第一章-电机学基础知识

电机与拖动机械工业出版社大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系性质：电气自动化和自动化专业的专业基础课☆本课程的性质、任务和内容任务：◆掌握电机的基本结构、工作原理和主要特性；◆掌握电力拖动系统的分析计算及电机的选择法；◆培养分析和解决问题的能力，为今后学习和工作打下坚实的基础。内容：◆电机学：直流电机、变压器、异步电机、同步电机、控制电机◆电力拖动：电动机的起动、调速和制动方法，电动机的选择。大连理工大学电气工程系特点：◆理论性很强，涉及面广(电磁学、动力学、热力学)。◆实践性强，用理论分析电机及拖动的实际问题时，必须结合电机的具体结构，采用工程观点和分析方法。学习方法和要求：1、抓住重点，牢固掌握基本概念、基本原理和主要特性；2、要有良好的学习方法，运用对比或比较的方法，分析电机的共性和特点，加深对原理和性能的理解；3、抓主要矛盾，有条件地略去一些次要因素；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。☆本课程的特点、学习方法大连理工大学电气工程系1.3电机的制造材料1.2电机的基本原理1.1电机的基本功能与主要类型第1章电机学基础知识电机与拖动大连理工大学电气工程系一、电机的作用与分类☆能源系统的关键设备发电——输配电——用电☆各领域中有特殊要求的动力装置☆电机——实现机电能量转换和信号传递的电磁装置。（旋转电机、变压器）1.1电机的基本功能与主要类型大连理工大学电气工程系◆发电环节——各种发电机引进600MW汽轮发电机大连理工大学电气工程系国产300MW汽轮发电机大连理工大学电气工程系现场运行的水轮发电机大连理工大学电气工程系20kV/500kV(220kV)500kV(220kV)/110kV110kV/35kV35kV/10kV10kV/380V为把发电厂发出的电力输送到四面八方的用户，需要将发电机输出的20kV左右的电压升高。在我国，一般升高到220kV或500kV。◆输配电环节——变压器大连理工大学电气工程系连接发电机与电网的升压变压器连接发电机的封闭母线与电网相连的高压出线端大连理工大学电气工程系◆用电环节——电动机1）各行业广泛使用电动机大连理工大学电气工程系2）在高新技术领域的新应用☆信息技术（雷达驱动）☆航天航空航海☆生物医学工程（多种医疗设备）绪论2.电机的分类两种方法归纳如下：电机变压器直流电机直流发电机直流电动机交流电机控制电机同步电机同步发电机同步电动机异步电机异步发电机异步电动机常用分类方式：◆按功能分，有发电机、电动机、变压器和控制电机四大类。◆按电机结构及电源性质分，有变压器和旋转电机。大连理工大学电气工程系1.2电机的的基本原理电系统耦合磁场机械系统电机(电磁装置)的要素大连理工大学电气工程系变压器、电机磁场耦合电流全电流定律铁心小电流大磁通铁心增磁功能铁心饱和铁心中的气隙制约制约电磁转矩电磁力定律电磁感应定律感应电势能量转换变压器、发电机、电动机知识结构大连理工大学电气工程系一、磁场的基本概念1.磁感应强度B（单位：T）矢量电流→用磁感线的疏密程度描述B的大小磁场IB回转方向与电流方向符合右手螺旋法则磁感线闭合，无头无尾任一点的磁感线不会相交，磁感应强度唯一大连理工大学电气工程系2.磁通Φ与磁通连续性定理磁通量Φ——垂直穿过某截面积的磁感线总和。单位：Wb磁通连续性定理——通过任意封闭曲面的磁通量总和必等于零。d0ABAdAΒA大连理工大学电气工程系μ0=4π×10－7H/mBHμ=●H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。4.磁导率μ单位：H/m真空中的磁导率:3.磁场强度H(单位：A/m)矢量大连理工大学电气工程系物质按磁导率分类：非磁性物质、磁性物质。◆非磁性物质μ≈μ01）顺磁物质(如空气):μ略大于μ0。2）反磁物质(如铜)：μ略小于μ0。◆磁性物质——高导磁性μ＞＞μ0铸钢：≈10000硅钢片：≈(6000~7000)0玻莫合金：比0大几万倍。大连理工大学电气工程系5.磁场储能◆磁场中能量密度旋转电机中气隙的磁感应强度约为(0.4~0.8)T，铁心中的磁感应强度约为(l.0~1.8)T。旋转电机的磁场能量主要储存在空气隙中。2m122BwBH大连理工大学电气工程系二、磁路及其的基本定律＋u－ΦΦ主磁通漏磁通磁路i变压器磁路电机磁路电机中的典型磁路磁通的路径称为磁路。在工程中，通常将磁场问题简化为磁路问题。大连理工大学电气工程系1.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。i3lHdli2i1正方向规定：若i与l符合右手螺旋关系，取正号，否则取负号。lHdli大连理工大学电气工程系μcAclc2.磁路欧姆定律μ0A0l0+u－iΦ全电流定律:Bc=ΦAcB0=ΦA0Hc=BcμcΦμcAc=H0=B0μ0Φμ0A0=∮Hdl=∑I铁心中：气隙中：左边=∮Hdl=∮Hdl=Hclc+H0l0大连理工大学电气工程系磁阻:=(Rmc＋Rm0)Φ=RmΦRm=Rmc+Rm0lccAc=(＋)Φl00A0lccAc=＋l00A0右边=∑I=NI=F因此RmΦ=FΦ=FRm●磁路欧姆定律:磁动势●由于μC＞＞μ0，因此Rm0＞＞Rmc。●NI一定时，因Rm0的存在，使Φ大大减小；若要保持Φ一定，则需增大磁动势F。大连理工大学电气工程系闭合面3.磁路基尔霍夫第一定律i1i2Φ1Φ2Φ3l1l3l2Φ3－Φ1－Φ2=0任一闭合面：∑Φ=04.磁路基尔霍夫第二定律F1－F2=∮Hdl=∮Hdl=H1l1－H2l2●磁压降Um:Um=Hl●∑Um=∑F大连理工大学电气工程系【例1】图示磁路是由两块铸钢铁心及它们之间的一段空气隙构成。各部分尺寸为：l0/2=0.5cm，l1=30cm，l2=12cm，A0=A1=10cm2，A2=8cm2。线圈中的电流为直流电流。要使空气隙处的磁感应强度达到B0=1T，问需要多大的磁动势？A1A2l1l2l0/2II解：(1)磁路中的磁通=B0A0=1×0.001Wb=0.001Wb(2)各段磁路的磁感应强度B0=1TB1==T=1TA10.0010.001大连理工大学电气工程系B2==T=1.25TA20.0010.008A1A2l1l2l0/2II(3)各段磁路的磁场强度由磁化曲线查得：H1=9.2A/cmH2=14A/cmH0==A/mB0014×107=796000A/m=7960A/cm大连理工大学电气工程系A1A2l1l2l0/2II(4)各段磁路的磁压降Um0=H0l0=7960×1A=7960AUm1=H1l1=9.2×30A=276AUm2=H2l2=14×12A=168A(5)磁动势F=Um0＋Um2＋Um2=(7960＋276＋168)A=8404A气隙长度只有总磁路长度的2.3%,其磁压降则占94.7％！大连理工大学电气工程系【例2】图示磁路由硅钢制成。磁动势F1=N1I1=F2=N2I2，线圈的绕向及各量的方向如图示。磁路左右对称，具体尺寸为：A1=A2=8cm2，l1=l2=30cm，A3=20cm2，l3=10cm。若已知3=0.002Wb，问两个线圈的磁动势各是多少？I2Φ3N2I1N1Φ1Φ2解：由磁路基尔霍夫定律可得3－2－1=0Um1＋Um3=F1Um2＋Um3=F2已知：F1=F2，l1=l2可得：Um1=Um2l2l3N1l1N2A1A2A3大连理工大学电气工程系即H1l1=H2l2H1=H2因此B1=B21=2由于1=2=320.0022=Wb=0.001Wb所以B1==T=1.25T1A10.0018×10－4A1A2A3l2l3N1l1N2I2Φ3N2I1N1Φ1Φ2A1A3A2大连理工大学电气工程系B3==T=1T3A30.00220×10－4由磁化曲线查得：H1=6.5A/mH2=3A/m最后求得F1=F2=Um1＋Um3=H1l1＋H3l3=(6.5×30＋3×10)A=225A大连理工大学电气工程系三、电磁感应定律eddeNdtdt正方向规定：线圈的磁通与电动势符合右手螺旋关系。当与线圈交链的磁链=N发生变化时，线圈中将产生感应电动势。大连理工大学电气工程系◆变压器电动势若线圈和磁场相对静止，感应电动势纯粹是由于和线圈交链的磁通随时间的变化而产生的。msintmmdcossin(90)deNNtEttmmm2π4.4422EfNEfN主磁通有效值E=－j4.44fNΦm相量形式：大连理工大学电气工程系运动电势的方向用右手定则确定。◆运动电动势导体切割磁感线则导体中感应的电势为运动电势e=Blv大连理工大学电气工程系1.电磁关系励磁：u＋u－iΦe→i→Ni→Φ→eddt=－N●电压方程u=Ri－e四、线圈的电路方程●电感：iL=didt=Ri+L●电抗：X=ωL=2πfLU=(R+jX)I●相量方程大连理工大学电气工程系五、电磁力定律载流导体与磁场垂直的情况下，若导体中电流为i，导体长度为l，导体所在处的磁通密度为B，则电磁力为：正方向：电磁力方向由左手定则决定f＝Bli大连理工大学电气工程系BiOOff六、电机的可逆性原理电动机：通电→电磁力→转矩→旋转→带动机械负载大连理工大学电气工程系BeOO发电机：原动机→旋转→感应电动势→发电电机的可逆性原理——任何电机既可以作为发电机运行，又可以作为电动机运行。大连理工大学电气工程系1.3电机的制造材料导电材料（铜、铝）导磁材料（钢铁，如硅钢片、铸铁等）绝缘材料（隔离电、磁系统）结构材料（将电机的部件组合在一起）一、电机的主要制造材料其他（散热、冷却、润滑材料）大连理工大学电气工程系二、铁磁材料的重要特性1.高导磁性μ＞＞μ0●铸钢：≈10000硅钢片：≈(6000~7000)0玻莫合金：比0大几万倍。大连理工大学电气工程系●磁性物质内部存在着很多很小的“磁畴”。磁畴（磁化前）磁畴（磁化后）●铁磁材料的高导磁性被广泛应用于变压器和电机中。大连理工大学电气工程系起始磁化曲线BHO2.磁饱和性B=H（≠常数）●B与H的关系称为B~H曲线或磁化曲线。磁化曲线abcdB=f(H)大连理工大学电气工程系3.磁滞性BHOHmBm剩磁－Hm矫顽磁力Br－Hc－BmHC－Br磁滞回线BHO基本磁化曲线大连理工大学电气工程系(1)硬磁物质:B~H曲线宽，Br大、Hc大。用于制造永磁铁。(2)软磁物质：B~H曲线窄，Br小、Hc小。用于制造变压器、电机等电器的铁心。(3)矩磁物质：B~H曲线形状接近矩形，Br大、Hc小。用于计算机中，作记忆单元。●按磁滞回线的不同，铁磁材料可分为：大连理工大学电气工程系(1)磁滞损耗Ph4.铁心损耗铁磁材料置于交变磁场中时，材料被反复交变磁化，磁畴相互摩擦造成能量的消耗。ph=Vf∮HdB磁滞损耗系数磁场交变的频率最大磁密铁心的体积=KhfBmαV磁滞回线的面积※电工钢片:α=1.6~2.3大连理工大学电气工程系(2)涡流损耗PeΦΦ0.50mm0.35mm0.30mm0.27mm●铁心既是导磁体又是导电体，交变磁场在铁心中感应的电动势将在铁心中引起涡流，产生损耗。●减涡流损耗的方法：①增大铁心的电阻率，加硅，减小涡流及其损耗；②用很薄的硅钢片叠成铁心，增大电阻，减小涡流及其损耗。涡流损耗(a)(b)4.铁心损耗大连理工大学电气工程系●涡流损耗pepe=Ked2f2Bm2V涡流损耗系数材料的厚度铁损耗pFe=ph+pe一般：Bm=1T~1.8TpFe≈KFefβBm2G(频率系数β=1.2~1.6)铁损耗系数铁心的重量大连理工大学电气工程系ThankYou