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1、电机原理,东北大学,边春元 2012.12,内容介绍,内容介绍,绪论,一、电机发展简况 1.初期发展时期： 电磁感应定律的发现：1821年电动机作用原理，1831年电磁感应定律 直流电动机的发展：电磁铁永久磁铁，发电机化学电池 单相交流电的应用：交流电用于照明，闭合磁路的变压器制成 三相交流电的应用：二相交流电动机，三相交流电动机，三相变压器 2.近代发展时期： 1920年用于家用电器的单相交流电机诞生，各种主要电机有成型设计，开始了电动机的近代发展时期。 二、电力拖动系统的发展简况 1.成组传动 2.单电动机传动 3.多电动机传动,第一章 电磁理论基础知识,第一节 电磁理论的基本定律,第二节
2、 常用的铁磁材料及其特性,第三节 直流磁路的计算,第四节 交流磁路的特点,第一节 电磁理论的基本定律,一、磁路的概念,1.主磁通和漏磁通,当线圈中通以电流后，大部分磁感线沿铁心、衔铁和工作气隙构成回路，这部分磁通称为主磁通；还有一部分磁通，没有经过气隙和衔铁，而是经空气自成回路，这部分磁通称为漏磁通。,2.磁路,磁通经过的闭合路径叫磁路。磁路和电路一样，分为有分支磁 路和无分支磁路两种类型。,对磁路的几点说明,（l）磁路是由铁磁材料组成的闭合路径，在某些情况下，也含有微小的空气间隙。 （2）磁路中的磁通是由通有电流的线圈产生的，也可以是永久磁铁产生的，磁通基本上沿着磁路而闭合。 （3）磁路分为
3、无分支磁路（见图（a）、（b）、（c）和有分支磁路（见图（d）。有分支磁路的分支处称为磁路的节点。 （4）无分支磁路中，若磁路由同一种材料组成，而且截面积处处相等，称为均匀磁路，否则称为非均匀磁路。,1.全电流定律 在电机中通常都是由线圈通电来建立磁场，电流大小和方向决定着它所产生磁场的强弱和方向。 （1）右手螺旋定则 电流与它所产生的磁场，两者的方向关系用右手螺旋定则来判定。判定通电直导线所产生磁场的方向时，用大拇指代表电流方向，其他四指所指的环绕方向则为磁力线方向（见图（a）。判定通电线圈所产生磁场的方向时，用四指环绕方向代表线圈中电流方向，则大拇指所指方向即线圈内部的磁场方向（见图（b）
4、，图（c）是图（b）的一种示意图。,二、电磁理论的基本定律,（2）全电流定律 在磁场中，磁场强度的切向分量沿任一磁通闭合回路的线积分等于该回路所包围的电流代数和。磁场强度沿闭合回路的线积分，其结果与积分路径无关。因此有,式中， H沿该回路上各点切线方向的磁场强度分量； i导体中的电流，电流的正负号这样确定：凡导体电流方向与积分路径方向符合右手螺旋关系，则电流为正，反之为负; 该磁路的磁动势，简称磁势，以 F表示。 全电流定律是电机和变压器计算的基础。若磁路是由不同材料或不同长度和截面积的数段组成的，则全电流定律可表示为,式中，N 有效导体数，在此等于线圈匝数； Hi li磁路各段的磁压降（ i
5、=1,2,3,4）； li 磁路工程计算的平均长度（i=1,2,3,4 ）； 空气隙长度。 由物理学知识可知：磁场强度 H与磁感应强度B 及磁导率u 的关系为 工程上，常将磁感应强度B表示为单位面积的磁通量，称为磁通密度，简称磁密。,式中， 磁路磁通量； S磁路截面积。 磁力线总是闭合的，这一现象称为磁通连续性。事实上，由于漏磁通 的存在，磁路中各截面的磁通量并不相等，而且各段铁心的饱和程度不同，其相应的磁导率也不相同。 类比电阻的计算式，可定义磁路的磁阻 则式 可写为,如图1-5（a）所示，当与线圈AA 交链的磁通 发生变化时，在该线圈中产生的电势为 式中， ，即 ，称为线圈的磁链。 在此，
6、设感应电势 的参考方向与磁通 满足右手螺旋定则，如图1-5（b）所示。当 增加时，线圈中感应电势的实际方向与所设正方向相反，具有反抗磁通变化的趋势，故上式中有负号。,2.电磁感应定律,一般情况下，磁通 是时间 和线圈对磁场相对位移 的函数，即 。因此，式 展开为 在上式中，若 ，则 称为变压器电势。 在上式中，若 则,称为速度电势，在电机理论中，也称为旋转电势。 3.电磁力定律 通电导体在磁场中将受到力的作用，这种力称作电磁力。 当电流方向与磁场方向互相垂直时，如图1-7（a）所示，电磁力的大小为 式中， 导体中电流。 电磁力的方向用左手定则来判定：手心迎着磁场方向，四指代表电流方向，则大拇指
7、所指方向为电磁力方向，如图1-7（b）所示。同样，要求 、 和 三者空间方向应相互垂直。,3.电路定律 电路定律是指基尔霍夫电流定律及电压定律，即 和 。 电压定律表明：任一电路中，沿某一方向环绕回路一周，该回路内所有电势的代数和等于所有电压降的代数和。回路中各个电量的正、负号这样来确定：先规定电流、电势和电压的参考方向，然后选定环绕回路一周的参考方向；凡是各电量的参考方向与环绕方向一致的取正号，反之则取负号。,铁磁物质包括铁、镍、钴等以及它们的合金。将这些材料放入磁场中，磁场会显著增强。铁磁材料在外磁场中呈现很强的磁性，此现象称为铁磁物质的磁化（图示1-8）。,第二节常用的铁磁材料及其特性,
8、一、铁磁材料的磁化,二、磁化曲线和磁滞回线 1.起始磁化曲线,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，曲线B=f(H)就称为起始磁化曲线（图示）。,分析：起始磁化曲线基本上可分为四段 磁化曲线开始拐弯的b点，称为膝点或饱和点,2. 磁滞回线,Br称为剩余磁感应强度， 简称剩磁密度； Hc称为矫顽力， 铁磁材料所具有的这种磁通密度B的变化滞后于磁场强度H变化的现象，叫做磁滞。 呈现磁滞现象的B-H闭合回线，称为磁滞回线，,3. 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
9、的曲线。（图示） 基本磁化曲线与起始磁化曲线的差别很小,三、铁磁材料,磁滞回线窄，剩磁和矫 顽力都小的材料，称为软磁材料，常用的软磁材料有电工硅钢片、铸铁、 铸钢等。软磁材料磁导率较高。如图1-13a示。,碰滞回线宽，剩磁Br和矫顽力Hc都大的铁磁材料称为硬磁材料，如图1-13b所示。由于剩磁大，可用以制成永久磁铁，因而硬磁材料亦称为永磁材料，如铝镍钻、铁氧体、稀土钴、钕铁硼等。,1.软磁材料,2.硬磁材料,四、铁芯损耗 1.磁滞损耗,铁磁材料置于交变磁场中，材料被反复交变磁化，磁畴相互不停地摩擦而消耗能量，并以产生热量的形式表现出来，造成的损耗称为磁滞损耗。,工程上可写为：,为磁滞损耗系数,
10、2.涡流损耗,当通过铁心的磁通随时间变化时，铁心中将产生感应电动势，并引起环流。这 些环流在铁心内部作旋涡状流动，称为涡流，涡流在铁心中引起的损耗，称为涡流损耗。（图示）,分析可得：,为涡流损耗系数,第三节 直流磁路的计算,(1)将磁路进行分段，每一段磁路应是均匀的（即材料相同，截面相同），算出各段的截面积S磁路的平均长度l. (2)根据已给定的磁通 （单位为Wb )，由 计算出各段的磁通密度（单位为 T）。 (3)根据各段的磁通密度 B，求出对应的磁场强度 H（单位为A/m )。有两种类型： 对铁磁材料，由相应的基本磁化曲线（或表格）从 B查出H； 对空气气隙或非磁性间隙，由 H=B/u0，
11、 。考虑到气隙磁场的边缘效应，在计算气隙有效面积时，通常在长、宽方向各增加一个气隙长度 值。 (4)根据各段的磁场强度 H和磁路段平均长度 l，计算各段磁压降Hl。 （5）由全电流定律，求出F=NI(单位为A)，并计算出线圈电流I。,工程计算，已知磁通 求磁动势F,第四节 交流磁路的特点,1. 交流磁路中，激磁电流是交流，因此磁路中的磁动势及其所激励的磁通均随时间而交变，但每一瞬时仍和直流磁路一样，遵循磁路的基本定律。 2.就瞬时值而言，通常情况下，可以使用相同的基本磁化曲线。 3.磁通量和磁通密度均用交流的幅值表示，磁动势和磁场强度则用有效值表示。,1.磁通量随时间交变，必然会在激磁线圈内产
12、生感应电动势； 2.磁饱和现象会导致电流、磁通和电动势波形的畸变。,特点,交变磁通的两个效应,第二章 变压器,第一节 变压器的工作原理和基本结构,第二节 单相变压器的空载运行,第三节 单相变压器的负载运行,第四节 三相变压器,第五节 等效电路参数的测定,第六节 标幺值,第七节 变压器的运行特性,第八节 变压器的并联运行,第九节 自耦变压器和仪用互感器,第一节、变压器的工作原理和基本结构,一次绕组,二次绕组,铁芯,负载,一、变压器的简单工作原理,变压器铁心的结构有心式、壳式等形式。壳式结构的特点是铁心包围绕组的顶面、底面和侧面，心式结构的特点是铁心柱被绕组包围，壳式结构的机械强度较好，但制造复杂
13、，常用于低压、大电流的变压器或小容量电源变压器。,变压器的主要结构：铁心和绕组。铁心是变压器的磁路部分；绕组是变压器的电路部分。,二、变压器的基本结构,心式变压器,壳式变压器,高压绕组,低压绕组,绕组有同心式和交叠式两种,绕组式变压器的电路部分，一般用铜或铝的绝缘导线绕成。,额定值是制造厂对变压器在指定工作条件下运行时所规定的一些量值。额定值通常标注在变压器的铭牌上。变压器的额定值主要有：,三、变压器额定值,1.额定容量SN 额定容量是指额定运行时的视在功率。以 VA、kVA或MVA表示。由于变压器的效率很高，通常一、二次侧的额定容量设计成相等。 2.额定电压U1N和U2N 正常运行时规定加在
14、一次侧的端电压称为变压器一次侧的额定电压U1N。二次侧的额定电压U2N 是指变压器一次侧加额定电压时二次侧的空载电压。额定电压以V或kV表示。对三相变压器，额定电压是指线电压。 3.额定电流I1N和I2N 根据额定容量和额定电压计算出的线电流，称为额定电流，以A表示。,对单相变压器 对三相变压器 4.额定频率fN我国工业标准50Hz 除额定值外，变压器的相数、绕组连接方式及联结组别、短路电压、运行方式和冷却方式等均标注在铭牌上。额定状态是电机的理想工作状态，具有优良的性能，可长期工作。,一、空载运行时的物理情况 空载运行：是指变压器原绕组接到额定电压、额定频率的电源上，副绕组开路时的运行状态。
15、,第二节、单相变压器的空载运行,空载运行,电磁关系,二、主磁通与感应电动势 假定主磁通按正弦规律变化，即 =msint 根据电磁感应定律和对正方向规定，一、二次绕组中感应电动势的瞬时值为 ：,式中： 在变压器中，原、副绕组的感应电动势E1和E2之比称为变压器的变比，用 表示，即： 上式表明，变压器的变比等于原、副绕组的匝数比。当变压器空载运行时，由于U1E1 ，U20E2，故可近似地用空载运行时原、副方的电压比来作为变压器的变比，即,三、空载电流,变压器空载运行时原绕组中的电流 主要用来产生磁场，又称为励磁电流，分析它的波形：,当考虑铁心损耗时，励磁电流 中还必须包含铁耗分量，即 这时励磁电流 将超前磁通一相位角,根据对正方向的规定，得到空载时电动势平衡方程式： 将漏感电动势写成压降的形式 ：,四、空载运行时的电动势平衡方程式、向量图和等效电路,式中 Z1=R1+ 1原绕组的漏阻抗。 对于电力变压器，空载时原绕组的漏阻抗压降I0Z1很小， 其数值不超过U1的0.2%，将I0Z1忽略，则上式变成
