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1、电机学 Electric Machinery,四川大学电气信息学院,磁路 变压器 异步电机 同步电机 直流电机,本课程主要内容,先修课程：电路原理，电磁场。,课程简介,课程说明：本课程为电气工程类、自动化类、水电类专业的核心课程。通过本课程的学习，使学生掌握变压器、直流电机、同步电机、异步电机的基本工作原理及工作特性。 注：教材中星号部分作为了解。,（1）电机的定义 电机是一种进行机械能和电能的转换或信号传递和转换的电磁机械装置，它依靠电磁感应定律和电磁力定律运行，具有产生、传输和使用电能或作为电量之间、电量与机械量之间的变换器功能，是工业、农业、交通运输业和家用电器等各行业的重要设备，对国民
2、经济发展起着重要作用。,1.电机的定义和分类,注意：电机只能转换或传递能量，它本身不是能源。电机在能量转换过程中，遵守能量守恒原则，也就是说，要想从电机输出能量一定是先给电机输入能量，它不能自行产生能量。,（2）电机的分类,常用的分类方法有两种，一种是按照功能进行分类，另一种是按照结构特点及电源种类进行分类。 按照功能分类，电机可分为： 发电机将机械能转换为电能的电机； 电动机将电能转换为机械能的电机； 变压器将一种电压等级的交流电能改变为另一种电压等级的交流电能的静止电气设备； 控制电机用于控制系统中，进行信号的传递和转换的电机。,按照结构特点及电源种类，电机可分为： 变压器一种静止电气装置
3、； 旋转电机具有能做相对旋转运动的部件，运行时其转动部分做旋转运动。 旋转电机根据其电源种类不同，又可分为交流电机和直流电机，交流电机中又有同步电机和异步电机之分。,2.电机的应用,电能是现代生产和人们生活中最主要的能源，而电能的生产、输送、转换及使用过程中的核心设备就是电机，所以电机在国民经济各行各业以及人们的日常生活中的应用都非常广泛。,发电厂中，汽轮机（火力发电厂、核电厂）、水轮机（水电厂）、风力机（风电厂）等分别将热能、核能、水流的势能及风能等自然界中各种形式的能量转化为机械能，再通过发电机把机械能转变为电能。,图01 电力传输过程,发电机发出的电能首先经升压变压器升高到输电电压，进行
4、高压远距离输电，到了用户端，再通过降压变压器将电压降低到用户所需电压，供用户使用。在电能的生产、输送、分配和消费中，发电机、变压器、电力线路、负载和开关设备等连接在一起，构成了统一整体，即电力系统。在电力系统中，作为与电能的生产、输送、分配及使用有关的能量转换装置发电机和变压器，是电力系统中最重要的设备。,电能的生产，传输和分配,图0-1 水电站截面图,图0-2 水电站大坝图,图0-3 变电站及输电线路,拖动生产机械如金属切削、矿山机械、交通运输机械、起重机械、化工机械、农用机械、电动工具、家用电器等。,驱动生产机械和装备,图0-4 电动机的应用,控制系统和智能化装置的重要元件,图0-5 控制
5、系统中的电机应用,1821年，法拉第（Faraday）发现了载流导体在磁场中受力的现象，即电动机作用原理，原始电动机便产生了。1831年，他又发现了电磁感应定律，在这一定律指导下，很快便出现了直流发电机。之后，直流电机得到迅速发展。随着直流电机的广泛应用，其缺点也日益明显。首先，远距离输电时，为了减小线路损耗，需要提高发电机电压，但高压直流发电机的制造有许多不可克服的困难；其次，单机容量增大后，直流电机的换向也越来越困难。19世纪80年代后，人们的注意力逐渐转向交流电机。,3、电机的发展简史,1832年，人们就知道了单相交流发电机，但一直到1889年，才由多利夫多布罗夫斯基（Doliv-Dob
6、rovsky）提出了三相制的概念，并设计和制造了三相感应电动机。与单相和两相系统比较，三相系统效率高，用铜省，电机性价比、容量体积比和材料利用率都有明显改进，其优越性在1891年建成的从劳芬到法兰克福的三相电力系统中得到了充分体现。从此后一直到现在，交流三相制在电力工业中都占据了绝对统治地位。,随着交流电能需求的不断增加，交流发电站的建设迅速发展，至19世纪80年代末期，能直接与发电机连接的高速原动机代替蒸汽机的要求被提了出来，在19世纪90年代，许多电站就装上了单机容量为1000kW的汽轮发电机组。此后，三相同步电机的结构逐渐分为高速和低速两类，高速的以汽轮发电机为代表，低速的以水轮发电机为
7、代表。同时，由于大容量和可靠性等原因，几乎所有的制造厂家都采用了励磁绕组旋转（磁极安装在转子上）、电枢绕组静止（线圈嵌放在定子槽中）的结构型式。随着电力系统的逐渐扩大，频率也趋于标准化，但不同地区不同国家标准不同，如欧洲为50Hz，美国为60Hz，日本50Hz和60Hz都有，我国统一标准频率为50Hz等。,由于工业应用和交通运输等需要，19世纪90年代前后发明了将交流变换为直流的旋转变流机，以及具有调速和调频等调节功能的交流换向器电机。 在交流电机理论方面，1893年左右，肯涅利和斯泰因梅茨开始使用复数和相量来分析交流电路。1894年，海兰提出的“多相感应电动机和变压器性能的图解确定法”，是感
8、应电机理论研究的第一篇经典性论文。同年，费拉里斯采用将一个脉振磁场分解为两个大小相等、方向相反的旋转磁场的方法来分析单相感应电动机，这种方法后来被称为双旋转磁场理论。1894年前后，保梯和乔治又建立了交轴磁场理论。1899年，布隆代尔在研究同步电动机电枢反应过程中提出了双反应理论，这在后来被发展为研究所有凸极电机的基础。19世纪末，各种交、直流电机的基本类型及基本理论和设计方法，大体上都已经建立。,20世纪是电机发展史上的一个新时期，这个时期工业的高速发展对电机提出了各种新的、更高的要求，而自动化方面的特殊需要又使控制电机和新型、特种电机的发展更为迅速。这个时期，由于对电机内部电磁过程、发热过
9、程及其它物理过程的研究越来越深入，加上材料和冷却技术的不断改进，交、直流电机的单机容量、功率密度和材料利用率都有显著提高，性能日趋完善。,汽轮发电机方面，1900年，单机容量不超过5MVA，到1920年，转速为3000r/min的汽轮发电机容量已达25MVA，转速为1000r/min的汽轮发电机容量则达到60MVA。到1937年，用空气冷却的汽轮发电机容量达到100MW。1928年氢气冷却方式首次被用于同步补偿机，1937年推广应用于汽轮发电机后，转速为3000r/min的发电机容量上升为150MW。20世纪下半叶，电机冷却技术有了更大的发展，主要表现为直接将气体或液体通入导体内部进行冷却。于
10、是，电机温升不再是限制电机容量的主要因素，单机容量有了更大幅度的提高。1956年，定子导体水内冷、转子导体氢内冷的汽轮发电机容量达到208MW，1960年上升为320MW。目前，汽轮发电机的冷却方式还有全水冷(定、转子都采用水内冷，简称双水内冷)、全氢冷以及在定、转子表面辅以氢外冷等多种方式，单机容量已达1200-1500MW。,水轮发电机和电力变压器的发展与此类似。水轮发电机单机容量从20世纪初的不超过1000kW增加到目前的1200MW，电力变压器单台容量也完全能够与最大单机容量的汽轮发电机或水轮发电机匹配，电压等级最高已经达到1200kV。 电机功率密度和材料利用率的提高也可以从下面电机
11、质量的减轻和尺寸的减小数据看出：小型异步电动机19世纪时每千瓦大于60kg，第一次世界大战后降至每千瓦20kg左右，到20世纪70年代降为每千瓦10kg，电机体积也减小了50以上，技术进步的作用是显而易见的。,控制电机方面，20世纪30年代末期出现了各种型式的电磁式放大机，如交磁放大机和自激放大机等，就是生产过程自动化和遥控技术发展需要的产物。现今多种型式的伺服电机、步进电机、测速发电机、自整角机和旋转变压器等，更是各类自动控制系统和武器装备以及航天器中不可缺少的执行元件、检测元件。,解放前，我国电机工业极端落后，全国只有少数几个城市有电机制造厂家，而且规模小，设备差，生产能力低下。1947年
12、时，我国发电机年产量只有2万kW，电动机为5.1万kW，交流发电机的单机容量不超过200kW，交流电动机单机容量不超过230kW。,4. 我国电机工业发展概况,建国以后，我国电机制造工业得到迅速发展，经过几十年的努力，在大型交直流电机方面，已经研制成功25000kW的直流电动机，4700kW的直流发电机和42MW的同步电动机。在大型发电设备方面，已研制出300MW和600MW水氢氢冷汽轮发电机，300MW双水内冷和全氢冷汽轮发电机和1150MW的半转速核能发电机；水轮发电机方面，已研制出125、250、300、400、550MW的水轮发电机，而目前世界上容量最大的水轮发电机800MW的水轮发电
13、机也由国内最大的两家电机制造厂家东方电气集团东方电机有限公司和哈尔滨电机厂生产出来。电力变压器的最大容量也已做到440MVA，电压等级最高为110KV。,截至2008年底，我国发电设备装机容量达到79253万千瓦， 年总发电量34334亿千瓦时。预计到2020年，中国电力装机容量将突破12亿千瓦，全社会用电量将超过6万亿千瓦时。我国发电装机容量和发电量都已进入世界前列。 在中、小型电机和微型电机方面，已开发研制出上百个系列、上千个品种的各种电机。特殊电机方面，由于永磁材料的出现，制成了许多高效、节能、维护简单的永磁电机。,电机学是电气工程及其自动化专业学生的必修课程，是一门由基础课向专业课过渡的专业基础课程，也是比较难学习的一门课程。 通过对本课程学习，学生应建立并牢固掌握相关的基本概念，熟悉和掌握电机基本理论和基本分析方法，学习分析实际工程问题的思路和方法，并为后续专业课程学习做好准备，打好基础。 总之，电机学课程是理论性、实践性和综合性较强的一门课程，学习时应重视基本物理概念的理解和掌握，联系工程实际，熟悉数学计算方法，掌握实验技能，理论和实际结合，才能学好本课程。,5.电机学课程的性质和学习方法,
