第1章-电机学基础知识
主讲教师 魏佩瑜教授 电工电子教研室
2017年3月13日星期一
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第 1 章 电机学基础知识
1 1 电机的基本功能与主要类型 1.1 1.2 电机的基本原理 1.3 电机的制造材料
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1.1 电机的基本功能与主要类型
电机定义:是指依据电磁感应定律实现电能的转 换或传递的一种电磁装置。 换或传递的 种电磁装置。 一、按照能量转换和信号传递所起的作用分类 1 发电机 1. 将机械能转换为电能。 2 电动机 2. 将电能转换为机械能。 3 变压器、变流器、变频机、移相器 3. 变压器 变流器 变频机 移相器 变换电压、电流、频率、相位。 4 控制电机 4. 作为自动控制系统的控制元件,起检测、放大、 执行和校正作用 执行和校正作用。
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电机与电力拖动的发展概况
二、按运动方式及电源性质分类 静止电机-----------------变压器 直流电机 电机 旋转电机 交流电机 直流发电机 直流电动机 异步电动机 异步电机 异步发电机 同步电机 控制电机
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同步发电机 同步电动机
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电机与电力拖动的发展概况
三、电、电机与电力拖动的发展史 1. 电与电机的发展概况 在公元585年,泰勒斯发现了摩擦起电; 年 泰勒斯发现了摩擦起电 1672年格里凯解释了摩擦起电; 1746年荷兰的莫伸布洛克在莱顿镇制造了莱顿瓶; 1752年美国的富兰克林解释了雷和电的关系。 年美国的富兰克林解释了雷和电的关系 十八世纪末和十九世纪初,由于生产发展的需要, 在电磁方面的研究工作发展的很快。 在电磁方面的研究工作发展的很快 1785年库仑首先从实验室中确定了电荷间的相互作 用力,即库仑定律,使电荷的概念开始有了定量的意 义 义。
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电机与电力拖动的发展概况
1820年丹麦的奥斯特从实验室中发现了电流对磁针 有力的作用,揭开了电学理论新的一页; 同 年德国的安培确定了通过有电流的线圈其作用 同一年德国的安培确定了通过有电流的线圈其作用 与磁铁相似,这指出了磁现象的本质问题; 1826年德国的欧姆在通过实验而得出欧姆定律; 1831年英国 的法拉第发现 电磁感应定律, 为研制各种电 机奠定了重要 的理论基础;
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法拉第与最早的发电机 —— 法拉第盘 山东理工大学电工电子教研室 weipeiyu制作
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电机与电力拖动的发展概况
1832年皮克斯在电磁感应理论的指导下,制造了 第一台发电机; 1833年楞次建立了确定 感应电流方向的原则; 其后他致力于电机理论的研 究并阐明了电机的可逆性原 理。 1834年雅比克制造出世界 第 台电动机,从而证明了 第一台电动机,从而证明了 实际应用电能的可能性。
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皮克斯发明的直流发电机 山东理工大学电工电子教研室 weipeiyu制作 7
雅可比发明的世界上第一台电动机模型与实用电动机
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电机与电力拖动的发展概况
1838 年,俄国人用一台直流电动机拖动轮船, 年 俄国人用 台直流电动机拖动轮船 以 4 km/h 的速度逆流而上和顺流而下,这是最早 的实用电动机。 1845年用电磁铁代替了永久磁铁,此前电机中的 磁极是用永久磁铁制造的。 1866 年,德国科学家西门子制成的第一台自激式 发电机 标志着制造大容量发电机技术的突破 具 发电机,标志着制造大容量发电机技术的突破,具 有划时代的意义。
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Siemens 和他的自激式发电机
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1885 年,费那里斯发现了两相电流能产生旋转 年 费那里斯发现了两相电流能产生旋转 磁场。 1886 年,特斯拉研制出两相异步电动机。 年 特斯拉研制出两相异步电动机
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特斯拉与他发明的两相异步电动机 山东理工大学电工电子教研室 weipeiyu制作
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电机与电力拖动的发展概况
电机工程得以飞跃发展是与俄罗斯杰出的工程师 电机 程得以飞跃发展是与俄罗斯杰出的 程师 多里沃-多勃罗沃尔斯基的工作分不开的,他是三 相电路系统的创始者; 他在1889年相继发明和制造出三相异步电动机和 三相变压器,并首先采用了三相输电线,使电机基 本定型。 一个多世纪以来,电机的基本结构似乎并没有多大 个多世纪以来,电机的基本结构似乎并没有多大 的变化,但电机的类型有了很大的发展,在运行性 能 经济指标等方面都有了很大的改进和提高 能、经济指标等方面都有了很大的改进和提高。
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电机与电力拖动的发展概况
随着自动控制系统和计算机装置的发展,在 随着自动控制系统和计算机装置的发展 在一般旋 般旋 转电机的理论基础上,又发展了许多种可靠性,高 精度、快速响应的控制电机,成为电机学科的一个 独 的分支 独立的分支。 我国的电机工业在建国以来发生了巨大的变化。现 在已建立了自己的工业体系,有统一的国家标准、 统 的电机、变压器系列,能生产成套的大、小型 统一的电机、变压器系列,能生产成套的大、小型 火力和水力发电设备,基本上能生产满足国民经济 生产需要的各种电机。 生产需要的各种电机
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电机与电力拖动的发展概况
2.电力拖动的发展概况 最初电动机拖动代替了蒸汽或水力的拖动; 当时电动机拖动生产机械的方式是通过天轴来实 现的,称为“成组拖动”。 即由一台电动机拖动一组生产机械,从电动机到 各种生产机械的能量传送以及在各生产机械之间的能 量分配完全用机械的方式,靠天轴及机械传动来实现。 电动机远离车间 车间内有大量的天轴 长皮带 电动机远离车间,车间内有大量的天轴、长皮带 和皮带轮等,能量在传递过程中损耗大、效率低、易 出事故,若电动机发生故障,成组的生产机械将停产, 这是一种落后的拖动方式。 这是 种落后的拖动方式。
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电机与电力拖动的发展概况
二十世纪以来,生产机械上广泛采用 单电机拖动 二十世纪以来,生产机械上广泛采用“单电机拖动 系统”,即一台生产机械由一台单独的电动机拖动; 电动机与生产机械在结构上密切配合 从而进 步 电动机与生产机械在结构上密切配合,从而进一步 简化机构容易实现生产机械运动的全部自动化。 用一台电动机拖动具有多个工作机构的生产机械, 则机械内部仍保留着复杂的机械传动机构; 从上世纪三十年代起,广泛采用了“多电机拖动系 统” 即每 个工作机构用单独电机带动 这样生产 统”,即每一个工作机构用单独电机带动,这样生产 机械结构大大简化; 例对铣床来说共有3台电机即主轴电机、进给电机 和冷却电机。
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电机与电力拖动的发展概况
随着生产机械的发展,对上述单机、多机拖动系统 随着生产机械的发展 对上述单机 多机拖动系统 提出了更高的要求: 要求提高加工精度与工作速度 要求快速起动 制 要求提高加工精度与工作速度,要求快速起动、制 动及反转。 实现在宽广范围内调速及整个生产过程自动化等。 完成这些任务,除电动机外,还需有其他装置,组 成自动化的电机拖动系统。 随着电机及电器制造工业及各种自动化元件的发展, 随着电机及电器制造工业及各种自动化元件的发展 自动电力拖动系统得到不断的更新发展。 最初采用的控制系统是继电器—接触器型的。属于 有触点断续控制系统。
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电机与电力拖动的发展概况
随着电子技术的不断发展,无触点控制系统已被大量 采用,从分离元件到集成电路,直到近几年来的微机 处理系统。 处理系统 由于有触点控制系统有其独特的优点,目前仍被广泛 采用。 建国以来,电力拖动自动化系统技术的发展有了很大 的成绩,建立了一些有一定电力拖动自动化水平的工 厂 建立了 批科研与设计机构 自行设计和制造了 厂,建立了一批科研与设计机构,自行设计和制造了 一批具有一定水平的生产自动线。但与先进国家相比 差距较大; 控制电机方面,由于我们起步较晚,差距更大。
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电机与电力拖动的发展概况
四 本课程的性质和任务 四、本课程的性质和任务 专 专业技术基础课程。 技术 课程 了解各类电机的基本结构。 理解电机中的能量转换关系。 理解电机中的能量转换关系 掌握电机稳态运行时的分析方法和运行性能。 掌握电机稳态运行时的分析方法和运行性能 理解电机稳态运行时各种参数的物理意义,并 能熟练应用等效电路和相量图。 能熟练应用等效电路和相量图 通过实验,掌握电机的基本实验方法和电机使 用的基本技能。
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电机与电力拖动的发展概况
五 教学内容 五、教学内容 变压器 电 直流电机 动力电机 交流电机 机 控制电机 异步电机 同步电机
电机: 发电机和电动机。 电动机 磁场 发电机 水能 热能 风能 原子能
电能
机械能
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1.2 电机的基本原理
1.2.1 磁场的基本物理量 一、磁感应强度 、磁感应强度 磁感应强度B 表 磁场内某点磁场 弱 方向的物 量 表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。 磁感应强度B的方向 与电流的方向之间符合右手螺旋定则。 磁感应强度B的大小
F B Il
磁感应强度B的单位: 特斯拉(T),1T = 1Wb/m2
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均匀磁场:各点磁感应强度大小相等,方向相同的
磁场,也称匀强磁场。
二、磁通磁通
磁通Φ:穿过垂直于B方向的面积S中的磁力线总数。
在均匀磁场中Φ= B S 或B= Φ/S
说明:如果不是均匀磁场,则取如果不是均匀磁场则取B的平均值。的平均值
磁感应强度B在数值上可以看成为与磁场方向垂直的单位面积所通过的磁通,故又称磁通密度。磁通Φ的单位:韦[伯](Wb) 1Wb =1T·m2
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三磁场强度三、磁场强度
磁场强度H:表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。
是计算磁场时所引用的一个物理量,通过它来确定磁场与电流之间的关系。
磁场强度H的单位:安培/米(A/m)A/)
H与B B的区别H
①H ∝I,与介质的性质无关。
②B 与电流的大小和介质的性质均有关。
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11.2.2 22磁路及其基本定律
磁通所通过的路径称为磁路。所的路径称为路
主磁通
+iΦ
uΦ 磁路
-
漏磁通
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磁通量Φ等于磁通密度乘以面积
Φ=⎰BdS=BS
磁场强度等于磁通密度除以磁导率H=B/μ于是Ni=lB/μ=Φl/(μS)
F=ΦRm
W
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三、磁路的基尔霍夫定律、磁路的基尔霍夫定律
1. 磁路的基尔霍夫第一定律
Φ1+Φ2-Φ3=0或∑Φ=0
Φ闭合面1Φ2
i1i2
Φ3
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2.
磁路的基尔霍夫第二定律2.
Wi=∑Hklk=H1l1+H2l2+Hδδ=Φ1Rm1+Φ2Rm2+ΦδRmδ3
k=1
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五、电磁力定律五电磁力定律
载流导体在磁场中要受到力的作用,方向
用左手定则判定。
f=Bil
在旋转电机中,作用在转子载流导体上的电磁力将使转力将使转子受到一个力矩(等于力乘以转子半受到个力矩等力乘转半径),这个力矩称之为电磁转矩。电磁转矩在电机的能量形态转换起到重要的作用,以后会详细研究它。详细研究它
回顾右手定则,左手定则
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六、电路定律
(1)欧姆定律:u=iR
(2)基尔霍夫第一定律(电流定律)∑i=0
(3)基尔霍夫第二定律(电压定律)
在电路中,对任在电路中,对任一回路,沿回路环绕一周,回路内回路,沿回路环绕周,回路内所有元件的电压代数和等于零,即∑u=0。
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1.3 制造电机所用的材料
1.3.1 概述
制造材料主要包括:
导磁材料、导电材料、绝缘材料、结构材料、散热材料散热材料、冷却材料、润滑材料等。冷却材料润滑材料等
导电材料:铜、铝。
导磁材料:各种成分的铸钢(电工钢片)。绝缘材料绝缘材料:各种绝缘纸、油性玻璃漆布、各种绝缘纸油性玻璃漆布
有机硅玻璃粘带、酚醛玻璃纤维压塑料······ 绝缘等级容许工作温度/℃>180 2017年3月13日星期一山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作35
1.3.2磁性材料的磁性能1.3.2
磁性材料主要指铁、镍、钴及其合金等。
一、高导磁性高导磁性
磁性材料的磁导率通常都很高,即μr >>1 (如坡莫合金,其μr 可达2⨯105 )。
磁性材料能被强烈的磁化具有很高的导磁性能磁性材料能被强烈的磁化,具有很高的导磁性能。磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备中,如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心。在这种具有铁心的线圈中通入不太大的励磁电流在这种具有铁心的线圈中通入不太大的励磁电流,便可以产生较大的磁通和磁感应强度。
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磁性物质具有高导磁性是由于内部有很多被
强烈磁化的小磁铁。
这些小磁铁叫做“磁畴”。
磁畴(磁化前)磁畴(磁化后)
在外磁场的作用下,磁畴顺着外磁场方向转向,排列整齐,显示出磁性。
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二、磁饱和性
磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限的增强。
当外磁场增大到一定程度时,磁性物质磁畴的磁场方向全部都转向与外部磁场方向一致,磁化磁场的方向全部都转向与外部磁场方向致,磁化磁场的磁感应强度将趋向某一定值,如图。
BJ磁场内磁性物质的磁化磁场
的磁感应强度曲线;
B0 磁场内不存在磁性物质时的
磁感应强度直线;
BBJ曲线和B0直线的纵坐标相
加即磁场的B-H磁化曲线。
2017年3月13日星期一B•b•BBJB0O磁化曲线H38山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作
B-H磁化曲线的特征:
Oa段:B 与H几乎成正比地增加;
ab段:B B的增加缓慢下来;
b点以后:B增加很少,达到饱和。
OB•b•BBJ0
有磁性物质存在时,B 与H不成正有磁性物质存在时磁化曲线H比,磁性物质的磁导率μ不是常数,B,μ随H而变。B有磁性物质存在时,Φ与I 不成
正比。μ磁性物质的磁化曲线在磁路计算
上极为重要,其为非线性曲线,OH实际中通过实验得出实际中通过实验得出。B和μ与H的关系2017年3月13日星期一山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作39
三、磁滞性
磁性材料在交变磁场中反复磁化,其B-H关系曲线是一条回形闭合曲线,称为线是条回形闭合曲线,称为磁滞回线。
磁性材料中磁感应强度B的变化总是滞后于外磁场变
B化的性质化的性质。
剩磁感应强度Br(剩磁) :Br当线圈中电流减小到零
(H=0)时,铁心中的磁感应强度。
例如: 永久磁铁的磁性就是由
剩磁产生的;自励直流发电机
的磁极,为了使电压能建立,
也必须具有剩磁也必须具有剩磁。
2017年3月13日星期一•O•HcHweipeiyu制作磁滞回线40山东理工大学电工电子教研室
但剩磁也存在着有害的但剩磁也存在着有害的一面,面,
例如,当工件在平面磨床上加
工完毕后,由于电磁吸盘有剩完毕后由于电磁吸盘有剩
磁,还将工件吸住。为此要通
入反向去磁电流,去掉剩磁,
才能取下工件才能取下工件。
矫顽磁力HC:
使B = 0 所需的H 值。
磁性物质不同,其磁滞回线和磁性物质不同其磁滞回线和
磁化曲线也不同。
2017年3月13日星期一山东理工大学电工电子教研室BBr•O•HCH磁滞回线weipeiyu制作41
几种常见磁性物质的磁化曲线
B1.8
1.6
1.4
1.2
101.0
0.8
060.6
0.4
020.2⨯103H/(A/m)bcba
OH/(A/m)0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0⨯1032017年3月13日星期一a铸铁山东理工大学电工电子教研室b铸钢c 硅钢片weipeiyu制作42
按磁性物质的磁性能,磁性材料分为三种类型:
(1)软磁材料
具有较小的矫顽磁力,磁滞回线较窄。一般用来制造电机、电器及变压器等的铁心。常用的有铸铁、硅钢、坡莫合金即铁氧体等。
(2)永磁材料
具有较大的矫顽磁力,磁滞回线较宽。一般用来制具有较大的矫顽磁力,磁滞回线较宽般用来制造永久磁铁。常用的有碳钢及铁镍铝钴合金等。
(3)矩磁材料
具有较大的矫顽磁力和较大的剩磁,磁滞回线接近矩形,稳定性良好。在计算机和控制系统中用作记忆元件、开关元件和逻辑元件。常用的有镁锰铁氧体等体等。
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四、铁心损耗pFe
1. 磁滞损耗(pch)
由磁滞性所产生的能量损耗称为磁滞损耗( Pch)。
B磁滞损耗的大小:
单位体积内的磁滞损耗正比与磁滞回
线的面积和磁场交变的频率f。
磁滞损耗转化为热能引起铁心磁滞损耗转化为热能,引起铁心H发热。
减少磁滞损耗的措施:减少磁滞损耗的措施
机中使用的硅钢等材料的磁滞损耗较低。机中使用的硅钢等材料的磁滞损耗较低
选择适当的磁感应强度值以减小铁心饱和程度。2017年3月13日星期一山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作44
2. 涡流损耗(pwh)
涡流:交变磁通在铁心内产生感应电动势和电流,称为涡流。涡流在垂直于磁通的平面内环流。Φ
涡流损耗: 由涡流所产生的功率损耗涡流损耗转化为热能,引起铁心发热。Φ减少涡流损耗措施:
提高铁心的电阻率(通常由于硅钢把涡流限制在较小的截面内。
3. 铁耗pFe:铁心中的铁耗等于磁滞损耗和涡流损耗之和之和。
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2017年3月13日星期一本章结束weipeiyu制作46山东理工大学电工电子教研室