电机学课件--华北电力大学(保定)

1电机学授课年级：2011级授课专业：电气工程及其自动化农业电气化及自动化授课教师：朱凌课件版本：ZL2013.03版2主要参考书目„叶东主编.电机学.天津科学技术出版社.1994.„李发海主编.电机学（上、下册）.科学出版社.1982.„许实章主编.电机学（上、下册）.机械工业出版社.1981.„许实章主编.电机学习题集.机械工业出版社.1983.„胡虔生主编.电机学例题与习题教程.中国水利水电出版社.1996.„李发海主编.电机学（第三版）.科学出版社.2001.„孙旭东主编.电机学习题与例题.科学出版社.2001.„辜承林主编.电机学.华中科技大学出版社.2001.„龚世缨主编.电机学实例解析.华中科技大学出版社.2001.3公共邮箱4绪论0.1概述0.2电机的分类0.3电机所用材料0.4铁磁材料的磁性能0.5主要电磁定律复习0.6电机中的能量守恒及效率50.1概述0.1.1一次能源的利用及能量转换的现状0.1.2电机的一般性定义0.1.3课程的性质、任务及所需的基础知识60.1.1一次能源的利用及能量转换的现状（1）一次能源的分类„化石类能源：包括煤炭、石油和天然气。„非化石类能源：包括水能、核能、风能、太阳能等。（2）能源转换及应用的现状„现代人类对能源的使用，在形式上具有多样性。„电能作为二次能源，其生产、传输、控制、储存和使用较其它能源具有更高的安全性、方便性和灵活性。„因此现代生活中一次能源大多转换成电能加以利用。„在电能的生产、传输和使用过程中大量用到电机。„人类近两百年来对电机的认识上升到理论，即形成了我们今天学习的《电机学》课程。70.1.2电机的一般性定义由上述定义明显可见：本质上电机是一种电磁装置。0.1.3课程的性质、任务及所需的基础知识（1）课程性质（2）课程任务„介绍电机的基本结构。„分析电机的基本工作原理。„研究电机的运行性能及其实验方法。„为电气工程相关专业后续课程奠定基础。——具有较强专业特色的技术基础课。（3）基础知识——高数、大物、电路、磁路。电机是利用电磁感应定律与电磁力定律，实现电能与机械能之间相互转换的机械。80.2电机的分类0.2.1按电机的实际用途分类0.2.2按电压或电流的形式分类（1）发电机——将机械能转为成电能。（2）电动机——将电能转变为机械能。（3）变压器——变换交流电能传输过程中的电压等级。（4）控制电机——作为自动控制系统中的执行元件。（1）交流电机（2）直流电机——包括发电机、电动机与变压器。——包括发电机与电动机。90.2电机的分类0.2.3从研究的角度按照电机基本原理分类电机变压器（静止）旋转电机直流电机交流电机异步电机同步电机同步发电机同步电动机异步发电机异步电动机直流发电机直流电动机⑦②①⑥④⑤③①②③为本学期研究④⑤⑥⑦下学期研究100.3电机所用材料0.3.1导电材料提供电流的通路，要求导电性能良好，即电阻小。0.3.2导磁材料提供磁通的路径，要求导磁性能良好且损耗较低。0.3.3绝缘材料起电气绝缘作用，要求介电强度高且耐热性能好。0.3.4冷却材料将电机热量导出，要求热容量大而且导热能力强。0.3.5结构材料起到支撑、紧固等作用，要求具有一定机械强度。本章将专门讨论，请重点关注。110.4铁磁材料的磁性能0.4.1物质按其磁性能的分类0.4.2铁磁材料的基本特性120.4.1物质按其磁性能的分类（1）磁导率„磁导率反映的是物质在外界磁场作用下被磁化的能力。„磁导率为物质的自然属性，一般用μ表示。„不同物质的磁导率不同，且可由试验测取。„经测定，真空的磁导率为一常数，一般用μ0表示：（2）相对磁导率70410(H/m)μπ−=ׄ某一物质的磁导率与真空磁导率之比，称为该物质的相对磁导率，用μr表示。„即：r0μμμ=130.4.1物质按其磁性能的分类（3）物质按其相对磁导率的分类„μr稍大于1：称为顺磁物质，例如空气、铝等。„μr稍小于1：称为抗磁物质，例如水、铜等。z以上两者一般均称为非磁性物质。z并且工程上近似认为非磁性物质的磁导率均等于真空磁导率。„μr远大于1：称为铁磁物质，为门捷列夫元素周期表第四周期八族的铁、钴、镍及其合金。140.4.1物质按其磁性能的分类15bh0Feμ0.4.2铁磁材料的基本特性（1）相对磁导率较大且不是常数„现象：μr=2000～6000„原因：铁磁物质中天然磁化区（磁畴）的作用。（2）磁感应强度与磁场强度间的函数关系非线性„b=μFeh=f（h）曲线呈饱和特性。„原因是：μFe=f（h）曲线非线性。„b=f（h）曲线称为材料的磁化曲线，在电机的学习中非常重要。()bfh=Fe()fhμ=160.4.2铁磁材料的基本特性（3）存在磁滞效应„现象：铁磁物质一旦被外界磁场磁化后，即使取消外界磁场，其磁性仍会部分保留，称为剩磁。„产生剩磁原因：铁磁物质中的磁畴在经外界磁场的作用转向后，其位置不能恢复原状，产生部分滞留。„铁磁物质在交变磁化中测得的磁化曲线称为磁滞回线。„不同磁滞回线顶点的连线称为基本磁化曲线或称为平均磁化曲线。bh基本磁化曲线170.4.2铁磁材料的基本特性（4）在交变磁场中产生磁滞损耗和涡流损耗„磁滞损耗：交变磁场中磁畴转向相互摩擦产生的损耗。„涡流损耗：交变磁场感应的电动势形成的电流在铁磁物质电阻上产生的损耗。„磁滞损耗与涡流损耗之和统称为铁心损耗，简称铁耗。„单位重量的铁心损耗可由下式确定：150()(Wkg)50fppBβ=２ｍ　　式中：zp1/50为在磁通密度为1特斯拉（1Wb/m2）且频率为50赫兹时的比损耗，可由实验测出。zf为磁场交变的频率，Bm为磁通密度的最大值。z对于电机铁芯所采用的硅钢片，β=1.2～1.6。此式主要强调铁耗与频率及磁密幅值有关在电机学中仅用于定性分析而非定量计算180.5主要电磁定律复习0.5.1电路定律0.5.2磁路定律0.5.3电磁感应定律0.5.4电磁力定律19ϕϕ0.5.1电路定律（1）交流电路的欧姆定律„表达式：()()()LCIrjxUIzIrjxIrjx⎧+==+=⎨−⎩1xtgrϕ−=电压与电流间的相位差：„相量图：电流超前于电压电流滞后于电压UUIIIrIrLjIxCjIx−又称为功率因数角注意相量图与方程式为严格一一对应。200.5.1电路定律（2）基尔霍夫节点电流与回路电压定律„表达式：0IΣ=„应用举例EUΣ=Σ12mIII+=11111()EUIrjx=−++12222()EUIrjx=++1E1U1I1rmrmjx1jx2r2jx2ImI2U1()mmmEIrjx=−+特需注意：感应电动势的规定正方向为电位升，此处与电路不同。21Φ10.5.2磁路定律（1）磁通连续性原理„电磁学中的表述„电机学中的表述0SBds⋅=∫∫GGwIΦ2Φ3123Φ=Φ+Φ0ΣΦ=结论一：在任意瞬间，磁路节点上磁通量的代数和等于零。一般式：220.5.2磁路定律（2）安培环路定律„电磁学中的表述„电机学中的表述LHdli⋅=Σ∫GGv1i4i3i2i234iii=−−+1w2w2i1i1L2L3L3L4L1122334422HLHLHLHL+++1122iwiw=−11mniijjijHLiwF==⋅=⋅=∑∑dlGHG磁压降磁动势结论二：作用在闭合磁路上的总的磁动势，等于各段磁路上磁压降之和。一般式：23iiiLSμ=Φ0.5.2磁路定律（3）磁路欧姆定律„某段磁路的磁压降„定义磁阻iiHL结论三：某段磁路上的磁压降，等于该段磁路中的磁通与磁阻的乘积。特需注意：磁阻或磁导的大小，与磁路的几何尺寸以及材料的磁导率有关。iiiBLμ=iiiSLμΦ=imiiiLRSμ=„磁导的定义1iimimiiSRLμΛ==„磁路欧姆定律iimiHLR=Φ⋅1w2w2i1i1L2L3L3L4L240.5.2磁路定律（4）电路与磁路的对比电路磁路磁路欧姆定律Φ=ΦRm∕Rm电路欧姆定律I=U∕R安培环路定律ΣHLm=Σwi回路电压定律Σe=Σu磁通连续性原理ΣΦ=0节点电流定律Σi=0磁压降ΦRm（A）电压降U=IR（V）磁导Λm=1∕Rm（H）电导G=1∕R（S）磁阻Rm=lm∕(μSm)（1/H）电阻R=ρl∕S（Ω）磁动势F=wi（AT）电动势E（V）磁通密度B（Wb/m2）电流密度J（A/m2）磁通Φ（Wb）电流I（A）请注意：有关磁动势、磁压降、磁阻与磁导概念的建立。25此时感应电动势的实际方向φ0.5.3电磁感应定律（1）电磁感应定律的一般表达式„规定正方向dedtψ=−感应电动势与磁通按“右手关系”规定正方向。„表达式z感应电动势大小与磁通链随时间的变化率成正比。z感应电动势实际方向由楞次定律确定。z。e假设某一瞬间0ddtψ又假设外电路用导线相连i则e产生电流建立的磁场应抵制原磁场的变化，由此确定e的实际方向。注意其中负号的由来问题：采用左手关系如何？260.5.3电磁感应定律（2）电磁感应定律的特定表达式„变压器电动势z磁通链变化是由空间固定且时变的磁场，穿过静止且匝数恒定的线圈引起的。z表达式ddewdtdtψφ=−=−z注意上式已默认：感应电动势与磁通正方向的规定符合“右手关系”。z即右手拇指代表磁通的规定正方向，则其余四指代表感应电动势的规定正方向。wψφ=1e2eφ2w1w270.5.3电磁感应定律（2）电磁感应定律的特定表达式„运动（位移、切割）电动势z磁通链的变化，是由幅值恒定的磁场与匝数恒定的线圈之间存在相对运动而引起的（或称为导体切割磁力线）。z表达式eblv=z式中感应电动势的方向、导体切割磁场的方向以及磁力线的方向三者之间符合“右手定则”。280.5.3电磁感应定律（2）电磁感应定律的特定表达式„自感电动势z磁通链的变化是由线圈自身中的时变电流引起的。z定义单位电流产生的磁通链称为自感系数，则：LLiψ=z自感系数与线圈匝数及磁路磁导的相关性（重要）LLiψ=LLddieLdtdtψ=−=−LLiψ=Lwiφ=()mwFiΛ=()mwwiiΛ=2mw=Λ2mmSLwlμ=2mmSxLwlμωω==注意：此式在定性分析问题时颇为重要。290.5.3电磁感应定律（2）电磁感应定律的特定表达式„互感电动势z穿过线圈磁通链的变化是由其相邻的另一线圈中时变电流引起的。z类似于自感系数可定义互感系数，则：211212Miiψψ==z互感系数与线圈匝数及磁路磁导的相关性1221,MMdidieMeMdtdt=−=−211Miψ=2211wiφ=211121()mwwiiΛ=1212mww=Λ300.5.4电磁力定律（1）电磁力定律的一般表达式„表达式fbli=„式中电磁力的方向、导体电流的方向以及磁力线的方向三者之间符合“左手定则”。（2）旋转电机中的电磁转矩„转矩的一般概念为力与旋转半径（或力臂）的乘积。„但电机学中习惯从转矩做功的角度给出转矩的表达式。z转矩所做功（即为能量）：z功率（单位时间做的功）：z转矩WTdθ=⋅//PWdtTddtθ==⋅(/)/ddtTPθΩ==Ω其中称为角速度310.6电机中的能量守恒及效率0.6.1电机中存在的主要能量形式0.6.2电机中能量转换的效率320.6.1电机中存在的主要能量形式（1）磁场储能（2）电能„绕组通过电流在其电阻上产生的损耗。„耦合磁场变化在铁心中引起的铁心损耗。„旋转电机轴承的摩擦损耗以及通风损耗。（4）热能（3）机械能„电机在对称稳态运行时，磁场幅值恒定不变，磁场储能也恒定不变。„电机学主要研究电机的对称稳态运行，故认为磁场并未参与能量转换，仅仅起着能量传递的媒介作用。在旋转电机中二者之间进行转换330.6.2电机中能量转换的效率（1）输入功率P1（2）输出功率P2（4）运行效率η（3）总损耗Σp=P1-P2212(1)100%PpPPpηΣ==−×+Σ本章“磁路和磁路计算”一节不作要求34本章要点（1）明确课程的性质及任务。（2）了解电机的定义及分类。（3）重点掌握铁磁材料的基本特性。（4）熟悉基本电磁定