第1章 電機(jī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí).jsp

電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ),自動(dòng)化系陳燕,性質(zhì)：電氣自動(dòng)化和自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課,本課程的性質(zhì)、任務(wù)和內(nèi)容,任務(wù)：掌握電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和主要特性；掌握電力拖動(dòng)系統(tǒng)的分析計(jì)算；培養(yǎng)分析和解決問(wèn)題的能力，為今后學(xué)習(xí)和工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。,內(nèi)容：電機(jī)學(xué)：直流電機(jī)、變壓器、異步電機(jī)、同步電機(jī)、控制電機(jī)電力拖動(dòng)：電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)方法,特點(diǎn)：理論性很強(qiáng)，涉及面廣(電磁學(xué)、動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué))。實(shí)踐性強(qiáng)，用理論分析電機(jī)及拖動(dòng)的實(shí)際問(wèn)題時(shí)，必須結(jié)合電機(jī)的具體結(jié)構(gòu)，采用工程觀點(diǎn)和分析方法。,學(xué)習(xí)方法和要求：1、抓住重點(diǎn)，牢固掌握基本概念、基本原理和主要特性；2、要有良好的學(xué)習(xí)方法，運(yùn)用對(duì)比或比較的方法，分析電機(jī)的共性和特點(diǎn)，加深對(duì)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(shí)際，重視科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐；5、充分預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)。,本課程的特點(diǎn)、學(xué)習(xí)方法,1.3電機(jī)的制造材料,1.2電機(jī)的基本原理,1.1電機(jī)的基本功能與主要類(lèi)型,第1章電機(jī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí),電機(jī)與拖動(dòng),一、電機(jī)的作用與分類(lèi),能源系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備發(fā)電輸配電用電,各領(lǐng)域中有特殊要求的動(dòng)力裝置,電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換和信號(hào)傳遞的電磁裝置。（旋轉(zhuǎn)電機(jī)、變壓器）,1.1電機(jī)的基本功能與主要類(lèi)型,發(fā)電環(huán)節(jié)各種發(fā)電機(jī),引進(jìn)600MW汽輪發(fā)電機(jī),國(guó)產(chǎn)300MW汽輪發(fā)電機(jī),現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的水輪發(fā)電機(jī),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(jī)輸出的20kV左右的電壓升高。在我國(guó)，一般升高到220kV或500kV。,輸配電環(huán)節(jié)變壓器,連接發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的升壓變壓器,用電環(huán)節(jié)電動(dòng)機(jī),1）各行業(yè)廣泛使用電動(dòng)機(jī),2）在高新技術(shù)領(lǐng)域的新應(yīng)用,信息技術(shù)（雷達(dá)驅(qū)動(dòng)）航天航空航海生物醫(yī)學(xué)工程（多種醫(yī)療設(shè)備）,緒論,2.電機(jī)的分類(lèi),兩種方法歸納如下：,電機(jī),變壓器,直流電機(jī),直流發(fā)電機(jī),直流電動(dòng)機(jī),交流電機(jī),控制電機(jī),同步電機(jī),同步發(fā)電機(jī),同步電動(dòng)機(jī),異步電機(jī),異步發(fā)電機(jī),異步電動(dòng)機(jī),常用分類(lèi)方式：按功能分，有發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器和控制電機(jī)四大類(lèi)。按電機(jī)結(jié)構(gòu)及電源性質(zhì)分，有變壓器和旋轉(zhuǎn)電機(jī)。,1.2電機(jī)的基本原理,電系統(tǒng),耦合磁場(chǎng),機(jī)械系統(tǒng),電機(jī)(電磁裝置)的要素,一、磁場(chǎng)的基本概念,1.磁感應(yīng)強(qiáng)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(chǎng),回轉(zhuǎn)方向與電流方向符合右手螺旋法則,磁感線閉合，無(wú)頭無(wú)尾,任一點(diǎn)的磁感線不會(huì)相交，磁感應(yīng)強(qiáng)度唯一,2.磁通與磁通連續(xù)性定理磁通量垂直穿過(guò)某截面積的磁感線總和。單位：Wb,磁通連續(xù)性定理通過(guò)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(wú)關(guān)；B與電流的大小和介質(zhì)的性質(zhì)均有關(guān)。4.磁導(dǎo)率,單位：H/m真空中的磁導(dǎo)率:,3.磁場(chǎng)強(qiáng)度H(單位：A/m)矢量,物質(zhì)按磁導(dǎo)率分類(lèi)：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(dǎo)磁性0,鑄鋼：10000硅鋼片：(60007000)0玻莫合金：比0大幾萬(wàn)倍。,5.磁場(chǎng)儲(chǔ)能磁場(chǎng)中能量密度旋轉(zhuǎn)電機(jī)中氣隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度約為(0.40.8)T，鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度約為(l.01.8)T。旋轉(zhuǎn)電機(jī)的磁場(chǎng)能量主要儲(chǔ)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(jī)磁路,電機(jī)中的典型磁路,磁通的路徑稱(chēng)為磁路。在工程中，通常將磁場(chǎng)問(wèn)題簡(jiǎn)化為磁路問(wèn)題。,1.安培環(huán)路定律,沿空間任意條閉合回路，磁場(chǎng)強(qiáng)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(hào)，否則取負(fù)號(hào)。,若均勻磁場(chǎng)，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(xiě)為：,磁路中：磁導(dǎo)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(jìn)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(dòng)勢(shì)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(dǎo)體，導(dǎo)體外無(wú)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(dǎo)率不為常數(shù)（與磁路的飽和程度有關(guān)）線性電路，可以應(yīng)用疊加原理。鐵心磁路，不可以疊加（磁路飽和時(shí)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(yīng)強(qiáng)度達(dá)到B0=1T，問(wèn)需要多大的磁動(dòng)勢(shì)？,解：(1)磁路中的磁通=B0A0=10.001Wb=0.001Wb(2)各段磁路的磁感應(yīng)強(qiáng)度B0=1T,(3)各段磁路的磁場(chǎng)強(qiáng)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(dòng)勢(shì)F=Um0Um2Um2=(7960276168)A=8404A,氣隙長(zhǎng)度只有總磁路長(zhǎng)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(dòng)勢(shì)F1=N1I1=F2=N2I2，線圈的繞向及各量的方向如圖示。磁路左右對(duì)稱(chēng)，具體尺寸為：A1=A2=8cm2，l1=l2=30cm，A3=20cm2，l3=10cm。若已知3=0.002Wb，問(wèn)兩個(gè)線圈的磁動(dòng)勢(shì)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(yīng)定律,正方向規(guī)定：線圈的磁通與電動(dòng)勢(shì)符合右手螺旋關(guān)系。,當(dāng)與線圈交鏈的磁鏈=N發(fā)生變化時(shí)，線圈中將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。,變壓器電動(dòng)勢(shì),若線圈和磁場(chǎng)相對(duì)靜止，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)純粹是由于和線圈交鏈的磁通隨時(shí)間的變化而產(chǎn)生的。,主磁通,有效值,相量形式：,運(yùn)動(dòng)電勢(shì)的方向用右手定則確定。,運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì),導(dǎo)體切割磁感線則導(dǎo)體中感應(yīng)的電勢(shì)為運(yùn)動(dòng)電勢(shì),e=Blv,1.電磁關(guān)系勵(lì)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(dǎo)體與磁場(chǎng)垂直的情況下，若導(dǎo)體中電流為i，導(dǎo)體長(zhǎng)度為l，導(dǎo)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(jī)的可逆性原理,電動(dòng)機(jī)：通電電磁力轉(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)機(jī)械負(fù)載,發(fā)電機(jī)：原動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)發(fā)電,電機(jī)的可逆性原理任何電機(jī)既可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，又可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。,1.3電機(jī)的制造材料,導(dǎo)電材料（銅、鋁）,導(dǎo)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(jī)的部件組合在一起）,一、電機(jī)的主要制造材料,其他（散熱、冷卻、潤(rùn)滑材料）,二、鐵磁材料的重要特性1.高導(dǎo)磁性0,鑄鋼：10000硅鋼片：(60007000)0玻莫合金：比0大幾萬(wàn)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(dǎo)磁性被廣泛應(yīng)用于變壓器和電機(jī)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(chēng)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(jī)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(jì)算機(jī)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(chǎng)中時(shí)，材料被反復(fù)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(chǎng)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(dǎo)磁體又是導(dǎo)電體，交變磁場(chǎng)在鐵心中感應(yīng)的電