第1章 電機學基礎知識.jsp

電機與拖動基礎,自動化系陳燕,性質(zhì)：電氣自動化和自動化專業(yè)的專業(yè)基礎課,本課程的性質(zhì)、任務和內(nèi)容,任務：掌握電機的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和主要特性；掌握電力拖動系統(tǒng)的分析計算；培養(yǎng)分析和解決問題的能力，為今后學習和工作打下堅實的基礎。,內(nèi)容：電機學：直流電機、變壓器、異步電機、同步電機、控制電機電力拖動：電動機的起動、調(diào)速和制動方法,特點：理論性很強，涉及面廣(電磁學、動力學、熱力學)。實踐性強，用理論分析電機及拖動的實際問題時，必須結(jié)合電機的具體結(jié)構(gòu)，采用工程觀點和分析方法。,學習方法和要求：1、抓住重點，牢固掌握基本概念、基本原理和主要特性；2、要有良好的學習方法，運用對比或比較的方法，分析電機的共性和特點，加深對原理和性能的理解；3、抓主要矛盾，有條件地略去一些次要因素；4、理論聯(lián)系實際，重視科學實驗和工程實踐；5、充分預習和復習。,本課程的特點、學習方法,1.3電機的制造材料,1.2電機的基本原理,1.1電機的基本功能與主要類型,第1章電機學基礎知識,電機與拖動,一、電機的作用與分類,能源系統(tǒng)的關(guān)鍵設備發(fā)電輸配電用電,各領域中有特殊要求的動力裝置,電機實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換和信號傳遞的電磁裝置。（旋轉(zhuǎn)電機、變壓器）,1.1電機的基本功能與主要類型,發(fā)電環(huán)節(jié)各種發(fā)電機,引進600MW汽輪發(fā)電機,國產(chǎn)300MW汽輪發(fā)電機,現(xiàn)場運行的水輪發(fā)電機,20kV/500kV(220kV)500kV(220kV)/110kV110kV/35kV35kV/10kV10kV/380V,為把發(fā)電廠發(fā)出的電力輸送到四面八方的用戶，需要將發(fā)電機輸出的20kV左右的電壓升高。在我國，一般升高到220kV或500kV。,輸配電環(huán)節(jié)變壓器,連接發(fā)電機與電網(wǎng)的升壓變壓器,用電環(huán)節(jié)電動機,1）各行業(yè)廣泛使用電動機,2）在高新技術(shù)領域的新應用,信息技術(shù)（雷達驅(qū)動）航天航空航海生物醫(yī)學工程（多種醫(yī)療設備）,緒論,2.電機的分類,兩種方法歸納如下：,電機,變壓器,直流電機,直流發(fā)電機,直流電動機,交流電機,控制電機,同步電機,同步發(fā)電機,同步電動機,異步電機,異步發(fā)電機,異步電動機,常用分類方式：按功能分，有發(fā)電機、電動機、變壓器和控制電機四大類。按電機結(jié)構(gòu)及電源性質(zhì)分，有變壓器和旋轉(zhuǎn)電機。,1.2電機的基本原理,電系統(tǒng),耦合磁場,機械系統(tǒng),電機(電磁裝置)的要素,一、磁場的基本概念,1.磁感應強度B（單位：T）矢量,電流,用磁感線的疏密程度描述B的大小,磁場,回轉(zhuǎn)方向與電流方向符合右手螺旋法則,磁感線閉合，無頭無尾,任一點的磁感線不會相交，磁感應強度唯一,2.磁通與磁通連續(xù)性定理磁通量垂直穿過某截面積的磁感線總和。單位：Wb,磁通連續(xù)性定理通過任意封閉曲面的磁通量總和必等于零。,0=4107H/m,H與B的區(qū)別：,HI，與介質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)；B與電流的大小和介質(zhì)的性質(zhì)均有關(guān)。4.磁導率,單位：H/m真空中的磁導率:,3.磁場強度H(單位：A/m)矢量,物質(zhì)按磁導率分類：非磁性物質(zhì)、磁性物質(zhì)。非磁性物質(zhì)01）順磁物質(zhì)(如空氣):略大于0。2）反磁物質(zhì)(如銅)：略小于0。磁性物質(zhì)高導磁性0,鑄鋼：10000硅鋼片：(60007000)0玻莫合金：比0大幾萬倍。,5.磁場儲能磁場中能量密度旋轉(zhuǎn)電機中氣隙的磁感應強度約為(0.40.8)T，鐵心中的磁感應強度約為(l.01.8)T。旋轉(zhuǎn)電機的磁場能量主要儲存在空氣隙中。,二、磁路及其基本定律,u,主磁通,漏磁通,磁路,變壓器磁路,電機磁路,電機中的典型磁路,磁通的路徑稱為磁路。在工程中，通常將磁場問題簡化為磁路問題。,1.安培環(huán)路定律,沿空間任意條閉合回路，磁場強度H的線積分等于該閉合回路所包圍的電流的代數(shù)和。,正方向規(guī)定：若i與l符合右手螺旋關(guān)系，取正號，否則取負號。,若均勻磁場，閉合回線所包圍的總電流是由通有電流的N匝線圈提供的：,2.磁路歐姆定律,上式改寫為：,磁路中：磁導率不為常數(shù)（與磁路的飽和程度有關(guān)），磁阻也不為常數(shù)。電路中：電阻率為常數(shù)，電阻也為常數(shù)。,3.磁路基爾霍夫第一定律,312=0任一閉合面：=0,穿出或進入任何一閉合面的總磁通恒等于0,磁位差UmUm=HlUm=F,4.磁路基爾霍夫第二定律,沿任何閉合磁路的總磁動勢等于各段磁位降的代數(shù)和。,注意：磁路與電路相似，但性質(zhì)上是不同的：電路中，有電流，就有損耗；磁路中，有磁通，不產(chǎn)生損耗。電路中，電流只流經(jīng)導體，導體外無電流。磁路中，磁通流經(jīng)鐵心內(nèi)外。電路中，電阻率為常數(shù)；磁路中，磁導率不為常數(shù)（與磁路的飽和程度有關(guān)）線性電路，可以應用疊加原理。鐵心磁路，不可以疊加（磁路飽和時為非線性）,【例1】圖示磁路是由兩塊鑄鋼鐵心及它們之間的一段空氣隙構(gòu)成。各部分尺寸為：l0/2=0.5cm，l1=30cm，l2=12cm，A0=A1=10cm2，A2=8cm2。線圈中的電流為直流電流。要使空氣隙處的磁感應強度達到B0=1T，問需要多大的磁動勢？,解：(1)磁路中的磁通=B0A0=10.001Wb=0.001Wb(2)各段磁路的磁感應強度B0=1T,(3)各段磁路的磁場強度,由磁化曲線查得：H1=9.2A/cmH2=14A/cm,=796000A/m=7960A/cm,(4)各段磁路的磁壓降,Um0=H0l0=79601A=7960AUm1=H1l1=9.230A=276AUm2=H2l2=1412A=168A(5)磁動勢F=Um0Um2Um2=(7960276168)A=8404A,氣隙長度只有總磁路長度的2.3%,其磁壓降則占94.7！,【例2】圖示磁路由硅鋼制成。磁動勢F1=N1I1=F2=N2I2，線圈的繞向及各量的方向如圖示。磁路左右對稱，具體尺寸為：A1=A2=8cm2，l1=l2=30cm，A3=20cm2，l3=10cm。若已知3=0.002Wb，問兩個線圈的磁動勢各是多少？,解：由磁路基爾霍夫定律可得321=0Um1Um3=F1Um2Um3=F2已知：F1=F2，l1=l2可得：Um1=Um2,即H1l1=H2l2H1=H2因此B1=B21=2由于,=0.001Wb,所以,由磁化曲線查得：H1=6.5A/mH2=3A/m最后求得F1=F2=Um1Um3=H1l1H3l3=(6.530310)A=225A,三、電磁感應定律,正方向規(guī)定：線圈的磁通與電動勢符合右手螺旋關(guān)系。,當與線圈交鏈的磁鏈=N發(fā)生變化時，線圈中將產(chǎn)生感應電動勢。,變壓器電動勢,若線圈和磁場相對靜止，感應電動勢純粹是由于和線圈交鏈的磁通隨時間的變化而產(chǎn)生的。,主磁通,有效值,相量形式：,運動電勢的方向用右手定則確定。,運動電動勢,導體切割磁感線則導體中感應的電勢為運動電勢,e=Blv,1.電磁關(guān)系勵磁：u,u,iNie,電壓方程u=Rie,四、線圈的電路方程,電感：,電抗：X=L,=2fL,相量方程,五、電磁力定律,載流導體與磁場垂直的情況下，若導體中電流為i，導體長度為l，導體所在處的磁通密度為B，則電磁力為：,正方向：電磁力方向由左手定則決定,fBli,六、電機的可逆性原理,電動機：通電電磁力轉(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)帶動機械負載,發(fā)電機：原動機旋轉(zhuǎn)感應電動勢發(fā)電,電機的可逆性原理任何電機既可以作為發(fā)電機運行，又可以作為電動機運行。,1.3電機的制造材料,導電材料（銅、鋁）,導磁材料（鋼鐵，如硅鋼片、鑄鐵等）,絕緣材料（隔離電、磁系統(tǒng)）,結(jié)構(gòu)材料（將電機的部件組合在一起）,一、電機的主要制造材料,其他（散熱、冷卻、潤滑材料）,二、鐵磁材料的重要特性1.高導磁性0,鑄鋼：10000硅鋼片：(60007000)0玻莫合金：比0大幾萬倍。,磁性物質(zhì)內(nèi)部存在著很多很小的“磁疇”。,磁疇（磁化前）,磁疇（磁化后）,鐵磁材料的高導磁性被廣泛應用于變壓器和電機中。,起始磁化曲線,2.磁飽和性,B=H（常數(shù)）B與H的關(guān)系稱為BH曲線或磁化曲線。,磁化曲線,3.磁滯性,剩磁,矯頑磁力,磁滯回線,基本磁化曲線,(1)硬磁物質(zhì):BH曲線寬，Br大、Hc大。用于制造永磁鐵。(2)軟磁物質(zhì)：BH曲線窄，Br小、Hc小。用于制造變壓器、電機等電器的鐵心。(3)矩磁物質(zhì)：BH曲線形狀接近矩形，Br大、Hc小。用于計算機中，作記憶單元。,按磁滯回線的不同，鐵磁材料可分為：,(1)磁滯損耗Ph,4.鐵心損耗,鐵磁材料置于交變磁場中時，材料被反復交變磁化，磁疇相互摩擦造成能量的消耗。,ph=VfHdB,磁滯損耗系數(shù),磁場交變的頻率,最大磁密,鐵心的體積,=KhfBmV,磁滯回線的面積,電工鋼片:=1.62.3,(2)渦流損耗Pe,0.50mm0.35mm0.30mm0.27mm,鐵心既是導磁體又是導電體，交變磁場在鐵心中感應的電