电机学 (第二版)绪论

电机学绪论变压器交流电机共同理论异步电机同步电机直流电机第一章绪论第一节概述电机的发展电机的作用主要类别基本作用原理——多个（电磁）定律电机可逆性原理电机的材料作业一、电机的发展1．电机的发展初期电磁感应定律的发现——1831年法拉第直流电机的发展单相交流电的应用——远距离传输三相交流电的应用——解决电机启动问题电机的发展（续）2．电机的近代发展及趋势单机容量不断增加——机组容量大时，单位容量的用料（省）、损耗（小）、造价（低）如汽轮发电机：中小型电机技术与经济指标不断改进新的设计方法（CAD）、工艺、材料、测试手段应用范围扩大19005MVA1956水内冷208MVA192025MVA1960320MVA1937空气冷却100MVA目前1000MVA氢气冷却150MVA二、电机的主要类别电机的作用——转换能量，输入及输出基本结构——定子、转子、气隙（旋转电机）分类：1、据能量转换（功能）分发电机——将机械功率转换为电功率电动机——将电功率转换为机械功率变压（流、频、相位）器——将电功率转换为另一种形式的电功率控制电机——电气机械系统中调节、放大和控制作用电机的主要类别（续）2、按照应用的电流种类分：直流电机、交流电机3、按原理和运动方式分变压器—静止设备旋转电机直流电机—没有固定的同步速度、直流交流电机异步电机—速度不等于同步速度、交流同步电机—速度等于同步速度、交流交流换向器电机—速度可在任意范围内随意调节第二节、电机的磁路和磁路定律（电机的运行与分析基础）（电和磁是构成电机的两大要素）电磁感应定律全电流定律磁路定律电路定律电磁力定律…电机的电磁基本理论一、磁场、磁感应强度（磁通密度）B用磁场中载流导体受到的洛仑兹力确定其存在和性质B是矢量,即既有大小（T，特斯拉），又有方向用磁力线上每点的切线方向规定B的方向用磁力线的疏密程度表示B的大小IBdldFB磁感应线（磁力线）(1)磁感应线的回转方向和电流方向之间的关系遵守右手螺旋法则(2)磁场中的磁感应线不相交，每点的磁感应强度的方向确定唯一(3)载流导线周围的磁感应线都是围绕电流的闭合曲线，无起、终点电机的电磁基本理论（续）二、磁通量通过磁场中某一面积的磁感应线数称为通过该面积的磁通量(磁通)，符号、单位Wb=BScos（对均匀磁场）任意曲面：（磁通密度）时，当dsdBBdsddsdsBdssBcos磁通连续性原理（高斯定理）由于磁感应线是闭合的，因此对任意封闭曲面来说，进入该闭合曲面的磁感应线，一定等于穿出该闭合曲面的磁感应线。如规定磁感应线从曲面穿出为正，穿入为负，则通过任意封闭曲面的磁通量总和必等于零sdsB0cos电机的电磁基本理论（续）三、磁场强度H(安/米）、磁导率（亨/米）B=H磁导率，决定于介质性质，H／m。变化范围很大非铁磁物质如空气、铜、铝和绝缘材料等，近似等于真空磁导率。0=4×10-7H／m铁磁物质如铁、镍、钴及其合金，磁导率远大于真空磁导率达数千甚至上万倍。通常以相对磁导率表示铁磁物质的磁导率比真空磁导率增大的倍数。在同样大小的电流作用下，铁芯线圈的磁通比空心线圈的磁通大得多电机的电磁基本理论（续）导体和非导体电导率之比达铁磁物质与非铁磁物质磁导率之比仅不存在磁绝缘和磁绝缘体物质1610531010四、铁磁材料的B-H曲线不同的磁性材料有不同的磁导率同一材料当其磁通密度不同时，亦有不同的磁导率起始段，磁导率较小线性区，磁导率大且不变饱和区磁滞现象与磁滞回线磁场强度H缓慢地循环变化，B一H曲线是一封闭曲线—磁滞回线极限磁滞回线矫顽磁力Hc剩余磁感应强度Br基本磁化曲线软磁（导磁体）硬磁（永久磁铁）五、铁芯损耗当导磁材料位于交变磁场中被反复磁化，B一H曲线呈磁滞回线。导磁材料中将引起能量损耗，称为铁芯损耗。铁芯损耗分为两部分：磁滞损耗和涡流损耗。注意：在恒定磁场中的静止导磁体内是不会引起能量损耗的铁芯损耗均转化为热能使铁芯温度升高，为防止电机过热，采用硅钢片以减小铁芯损耗，采取散热降温措施六、全电流定律(安培环路定律)磁场强度矢量H沿任一闭合路径的线积分等于穿过该闭合路径的限定面积中流过电流的代数和(磁场回路所匝链的电流）且积分回路的绕行方向和产生该磁场的电流方向符合右手螺旋定则磁压（A）—H沿一条路径l的线积分若沿长度L、磁路强度H处处相等，且闭和回路所包围的总电流是由通过i的N匝线圈提供，则上式可写成：HL=Ni=F（磁场回路所匝链的电流—磁动势A）沿着磁场中任一闭台回路其总磁压等于总磁势（安培环路定律）NIIHdlnkkl1lMHdlUFIUkM磁路及其参数认为磁通完全在导磁体内部通过；假设在铁芯柱截面上B为均匀分布七、磁路基本定律磁路的欧姆定律将全电流定律应用到材料相同、截面相同（即H处处相等）的无分支的闭合磁路上，则有假设磁通密度分布均匀，则有磁路中的磁通等于作用在该磁路上的磁势除以磁路的磁阻。FNIIHlHdll)/)(,)W/H/,1AWbHlSbASlRRFRFSlNINISlSHSHBmmm或（磁导）或（（磁阻，代入上式得磁路基本定律（续）磁路的基尔霍夫第一定律流入磁路节点的磁通的代数和应等于零磁路的基尔霍夫第二定律磁场强度H沿着任一闭合路径的线积分等于穿过该闭合路径的限定面积中流过电流的代数和。磁场强度H沿着任一闭合路径的线积分等于该路径上的磁压降。其总磁压等于总磁动势FNIIHdlnklk1021yycHdlUlMFIUkM八、磁场储能磁场是一种特殊形式的物质，磁场中能够储存能量，在磁场建立过程中，能量由外部能源转换而来。电机——通过磁场储能来实现机、电能量转换体积能量密度磁场的总储能磁场的总储能（对线性介质）磁场能量主要存储在气隙中VmdVwWmBHwm21022122121BBBHWm第三节电机的电磁基本理论一、电感磁链Ψ磁通Φ磁导电感L自感互感漏电感电抗电感性质电感与线圈匝数的平方成正比，和磁场介质的磁导亦成正比关系，而和线圈所加的电压、电流或频率无关。电机的电感（电抗）与电机磁路的饱和有关电机的电感(电抗)与电机的电、磁结构有关对应不同的磁通需引用多种不同的电抗2NIINNIFNINIL二、电磁感应定律设有一线圈位于磁场中，当该线圈中的磁链发生变化时，线圈中将有感应电动势(简称电势)产生。感应电势的数值与线圈所匝链的磁链的变化率成正比。感应电势的方向将倾向于产生一电流，如电流能流通，该电流的磁化作用将阻止线圈的磁链发生变化。线圈中的感应电势将倾向于阻止线圈中磁链的变化dtdNdtdedtdNeBlve两种感应电势线圈中磁链的变化(1)磁通本身就是由交流电流所产生，也就是说磁通本身随时间在变化着，这样产生的电势称为变压器电势。（线圈与磁场相对静止）(2)磁通本身不随时间变化，但由于线圈与磁场间有相对运动而引起线圈中磁链的变化，这样产生的电势称为运动电势或速度电势e=Blv三、电磁力、电磁转矩导体位于磁场中时，用外力F加于导体使其以v速度运动，导体切割磁力线，导体中产生感应电势e=Blv，略去损耗导体上输入机械功率等于输出电功率。Fv=ei=Blvi，导体以恒速运行时，外力F必然有另一相平衡的力作用着，即载流导体在磁场中所受到的电磁力Fe。（发电机的基本作用原理）发电机（电动机）基本作用原理i-Fe-v电动机发电机v-e-i电磁转矩旋转电机的运动都系旋转运动，设导体位于电机的转子上，如把导体上所受到的电磁力乘以从导体至旋转轴之间的距离便得电磁转矩T，即T=Blir(N.m)r为转子的半径（m）四、电机可逆性原理如在电机轴上外施机械功率，通过电机导体在磁场中作用产生感应电势可输出电功率；如在电机电路中从电源输入电功率，则载流导体在磁场作用下可使电机旋转而输出机械功率。任何电机既可以作为发电机运行，又可以作为电动机运行不论用作发电机或电动机，感应电势和电磁力都同时作用于导体。第四节、电机的制造材料导电、导磁、绝缘、散热和机械支撑铜是最通用的导电材料。钢铁是良好的导磁材料，为了减小铁芯中的涡流损耗，导磁材料应当用薄片钢，称为电工钢片（硅钢片）。成分中含有少量的硅，使它有较高的电阻，同时又有良好的磁性能。绝缘材料：用于导体与导体间；导体和机壳或铁芯间。机械支撑：最好应用非磁性物质。电路与磁路的类比U+-RIF+-RmΦ概念思考为什么说发电机和电动机作用同时存在于一台电机中，但又不能同时既是发电机又是电动机提示：从能量传递，力的性质等方面考虑作业思考题：1-1，1-2，1-3习题：1-5，1-6（选做）