電機(jī)學(xué)課件 01電機(jī)學(xué)－概論

1、電機(jī)學(xué)主講教師：許伯強(qiáng)Itsmygreatpleasuretostudy ElectricMachinery.Togetherwithofyou.主講教師：許伯強(qiáng)之簡(jiǎn)介主講教師：許伯強(qiáng)之簡(jiǎn)介主講教師：許伯強(qiáng)之簡(jiǎn)介主講教師：許伯強(qiáng)之簡(jiǎn)介分別于1994年、1997年、2003年在華北電力大學(xué)獲工學(xué)學(xué)士、碩士、博士學(xué)位。2003年2005年在清華大學(xué)從事博士后研究工作。1997年任教于華北電力大學(xué)電機(jī)教研室。2004年晉升副教授?？蒲蓄I(lǐng)域：異步電動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷異步電動(dòng)機(jī)初發(fā)故障在線檢測(cè)儀Motor Incipient Failure On-lineDetector MIFODor覓方達(dá)聯(lián)系方

2、式：電話752210613931369357 HYPERLINK mailto: 電子信箱概論電機(jī)的作用及主要類型概論電機(jī)的作用及主要類型0-1概論電機(jī)的作用及主要類型概論電機(jī)的作用及主要類型0-1最主要的能源，并對(duì)人類文明的發(fā)展起到重要推動(dòng)作用。是國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行各業(yè)中的關(guān)鍵性設(shè)備，并且與我們的日常生活密切相關(guān)。我們學(xué)習(xí)、理解、掌握電機(jī)的原理、特性，非常必要。間相互轉(zhuǎn)換的機(jī)械。 電機(jī)表示發(fā)電機(jī)運(yùn)行表示電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電系統(tǒng) 圖電機(jī)能量轉(zhuǎn)換示意圖電機(jī)的分類按電流形式分類直流電機(jī)（Directcurrentmachine）電機(jī)輸入或輸出的能量為直流電能。交流電機(jī)（Alternatingcurrentmac

3、hine）電機(jī)輸入或輸出的能量為交流電能。主要包括：變壓器（Transformer）交流電機(jī)同步電機(jī)(Synchronous machine)異步電機(jī)(Asynchronous machine)電機(jī)的分類按用途分類將某一等級(jí)的交流電壓與電流轉(zhuǎn)變成另一等級(jí)的交流電壓與電流的靜止電器。發(fā)電機(jī)（Generator）將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的機(jī)。電動(dòng)機(jī)（Motor）將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的旋轉(zhuǎn)電機(jī)?？刂齐姍C(jī)（Controlling machine）主要用途是為了執(zhí)行如測(cè)速電機(jī)、光驅(qū)馬達(dá)、機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)。變壓器直流發(fā)電機(jī)直流電動(dòng)機(jī)直流電機(jī)電機(jī)同步電機(jī)同步電機(jī)交流電機(jī) 同步發(fā)電機(jī) 同步電動(dòng)機(jī) 異步發(fā)電機(jī)異步電機(jī)異步

4、電動(dòng)機(jī)注：發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)是同一電機(jī)的兩種不同運(yùn)行方式，其基本原理是一致的。力系統(tǒng)全部負(fù)荷中，所占比例超過(guò)60%。概論概論概論電機(jī)中所用材料和鐵磁材料的特性概論電機(jī)中所用材料和鐵磁材料的特性0-2電機(jī)研究領(lǐng)域的新進(jìn)展超導(dǎo)、納米等新材料技術(shù)的飛速發(fā)展，電機(jī)研究領(lǐng)域也取得諸多卓越成果。高性能的新型電機(jī)不斷涌現(xiàn)。開關(guān)磁阻電機(jī)、（超）電機(jī)、（超）大容量發(fā)電機(jī)。高性能的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，變頻調(diào)速、串級(jí)調(diào)速。電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷。在線監(jiān)測(cè)電機(jī)相關(guān)運(yùn)行參數(shù)（如電壓、電流、磁通、轉(zhuǎn)速、溫度、振動(dòng)、噪聲、局部放電），并采用適當(dāng)方法評(píng)估電機(jī)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)；若處于故障狀態(tài)，則確定故障類型、發(fā)生部位、嚴(yán)重程度及發(fā)展趨

5、勢(shì)。電機(jī)是一種以磁場(chǎng)為媒介，按照電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn) 換的換能機(jī)械，所以在電機(jī)中必須具有引導(dǎo)磁通的鐵心磁路和 引導(dǎo)電流的良導(dǎo)體電路。為了把帶電部分分隔開以構(gòu)成電路， 帶電導(dǎo)體之間及導(dǎo)體與鐵心之間還應(yīng)有絕緣物質(zhì)。電機(jī)在運(yùn)行 中要產(chǎn)生熱量，為了保證電機(jī)在允許溫度下正常運(yùn)行，必須有 但卻是構(gòu)成電機(jī)整體所必須的結(jié)構(gòu)部分。概論電機(jī)中所用材料和鐵磁材料的特性概論電機(jī)中所用材料和鐵磁材料的特性0-2概論電機(jī)中所用材料和鐵磁材料的特性概論電機(jī)中所用材料和鐵磁材料的特性0-2電機(jī)主要由以下五部分材料構(gòu)成導(dǎo)電材料：用來(lái)構(gòu)成電路。為了減少電阻損耗，電機(jī)線圈常用 紫銅線和鋁線制成。導(dǎo)磁材料：用來(lái)構(gòu)成磁路。為了增加磁

6、路的導(dǎo)磁性能，使在一定的勵(lì)磁電流下產(chǎn)生較強(qiáng)的主磁場(chǎng)，電機(jī)主磁路一般采用導(dǎo)磁性能較高和鐵心損耗較小的硅鋼片制成；在直流單向磁路且兼作結(jié)構(gòu)支撐的部分，常采用導(dǎo)磁性能較高的鋼板或鑄鋼制成。絕緣材料：要求介電強(qiáng)度高，耐熱性能好。常用的絕緣材料有 A、E、B、F、H、C等級(jí)。冷卻材料：用來(lái)冷卻電機(jī)和變壓器，要求熱容量和導(dǎo)熱能力大。常用氣體冷卻材料（如氫氣、空氣等）和液體冷卻材料（如油、水等）兩類。結(jié)構(gòu)材料：主要要求機(jī)械強(qiáng)度好。常用的結(jié)構(gòu)材料有鑄鐵、鑄鋼和鋼板。一、磁導(dǎo)率很大物質(zhì)按磁性能分，可分為：順磁性物質(zhì)磁導(dǎo)率略大于真空磁導(dǎo)率0，如鋁、鉻、錳、氧等。抗磁性物質(zhì)磁導(dǎo)率略小0 ，如銅、銀、鉛、鉍、氫等。

7、鐵磁性物質(zhì)磁導(dǎo)率fe 00 4 107 H / m (2000 6000)0在工程計(jì)算中，除了鐵磁物質(zhì)外，其余物質(zhì)的磁導(dǎo)率都認(rèn)為與真空的磁導(dǎo)率相同。一、磁導(dǎo)率很大鐵磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率很大的原因：NS(a) 未被磁化(b) 稍微磁化(c) 完全磁飽和 2鐵磁物質(zhì)磁化的磁疇理論鐵磁物質(zhì)的特性二、磁通密度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H呈飽和曲線關(guān)系磁通密度（magnetic flux density）B與磁場(chǎng)強(qiáng)度（magnetic filed strength）H的關(guān)系曲線稱為磁化曲線（magnetization curve）。0BB0BB0cba0H0BfeH非鐵磁物質(zhì)(b)鐵磁物質(zhì)0-3磁化曲線和磁導(dǎo)率曲線鐵磁物

8、質(zhì)的特性二、磁通密度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H呈飽和曲線關(guān)系對(duì)于鐵磁材料，開始磁化時(shí)fe最大值以后又減小下來(lái)。愈飽和，磁導(dǎo)率愈小。為了充分利用鐵磁材料，并使磁路具有較高的fe值，使磁把B值選擇在b點(diǎn)（稱為膝點(diǎn)）附近。鐵磁物質(zhì)的特性磁滯回線：磁化曲線可以用實(shí)驗(yàn)測(cè)取。在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)H由零上升到某個(gè)最大值Hm后再逐漸減小，過(guò)零后繼續(xù)反向磁化，直到磁場(chǎng)強(qiáng)度為-Hm，之后又磁化到Hm，如圖0-4所示。該閉合曲線稱為鐵磁材料的磁滯回線。注：不同的鐵磁材料有不同的磁滯回線形狀。對(duì)于同一鐵磁材料，Hm愈大，則磁滯回線的面積愈大。HcBbBbBrBm-Hmc0HmH鐵磁物質(zhì)的特性三、存在磁滯現(xiàn)象基本概念：磁滯：從磁滯回線可以

9、看出，上升磁化曲線與下降磁化曲線不重合。下降時(shí)，B的變化總是滯后于H的變化，當(dāng)H下降到零時(shí)，B沒(méi)有下降到零而是下降到某一數(shù)值Br，這種現(xiàn)象稱為磁滯。Br稱為剩余磁通密度；對(duì)應(yīng)于B=0的磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc稱為矯頑力。HBbBbBrBm-Hmc0Hm圖0-4鐵磁材料的磁滯回線平均磁化曲線：同一鐵磁材料在不同的Hm值下有不同的磁滯回線，因此按不同的Hm值可測(cè)出許多不同磁滯回線，把所有磁滯回線的頂點(diǎn)連接起來(lái)，所得到的磁化曲線稱為鐵磁材料的基本磁化曲線或平均磁化曲線。 工程上所用的磁化曲線就是這種曲線。鐵磁物質(zhì)的特性形成磁滯現(xiàn)象和剩余磁通密度，即剩磁的原因：磁滯現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于鐵磁材料中的磁疇在外磁場(chǎng)作用下，

10、發(fā)生擴(kuò)大和倒轉(zhuǎn)時(shí)，彼此之間產(chǎn)生“摩擦”，由于這種“摩擦”的存在，當(dāng)外磁場(chǎng)停止作用后，與外磁場(chǎng)排列方向一致的部分磁疇被保留下來(lái)，不能恢復(fù)原狀，因此形成了磁滯現(xiàn)象和剩磁。鐵磁物質(zhì)的特性四、存在磁滯損耗和渦流損耗磁滯損耗：若把鐵磁材料放在交變磁場(chǎng)中，它將按照磁滯回線規(guī)律反復(fù)變化，在反復(fù)磁化過(guò)程中，由于磁疇不停地轉(zhuǎn)動(dòng)，互相“摩擦”，要消耗能量， 因此導(dǎo)致?lián)p耗，稱為磁滯損耗。m單位重量的磁滯損耗為：ph=hfBW/kg經(jīng)驗(yàn)公式m式中：h稱為斯坦梅茨系數(shù)或磁滯損耗系數(shù)，它取決于材料的性質(zhì)。 稱為斯坦梅茨指數(shù)。對(duì)于常用硅鋼片，當(dāng)Bm1.01.6Wb/m2時(shí)，2注：由于硅鋼片的磁滯回線面積較小，因而磁滯損耗較

11、小，所以電機(jī)鐵心一般采用硅鋼片疊成。鐵磁物質(zhì)的特性渦流四、磁滯損耗和渦流損耗渦流渦流損耗：當(dāng)鐵心中的磁通發(fā)生變化時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，鐵心內(nèi)將產(chǎn)生漩渦狀的渦流，如圖0-5所示。渦流在鐵心中引起的損耗稱為渦流損耗。單位重量的渦流損耗為：pe=ef2B2mW/kg 式中：e稱為渦流損耗系數(shù)，它和硅鋼片材料性 質(zhì)及厚度有關(guān)。鐵磁物質(zhì)的特性四、磁滯損耗和渦流損耗鐵耗：為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，在電機(jī)中，通常把磁滯損耗和渦流損耗合在一起， 統(tǒng)稱為鐵耗。單位重量的鐵耗為：p=pe+ph =hefB2mW/kg對(duì)于某一頻率和Bm時(shí)，單位重量的鐵耗為：p=p1/50(f/50)B2mW/kgp1/50稱為鐵耗系數(shù)或比損耗，

12、是在Bm1Wb/m2,f=50Hz時(shí)1kg鐵磁材料的鐵耗。 介于一次和二次方之間。對(duì)于硅鋼片，1.21.6。電機(jī)和變壓器的總鐵耗為：pfep.Gfe式中：Gfe 為鐵心重量，kg。概論研究電機(jī)常用的電磁定律概論研究電機(jī)常用的電磁定律0-3概論研究電機(jī)常用的電磁定律概論研究電機(jī)常用的電磁定律0-3電路定律i 0基爾霍夫第二定律u e 0 ZU 注：電壓降方向指電壓降落方向；電動(dòng)勢(shì)方向指電動(dòng)勢(shì)升高方向。電路定律IU RZ式中：ZRjX為電路的復(fù)阻抗，X為電抗，則：0-7I UR z U z 或 R R 2X2R 2X2z zIIR tg 1XR圖0-8相量圖關(guān)于相量圖主要用以反映各個(gè)物理量之間的相

13、位關(guān)系而非數(shù)值關(guān)系， 不必苛求準(zhǔn)確，但需合理?；仡?、熟悉復(fù)平面、相量及其加法、乘法的幾何概念。角度規(guī)定正方向：逆時(shí)針?lè)较颉４怕范?02a31S2a31S根據(jù)磁通連續(xù)性原理，如圖0-9，對(duì)節(jié)點(diǎn)a作一閉合面，則123，0當(dāng)規(guī)定磁通流出閉合面為正時(shí)，則流入閉合面為負(fù)。圖0-9基爾霍夫磁路第一定律磁路定律I1I1I2I3ldl設(shè)空間有多根載流導(dǎo)體，如圖0-10，導(dǎo)體中電流分別為I1，I2，I3，則磁場(chǎng)強(qiáng)度沿任意閉合回路的線積分等于該閉合回路所包圍的導(dǎo)體電流的代數(shù)和（簡(jiǎn)稱全電流），即l I若電流與積分路徑方向符合右手螺旋關(guān)系，則電流取正，反之為負(fù)。若在一磁路上繞上幾個(gè)線圈，各線圈中有電流通過(guò)，則根據(jù)全電流定律圖0-10全電流定律l wI磁路定律磁路基爾霍夫第二定律如圖0-11磁路上繞了兩個(gè)線圈，其匝數(shù)