电机入门

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1、2018年9月29日星期六,1,2018年9月29日星期六,2, 电机的基本分析方法,方程式、相量图和等效电路的分析方法 归算算法 标么制 凸极处理法凸极隐极 对称分量法不对称 实验分析法实验 ,2018年9月29日星期六,3,概述 电机发展简史 电机中的基本电磁定律 铁磁材料特性 磁路基本定律及计算方法,需要了解,2018年9月29日星期六,4,1.1 概述 一、电机的定义,广义： 实施电能生产、传输、使用和电能特性变换的机械和装置。狭义： 电机是基于电磁感应定律、电磁力定律（能进行电磁感应），由电路和磁路所构成，能进行机电能量转换或信号变换的电磁机械装置。,2018年9月29日星期六,5,

2、二、电机的主要类型,据速度、电流分,2018年9月29日星期六,6,据能量转换分,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,2018年9月29日星期六,7,实物图,使用中的变压器,水轮发电机,电动机,汽轮发电机组,2018年9月29日星期六,8,三、电机中所用材料,电电路导电材料及绝缘材料导电材料：紫铜、铝线绝缘材料：聚脂漆、云母片 按耐热能力高低分六个等级 A105 E120 B130 F155 H180 C180,2018年9月29日星期六,9,2、磁磁路导磁材料硅钢片、铸

3、钢等导磁材料：铁磁材料3、力结构材料铸钢、铸铁、钢板等,2018年9月29日星期六,10,四、电机作用和地位,电能生产由同步发电机生产； 高压输电由升压变压器将发电机发出的电压升高到输电电压再输送； 降压用电由降压变压器将输来的高压电降为所需低电压，供给用电设备； 生产机械的拖动由各种电动机实现； 控制系统中的信号转换由各种控制电机完成。,2018年9月29日星期六,11,我国老牌电机厂： 哈尔滨电机厂 上海电机厂四川： 德阳 东方电机厂,2018年9月29日星期六,12,2018年9月29日星期六,13,2018年9月29日星期六,14,2018年9月29日星期六,15, 请观察电力系统示意

4、图，找到系统中使用的电机？,2018年9月29日星期六,16,1.2 电机发展简史,1电机的发展初期 FBli1821年 Faraday 电磁感应定律的发现1831年 Faraday 直流发电机1831年 Pixii 1876年 单相交流电的应用远距离传输 1885年 交流电动机 1889年 三相制三相交流电的应用 三相电机,2018年9月29日星期六,17,2电机的近代发展及趋势,单机容量不断增加 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,2018年9月29日星期六,电机学 第一章 导论,18,2018年9月29日星期六,19

5、,1.3 电机中磁路基本定律,1. 全电流定律安培环路定律,L,H,式中，若电流的正方向与闭合回线L的环行方向符合右手螺旋关系时，i取正号，否则取负号。,2018年9月29日星期六,20,l和l，两积分路径结果相同：,2018年9月29日星期六,21,2. 电磁感应定律,闭合回路中的磁通量随时间发生变化，该线圈中必然有感应电势产生，称这种现象为电磁感应。线圈中的感应电势将倾向于阻止线圈中磁链的变化。,2018年9月29日星期六,22,图1-2 电磁感应定律,正电动势产生正电流电流正方向 正电流产生正磁通 右手螺旋定则,2018年9月29日星期六,23,磁通变化原因,在变压器和电机的绕组中，磁通

6、的变化可以是磁通随时间脉动 或磁通不变，而线圈在转动。 对特种电机还可以是磁通随时间脉动，而线圈也在转动,2018年9月29日星期六,24,变压器电动势,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） 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,运动电动势,2018年9月29日星期六,25,变压器电势,若线圈不动，穿过线圈的磁通随时间变化，则线圈中感应的电动势变压器电势,感应电动势有效值：,2018年9月29日星期六,26,电动势和磁通相位关系,2018年9月

7、29日星期六,27,若磁场恒定，构成线圈的导体切割磁力线，使线圈交链的磁链随时间变化，导体中的感应电动势运动电动势。,运动电动势,感应电动势的方向_右手定则,2018年9月29日星期六,28,电磁力定律,载流导体在磁场中要受到力的作用电磁力。 左手定则,2018年9月29日星期六,29,电磁转矩,在旋转电机中，作用在转子载流导体上的电磁力将使转子受到一个力矩（等于力乘转子半径）电磁转矩。,匝数为N的线圈,2018年9月29日星期六,30, 最大转矩,线圈两侧边处磁场大小恒相等、极性恒相反,线圈总个数M，转子直径D，B大小处处相等。电机最大可能电磁转矩,电磁转矩,2018年9月29日星期六,31

8、,电磁转矩是电机实现机电能量转换的重要物理量。,电动机：电磁转矩驱动性质 电能机械能发电机：电磁转矩制动性质 机械能电能,P ：电磁功率（输入、输出） ：电机气隙磁场旋转角速度,功率关系求得电磁转矩,2018年9月29日星期六,32,1.4 铁磁材料特性,一、磁导率,=B/H,B：磁通密度、磁感应强度 H：磁场强度,电机主要由两大系统组成：电路系统和磁路系统。铁磁材料是组成磁路的主要部分。 所谓铁磁材料是指导磁性能好的材料，如：铁、镍、钴等以及它们的合金。,1、定义,2018年9月29日星期六,33,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,非铁磁材料磁导率接近真空磁导率0

9、 0=410-7 H/m 铁磁材料的磁导率Fe要比非铁磁材料磁导率0大得多（Fe） 铁磁物质:铁、镍、铝及其合金 电机中常用的铁磁材料的磁导率Fe=(20006000)0,2018年9月29日星期六,34, 考虑：为什么铁磁材料具有很高的导磁性能?,在铁磁物质未放入磁场之前，磁畴杂乱无章排列，其磁效应互相抵消，对外不呈现磁性。 将铁磁物放入磁场。在外磁场的作用下，磁畴的轴线趋于一致。形成一个附加磁场，叠加在外磁场上，使合成磁场大为增强。 铁磁材料的磁导率要比非铁磁材料大得多。 铁磁材料的磁导率Fe不是常数。,图1.5 铁磁材料中的磁畴,2018年9月29日星期六,35,2、磁化曲线,磁化曲线定

10、义：将一块尚未磁化的铁磁材料进行磁化，当磁场强度H由零逐渐增大时，磁通密度B将随之增大，得到曲线B=f(H)。,2018年9月29日星期六,36,分析磁化曲线，分四段,在oa段：当H增大B增大，但B增大速度较慢 在ab段：当H增大B增大，B增大速度快； 在bc段：B随H增大的速度又较慢； 在cd段：为磁饱和区（又呈直线段）。其中拐弯点b称为膝点；c点为饱和点。 过了饱和点c，铁磁材料的磁导率趋近0。,2018年9月29日星期六,37, 铁磁材料具有的特点,它的磁化曲线具有饱和性，磁导率Fe不是常数，且随H的变化而变化。 变化 总体非线性 存在饱和特性 H ,2018年9月29日星期六,38,B

11、,H,图1-6 铁磁材料的磁化曲线（p16）,a,b,c,2018年9月29日星期六,39, 应用,设计电机和变压器时，为使主磁路内得到较大的磁通量而又不过分增大励磁磁动势。通常把铁心内的工作磁通密度选择在膝点附近。,2018年9月29日星期六,40,二、磁滞与磁滞损耗 1、磁滞回线,剩磁:去掉外磁场之后，铁磁材料内仍然保留的磁通密度。 矫顽力:要使B值从减小到零，必须加上相应的反向外磁场，此反向磁场强度称为矫顽力。 磁滞现象：B的变化总是滞后H的变化 磁滞回线：磁场强度H缓慢地循环变化，BH曲线封闭曲线磁滞现象是铁磁材料的另一个特性。,2018年9月29日星期六,41,图1-7 铁磁材料的磁

12、滞回线,H,B,a,b,c,d,e,f,2018年9月29日星期六,42,基本磁化曲线：,对同一铁磁材料，选择不同的磁场强度进行反复磁化，可得一系列大小不同的磁滞回线，再将各磁滞回线的顶点联接起来，所得的曲线。,H,B,2018年9月29日星期六,43,2、铁磁材料,HC矫顽力 Br剩余磁感应强度 铁磁材料： 软磁材料-磁滞回线窄，HC及Br小 硬磁材料-磁滞回线宽，HC及Br大 HC及Br大，难退磁-永磁材料,2018年9月29日星期六,44,软磁材料的磁滞曲线,H,B,B,H,硬磁材料的磁滞曲线,2018年9月29日星期六,45,3、磁滞损耗,定义: 铁磁材料置于交变磁场中时，磁畴相互间不

13、停地摩擦、消耗能量、造成损耗，这种损耗称为磁滞损耗。,2018年9月29日星期六,46,全电流定律,电源供给线圈的瞬时功率,电磁感应定律,2018年9月29日星期六,47,建立交变磁通、克服磁畴回转所需要的瞬时功率p,Kh不同材料计算系数 试验确定的指数,经验公式：,2018年9月29日星期六,48,4、涡流损耗,铁芯是有阻值的，当磁通交变时，铁芯中就会感应交变的电势，在导电的铁芯中就会产生环流，这种电流在铁芯构成的回路与磁通相环链，故称涡流。 涡流产生的损耗称为涡流损耗。,kw与材料有关的比例系数,pW=K2f2d2Bm2V/12 V：钢片的体积 ：硅钢片的电阻率 d：硅钢片厚度 pWf2、

14、d2 、Bm2、1/、V 加入硅硅钢片增大,2018年9月29日星期六,49,图1-10 硅钢片中的涡流,B,2018年9月29日星期六,50, 应用,为减小涡流损耗，电机和变压器的铁心都用含硅量较高的薄硅钢片叠成。,2018年9月29日星期六,51,5、铁心损耗,铁芯中的磁滞损耗和涡流损耗之合称为铁芯损耗,对于一般的电工钢片，在正常的工作磁通密度范围内,2018年9月29日星期六,52,B增加,2018年9月29日星期六,53, 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 。,2018年

15、9月29日星期六,54,1.5 磁路基本定律和磁路的计算,电电路导电材料（及绝缘材料） 紫铜、铝线（绝缘:按耐热能力高低分A、E、B、F、H、C六个等级）磁磁路导磁材料硅钢片、铸钢等力结构材料铸钢、铸铁、钢板等,2018年9月29日星期六,55, 磁路 磁通所通过的路径。,主磁通：由于铁心的导磁性能比空气要好得多，所以绝大部分磁通将在铁心内通过,这部分磁通称为主磁通。 漏磁通：围绕载流线圈、部分铁心和铁心周围的空间，还存在少量分散的磁通，这部分磁通称为漏磁通。,主磁路：主磁通所通过的路径。 漏磁路：漏磁通所通过的路径。,2018年9月29日星期六,56,图 变压器的磁路,2018年9月29日星期六,57,一、磁路的欧姆定律,图1-12 单框铁心磁路,l,2018年9月29日星期六,58,磁阻,磁导,2018年9月29日星期六,59,与电路中的欧姆定律相似,模拟电路图,铁磁材料的磁导率不是一个常数，所以由铁磁材料构成的磁路，其磁阻不是常数，而是随着磁路中磁通密度的大小而变化，这种情况称为非线性。,2018年9月29日星期六,60,二、磁路的基尔霍夫第一定律,定律内容: 穿出(或进入)任一闭和面的总磁通量恒等于零(或者说，进入任一闭合面的磁通量恒等于穿出该闭合面的磁通量)，这就是磁通连续性定律。,