00 电机学绪论

2020/1/301TheTheoryofElectricMachine2020/1/302绪论第一章直流电机第二章直流电动机的电力拖动第三章变压器第四章三相异步电动机第五章三相异步电动机的电力拖动第六章同步电机第七章驱动和控制微电机第八章电力拖动系统中电动机的选择电机及拖动电子教案2020/1/303绪论电机是利用电磁感应原理工作的机械。电机常用的分类方式有两种：一是按功能分，有发电机、电动机、变压器和控制电机四大类；二是按电机结构或转速分，有变压器和旋转电机。注意“机”与“器”的区别。0.1电机及电力拖动系统概述两种方法归纳如下：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2020/1/304绪论电机拖动系统是用电动机来拖动机械运行的系统。包括：电动机、传动机构、生产机械、控制设备和电源五个部分。0.1电机及电力拖动系统概述它们之间的关系如下电动机传动机构生产负载控制设备电源2020/1/305电机技术发展简介•1821年英国科学家法拉第,1834年亚哥比研制成功第一台实用直流电动机•1871年凡·麦尔准发明交流发电机•20世纪性能方面改进•我国解放前直流发电机200kw，电动机135kw，变压器2000kvA•JO,JO2,Y系列改进，50年代生产5万千瓦汽轮发电机，7.25万千瓦水轮发电机，12万千瓦变压器。2020/1/306电机技术发展简介•2002年交流电机累计7005万千瓦，03年8920万千瓦。•03与加拿大合作三峡电站70万千瓦混流式水轮发电机，05制造外径18.43m、1694.5吨发电机转子装于珠海发电厂。2020/1/307电机技术发展简介三峡工程共装设32台70万千瓦机组，为当今世界最大的水电机组。三峡工程目前已有17台机组投产发电，投产总装机容量达到1,190万千瓦，发电能力居中国水电站首位。2020/1/308绪论本课程是工业电气与自动化、电气技术和供用电技术等专业的一门专业基础课。0.2本课程的性质、任务和内容本课程的任务是让学生掌握电机的基本结构和工作原理，以及拖动系统的运行性能、分析计算、电机选择及试验方法，培养在电机及电力拖动方面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。本课程的内容有直流电机、直流电动机的电力拖动、变压器、三相异步电动机、三相异步电动机的电力拖动、同步电机、驱动和微控电机、电动机的选择八个部分。2020/1/309绪论电机及拖动是一门理论性很强的技术基础课，同时又具有专业课的性质，涉及的基础理论和实际知识面广，是电磁学、动力学、热力学等学科知识的综合。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。掌握基本理论的同时，还要注意培养实验操作技能和计算方法。0.3本课程的特点及学习方法为了学好本门课程，必须做到以下几点：1、抓主要矛盾，有条件地略去一些次要因素；2、抓住重点，牢固掌握基本概念、基本原理和主要特性；3、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；提高定量计算能力。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。2020/1/3010绪论磁场可由电流产生，整个磁场的情况可形象地用磁感线来描述，磁感线是闭合的曲线，且与闭合电路相交链，其方向与产生该磁场的电流方向符合右手螺旋定则。0.4磁场的基本物理量（1）磁通磁场中穿过某一截面积A的总磁感应线数称为通过该面积的磁通量，简称磁通（magneticflux),用表示，单位为韦（Wb)。（2）磁感应强度B(fluxdensity)描述磁介质中实际的磁场强弱和方向的物理量，它是一个矢量。B=/A。单位为特斯拉。2020/1/3011绪论0.4磁场的基本物理量（3）磁场强度H（magneticintensity)是进行磁场计算时引进的一个辅助物理量。方向与磁场方向相同。H与B的区别是：H代表电流本身产生的磁场强弱，反映了电流的励磁能力。其大小只与产生该磁场的电流大小成正比。与介质的性质无关；B代表电流所产生的以及介质被磁化后产生的总磁场的强弱，其大小不仅与电流的大小有关，还与介质的性质有关。H的单位为安每米（A/m)。（4）磁导率u(Permeability)u=B/H；它是衡量物质导磁能力的物理量，单位为亨每米H/m)。真空的磁导率为一常数，用u0表示，mH/104702020/1/3012绪论0.5物质的磁性能物质按磁导率的不同分为：磁性物质（magneticmaterial)和非磁性物质（non-magneticmaterial)。非磁性物质的磁导率u近似等于真空的磁导率u0。磁性物质亦称为铁磁物质，主要性能有：（1）高磁导性铸钢的u约为u0的1000倍，硅钢片的u约为u0的6000～7000倍。磁性物质的特点是有可转动的“磁畴”。电机采用铁心后，在同样的电流下，铁心中的B和将大大增加且比铁心外的大的多，这样，一方面可用较小的电流产生较强的磁场，另一方面可使大部分磁通集中在由磁性物质限定的空间内。（2）磁饱和线起始磁化曲线（initialmagnetizationcurve)（3）磁滞性2020/1/3013绪论0.4磁场的基本物理量剩磁强度Br；矫顽磁力Hc。基本磁化曲线（fundamentalmagnetizationcurve):同一铁磁物质，选取不同值的一系列Hm多次交变磁化，可得到一系列磁滞回线，由这些磁滞回线的正顶点与原点连成的曲线。硬磁材料的磁滞回线很宽，Br和Hc都很大，如钴钢，铝镍钴合金和钕铁硼合金等，常用来制造永久磁铁。软磁材料的磁滞回线很窄，Br和Hc都很小，如软铁，硅钢，玻莫合金和铁氧体等，常用来制造变压器，电机和接触器等的铁心。矩磁物质的磁滞回线接近矩形，Br大，Hc小，如镁锰铁氧体（磁性陶瓷）和某些铁镍合金等，常用在电子技术和计算机技术中。2020/1/3014绪论0.5磁路的基本定律电流通过线圈时产生的磁通可以分为两部分：主磁通（mainmagneticflux),漏磁通（leakagemagneticflux)。主磁路通过的路径称为磁路(magneticcircuit)。（1）磁路欧姆定律0000000;;ABHABHcABABcccccc全电流定律：在磁路中，沿任一闭合路径，磁场强度的线积分等于与该闭合路径交链的电流的代数和。即IHdl2020/1/3015绪论0.5磁路的基本定律当电流的方向与闭合路径的积分方向符合右手螺旋定则时，电流前取正号，反之取负号。律。此式称为磁路的欧姆定表示用称为线圈的磁动势（和磁路的磁阻（分别称为铁心、空气隙令;;;),)tan;;)(0000mmmomcmomocccmcmocccooccRFFRNIFFforceivemagnetomotNIcerelucmagneticRRRAlRAlRNIRAlAllHlHHdl2020/1/3016绪论0.5磁路的基本定律由于ucuo。lo尽管很小，Rmo仍然比Rmc大得多。因此，当磁路中由空气隙存在时，磁路的磁阻Rm将显著增加，若磁动势F一定，则磁路中的磁通将减少。反之，若保持磁路中的磁通一定，则磁动势就应增加。可见，磁路中应尽量减少不必要的空气隙。（2）磁路基尔霍夫第一定律：在磁路的任何一个闭合面上，磁路的代数和等于零。（3）磁路基尔霍夫第二定律：在磁路中沿任何闭合磁路径上，磁动势的代数和等于磁压降的代数和。0＝NIHl2020/1/3017电路磁路电流I[A]电流密度J[A/m2]电动势E[V]电阻[Ω]电导基尔霍夫第一定律基尔霍夫第二定律电路欧姆定律磁通Φ[Wb]磁通密度B[T=Wb/m2]磁动势F[A]磁阻[1/H]磁导[H]磁路节点定律全电流定律磁路欧姆定律lRs1GR0iueEIR1mRm0FRm磁路和电路的比较AlRmNIHl2020/1/3018练习1、全电流定律用公式表示为。2、磁路欧姆定律表达式为，其中。3、磁压降（磁位降）的表达式为。4、铁心气隙很小，气隙磁阻，气隙磁压降比其它各段铁磁路的磁压降之和，即励磁磁动势的绝大部分消耗在。IHdlmRFHl仍很大还要大得多气隙上mRAl2020/1/30195、空心线圈的电感是常数，而铁心线圈的电感不是常数，为什么？如果线圈的尺寸、形状和匝数相同，有铁心和没有铁心时，哪个电感大？铁心线圈的铁心在达到磁饱和和未达到磁饱和状态时，哪个电感大？lSNLSlNIRNIINLm2，两式可推出＝和由：o由上式知：空心线圈的磁导率是常数，所以它的电感也是常数；而铁心线圈的磁导率不是常数（随线圈电流的大小而变），所以电感也不是常数。线圈中有铁心时，因为，所以电感大。铁心达到磁饱和后，大大降低，因此L也随着减小。2020/1/3020练习6、用D23叠成的有间隙铁心它的截面积A=9×10－4m2，铁心平均长度l1=0.3m，空气隙长度0.5×10-3m，线圈的匝数N=500匝。试求产生磁通9.9×10-4Wb时所需要的励磁磁动势F和励磁电流I。（空气隙的截面也为A；D23磁化曲线中，B1=1.1T，H1=493A/m))(1.1109109.914411TABBBB相等与铁心段的则气隙段的相等，在各段相同，又截面积）给定的解：（2020/1/3021练习)/(1075.81041.1;/4931.125711mABHmAHTBo对空气段，时，当）对铁心段，由表查得（)(7.437105.01075.8)(9.1473.049333511AHAlH空气段的磁压降）铁心段的磁压降（)(17.15006.585)(6.585411ANFIAHlHNIF励磁电流）磁动势（2020/1/3022绪论0.6铁心线圈电路1、直流铁心线圈电路I=U/R;P=UI=RI22、交流铁心线圈（1）电磁关系在交流电路中电抗电感元件来代替它。漏电感，可用一个理想为一常数，称为线圈的线圈电感因此，与漏磁通对应的成正比。与磁导率为一常数，主要是非磁性物质，其由于漏磁通经过的路径用相量表示，则为,iNLiIREEURieeu＋u1－i1i2Φ12一次绕组二次绕组ZLe2e2e1e12020/1/3023绪论0.6铁心线圈电路),)()tan2impedanceleakagejXRZIZEIjXREUIjXEcereacleakagefLLX称为线圈的漏阻抗（式中位是相反的，因此电感电压与电动势的相；称为线圈的漏电抗（mmmmmfNEmEetEtfNtNdtdNet44.4290)90sin()90sin(2cossin为；在数值上它的有效值滞后于可见在相位上，则：＝设主磁通为：2020/1/3024绪论0.6铁心线圈电路几乎不变。值不变时，主磁通的最大和频率这说明：当外加电压不计，则在数值上都很小。如果将它忽略和一般地，铁心线圈中的用相量表示，即mmmfUfNEUXRfNjE44.444.4（2）功率关系交流铁心线圈的有功功率为cosUIP它包括两部分：铜损耗Pcu（copperloss);Pcu=RI2铁损耗PFe(coreloss)2020/1/3025绪论0.6铁心线圈电路为了减小磁滞损耗，铁心应选用软磁物质制成，如硅钢片，因其磁滞回线面积小，磁滞损耗小。（2）涡流损耗Pe（eddycurrentloss)VfBKPmhh铁损耗包括两部分：（1）磁滞损耗（hysteresisloss)VBfdKPmee222)6.12.1(2