为矫顽力3、基本磁化曲线4、铁心损耗：指磁滞损耗和涡流损耗。（1）磁滞损耗分析表明，磁滞损耗与磁场的交变频率、铁心的体积V和磁滞回线所包围的面积成正比。实验证明，磁滞回线所包围的面积与Bm的n次方成正比，故（2）涡流损耗当通过铁心的磁通随时间变化时，铁心中将产生感应电动势，并引起环流。这些环流在铁心内部围绕磁通做旋涡状流动，故称为涡流，涡流在铁心中引起的损耗为涡流损耗VfBCpnmhh分析表明，频率越高，磁通密度越大，感应电动势就越大，涡流损耗也就越大；而铁心的电阻越大，涡流所流过的路径越长，涡流损耗就越小。对于由硅钢片叠成的铁心，经推导可知，涡流损耗为VBfdCpmee222三、常用基本电磁定律：1、全电流定律(A