电机学课件(东南大学)

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1、电机学电机学 The Theory of Electrical Machine主 讲： 林鹤云教授主 讲： 林鹤云教授 电气工程系 电机教研室电气工程系 电机教研室 Tel: 83794169-5(O) Email:课程概况绪论绪论变压器变压器交流电机共同理论交流电机共同理论异步电机异步电机同步电机同步电机直流电机直流电机两学期，共两学期，共96学时学时绪论第一节?第一节第一节电机在国民经济建设中的重要地位电机在国民经济建设中的重要地位?电：能量的一种形式电：能量的一种形式?电机：能量转换的一种装置电机：能量转换的一种装置?19世纪初 奥斯特、法拉第发现电磁感应现象世纪初 奥斯特、法拉第发现电

2、磁感应现象?电机和电力工业的研究开发开始起步电机和电力工业的研究开发开始起步绪论第一节?电能的优越性电能的优越性?大量生产 集中管理远距离传输自动控制大量生产 集中管理远距离传输自动控制?电机工业的地位电机工业的地位?电力工业 工矿企业国防农业 交通运输电力工业 工矿企业国防农业 交通运输 日常生活日常生活?电力工业以电机制造业的发展为基础电力工业以电机制造业的发展为基础?发电与用电过程发电与用电过程绪论第一节发电机发电机汽轮机汽轮机/水轮机水轮机燃煤燃煤水力水力升压变压器升压变压器降压变压器降压变压器电动机电动机电网电网绪论第一节?现代工农业生产中需要大量的电动机现代工农业生产中需要大量的电

3、动机?机械冶金 化学轻纺交通运输 农业机械冶金 化学轻纺交通运输 农业?特定用途的要求：特定用途的要求：?防爆，防腐蚀（石油，煤矿）防爆，防腐蚀（石油，煤矿）?防尘，防潮（轻纺）防尘，防潮（轻纺）?防碱酸（化工）防碱酸（化工）绪论第一节?特定性能的要求特定性能的要求?不同容量（几不同容量（几mW几千几千MW）?不同电压不同电压?不同启动性能不同启动性能?不同调速性能不同调速性能绪论第二节第二节第二节 电机发展简史及发展趋势电机发展简史及发展趋势?电机发展简史电机发展简史?两个时期两个时期?初期发展时期近代发展时期初期发展时期近代发展时期绪论第二节?前期的四个阶段：前期的四个阶段：?1 电磁感应

4、定律的发现：电磁感应定律的发现：?1821年法拉第发现了电动机作用原理， 制成原始型式的电动机年法拉第发现了电动机作用原理， 制成原始型式的电动机?1831年法拉第提出了电磁感应定律年法拉第提出了电磁感应定律绪论第二节?2 直流电动机的发展：直流电动机的发展：?励磁：励磁：1845年电磁铁代替永久磁铁年电磁铁代替永久磁铁 1867年自励发电机年自励发电机?电枢：电枢：1870年环形电枢年环形电枢 1873年鼓形电枢年鼓形电枢?电源：电源： 直流电动机由电池供电改为直流 发电机供电直流电动机由电池供电改为直流 发电机供电 1882年第一条直流输电线路年第一条直流输电线路绪论第二节?3 单相交流电

5、的应用：单相交流电的应用：?1876年交流电被应用于照明装置年交流电被应用于照明装置?1884年闭合磁路的变压器的制成年闭合磁路的变压器的制成?4 三相交流电的应用：三相交流电的应用：?1885年二相交流异步电机的模型年二相交流异步电机的模型?18891897年三相电动机和三相变压 器年三相电动机和三相变压 器绪论第二节?电机的发展趋势电机的发展趋势?单相容量不断提高单相容量不断提高?电机重量、材料、损耗、造价与容量 不成正比电机重量、材料、损耗、造价与容量 不成正比?1900年年 5MVA ?1920年年 25MVA/3000rpm 6MVA/1000rpm绪论第二节?1937年年 100M

6、VA/空冷空冷 150MVA/3000rpm/氢冷氢冷?1956年年 208MVA/定水转氢定水转氢?1960年年 1000MVA?设计、工艺、绝缘、结构材料设计、工艺、绝缘、结构材料?超导技术超导技术绪论第二节?电机技术和经济指标不断改进电机技术和经济指标不断改进?计算机辅助设计计算机辅助设计(CAD)，优化技术，优化技术?新工艺和新的测试方法新工艺和新的测试方法?应用范围不断扩大应用范围不断扩大?特定用途电机特定用途电机?潜水，防爆，船舶，纺织，矿用，林 业等潜水，防爆，船舶，纺织，矿用，林 业等绪论第二节?特殊用途电机特殊用途电机?高速电机，计时电机，陀螺电机等高速电机，计时电机，陀螺电

7、机等?新型结构电机新型结构电机?印制绕组电机，无刷电机，各类永磁 电机等印制绕组电机，无刷电机，各类永磁 电机等绪论第二节?60年代以来，电力电子的发展，电机 与控制系统相结合年代以来，电力电子的发展，电机 与控制系统相结合?电力电子的发展为电机运行，电力拖 动开辟新途径电力电子的发展为电机运行，电力拖 动开辟新途径绪论第三节第三节电机的主要作用第三节电机的主要作用?电机：能量转换装置电机：能量转换装置?有输入输出，效率有输入输出，效率?功率的单位：功率的单位：W,KW,MW?电机的基本作用原理：电机的基本作用原理：电磁感应定律电磁感应定律?旋转电机旋转电机?定子，转子和气隙定子，转子和气隙能

8、量转换的场所能量转换的场所1PP12r0r= 53 r1010 =绪论第四节?安培环路定律 （磁路基尔霍夫第二定律）安培环路定律 （磁路基尔霍夫第二定律）?数学公式数学公式: ?磁压磁压?磁动势（磁势：磁动势（磁势：?沿着磁场中任一闭合回路， 其总磁压等于总磁势沿着磁场中任一闭合回路， 其总磁压等于总磁势?=INdlH l dlHu l=IN=INUiIN4U2U1U3U绪论第四节?磁路，磁路参数磁路，磁路参数?磁阻磁阻?磁导磁导?磁路的欧姆定律：磁路的欧姆定律：=/1:)H()S/(l:)H(1=/U绪论第四节?磁路与 电路有本质上的不同：磁路与 电路有本质上的不同：?电流是带电粒子的真实运

9、动；而磁通只是 一种描述方法；直流电流通过电阻时会有 能量损失，而恒定磁通通过磁阻不会产生 任何损耗。电流是带电粒子的真实运动；而磁通只是 一种描述方法；直流电流通过电阻时会有 能量损失，而恒定磁通通过磁阻不会产生 任何损耗。绪论第四节?磁路的基尔霍夫第一定律磁路的基尔霍夫第一定律?依据：磁通连续性原理依据：磁通连续性原理?流入任一磁路节点磁通代数和为零流入任一磁路节点磁通代数和为零?0=+321 1 2 3?电路与磁路的类比电路与磁路的类比电路电路磁路磁路磁势磁势F(A)磁通磁通(Wb)磁阻磁阻=l/( S)磁导磁导 =1/ 磁路磁路F= 节点 节点 =0回路回路u= IN场强 场强 Hdl

10、=IN密度密度B= /S磁导率磁导率=B/H电势电势E(V)电流电流I(A)电阻电阻R= l/S电导电导G=1/R电路电路U=IR节点节点I=0回路回路U= IR场强 场强 Edl=U密度密度j=I/S电导率电导率=j/E绪论第四节?磁性材料的磁性材料的BH曲线曲线?BH曲线（磁化曲线）是材料的基本特 性曲线（磁化曲线）是材料的基本特 性?线性区：线性区：BH曲线为一直线曲线为一直线?饱和区：随着饱和区：随着H的增大，的增大，B的变化很小的变化很小绪论第四节?起始区起始区线性区线性区饱和区饱和区H（A/ m)B(T)绪论第四节?磁滞回线：磁滞回线：?剩余磁密：剩余磁密：?矫顽磁力： 根据大小不

11、同可分为软 磁和硬磁材料矫顽磁力： 根据大小不同可分为软 磁和硬磁材料rBcHcH?HBOHmBm BrHc-Hm-Bm绪论第四节绪论第四节?铁芯损耗铁芯损耗?铁芯损耗：铁芯损耗：?磁滞损耗磁滞损耗?涡流损耗涡流损耗B(交变）交变）涡流涡流导体导体绪论第四节?磁场储能磁场储能?体积能量密度体积能量密度?总能量总能量?对线性介质对线性介质:?=HdBmm =HdBVVWWmmmBH21m=)/()/(0r22 m2B2BW=绪论第四节?电感电感?定义：单位电流所产生的磁链定义：单位电流所产生的磁链?自感：自感：?分类：自感和互感分类：自感和互感2NIINNIFNINIL=/=/+=NNxxxNx

12、NIUNIU绪论第四节2U2I1N2N1221U1I1N2N211互感互感2121 2222112121212 122112 1111222 21NNIINNNMNNIINNNM=121121绪论第四节2U2I1N2N1221U1I1N2N2112122222 2LL= 1211111 1漏感漏感绪论第四节?电磁感应定律电磁感应定律?定义：定义：?当线圈中的磁链发生变化时，线圈中有感 应电动势产生当线圈中的磁链发生变化时，线圈中有感 应电动势产生?公式：或公式：或?线圈中的感应电动势倾向于阻止线圈中磁链 的变化线圈中的感应电动势倾向于阻止线圈中磁链 的变化dtde/=dtNde/=绪论第四节?

13、感应电势的方向：感应电势的方向：?右手定则右手定则xei绪论第四节?分类：根据磁链变化的方式的不同分类：根据磁链变化的方式的不同?变压器电势：磁通本身随时间变化变压器电势：磁通本身随时间变化?运动电势运动电势: 线圈与磁场有相对运动引起 线圈中磁链的变化线圈与磁场有相对运动引起 线圈中磁链的变化RBBV绪论第四节?电磁力、电磁转矩电磁力、电磁转矩?电磁力：电磁力：?电磁力的方向：左手定则电磁力的方向：左手定则?电磁转矩：电磁转矩：BliFe=BlirT =eFeBiReFBliFBlvieiFv=F v绪论第四节?电机的可逆性原理电机的可逆性原理?在电机轴上外施机械功率，通过电机导体 在电磁场

14、中作用可输出电功率在电机轴上外施机械功率，通过电机导体 在电磁场中作用可输出电功率Bvf外外iReF发电机原理发电机原理绪论第四节?在电机电路输入电功率，载流导体在磁场 作用下使电机旋转而输出机械功率在电机电路输入电功率，载流导体在磁场 作用下使电机旋转而输出机械功率EiBvFef阻阻电动机原理电动机原理绪论第四节?不论导体用作发电机或电动机，感应电 势和电磁力都同时作用不论导体用作发电机或电动机，感应电 势和电磁力都同时作用?感应电势感应电势外部端电压，外界输入机械功 率，作发电机运行外部端电压，外界输入机械功 率，作发电机运行?外部端电压外部端电压感应电势，外电源输入电功 率，作电动机运行

15、感应电势，外电源输入电功 率，作电动机运行绪论第四节?任何电机既可作为发电机运行，也可作为电动机运行任何电机既可作为发电机运行，也可作为电动机运行?发电机和电动机只是同一电机的不同运行方式发电机和电动机只是同一电机的不同运行方式绪论第五节第五节 电机的制造材料第五节 电机的制造材料?材料的功用：导电，导磁 ，绝缘，散 热和机械支撑材料的功用：导电，导磁 ，绝缘，散 热和机械支撑绪论第五节?导电材料：铜和铝导电材料：铜和铝?20oc时铜的电阻率为时铜的电阻率为17.2410-9.m ?20oc时铝的电阻率为时铝的电阻率为28.210-9.m?集电环的材料：黄铜，青铜和钢集电环的材料：黄铜，青铜和钢绪论第五节?导磁材料：导磁材料：?钢铁钢铁?电工钢片：含硅，电阻大，导磁率高，可 减小铁芯中的涡流损耗电工钢片：含硅，电阻大，导磁率高，可 减小铁芯中的涡流损耗?标准厚度标准厚度0.35, 0.5, 1mm，高频时高频时0.2, 0.15,0.1mm绪论第五节?绝缘材料的等级：绝缘材料的等级： O(90)，A(105)，B(120)，E(130)， F(155)，H(180)，C(180)?变压器油：变压器油：?作用：绝缘和散热作