林鹤云教授之电机学课件.docx
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林鹤云教授之电机学课件
电机学
TheTheoryofElectricalMachine
主讲：
林鹤云教授
电气工程系电机教研室
Tel:
83794169-5（O）
Email:
hyling@
课程概况
两学期，共96学时
绪论
变压器
交流电机共同理论
异步电机
同步电机
直流电机
绪论…第一节
„第一节
电机在国民经济建设中的重要地位
„电：
能量的一种形式
„电机：
能量转换的一种装置
„19世纪初奥斯特、法拉第发现电磁感应现象
„电机和电力工业的研究开发开始起步
绪论…第一节
„电能的优越性
„大量生产集中管理远距离传输自动控制
„电机工业的地位
„电力工业工矿企业国防农业交通运输
日常生活
„电力工业以电机制造业的发展为基础
„发电与用电过程
绪论…第一节
升压变压器降压变压器
电网
发电机
电动机
汽轮机/水轮机
燃煤水力
绪论…第一节
„现代工农业生产中需要大量的电动机
„机械冶金化学轻纺交通运输农业
„特定用途的要求：
„防爆，防腐蚀（石油，煤矿）
„防尘，防潮（轻纺）
„防碱酸（化工）
绪论…第一节
„特定性能的要求
„不同容量（几mW~几千MW）
„不同电压
„不同启动性能
„不同调速性能
绪论…第二节
第二节
电机发展简史及发展趋势
„电机发展简史
„两个时期
„初期发展时期近代发展时期
绪论…第二节
„前期的四个阶段：
„1电磁感应定律的发现：
„1821年法拉第发现了电动机作用原理，
制成原始型式的电动机
„1831年法拉第提出了电磁感应定律
绪论…第二节
„2直流电动机的发展：
„励磁：
1845年电磁铁代替永久磁铁
1867年自励发电机
„电枢：
1870年环形电枢
1873年鼓形电枢
„电源：
直流电动机由电池供电改为直流
发电机供电
1882年第一条直流输电线路
绪论…第二节
„3单相交流电的应用：
„1876年交流电被应用于照明装置
„1884年闭合磁路的变压器的制成
„4三相交流电的应用：
„1885年二相交流异步电机的模型
„1889～1897年三相电动机和三相变压
器
绪论…第二节
„电机的发展趋势
„单相容量不断提高
„电机重量、材料、损耗、造价与容量
不成正比
„1900年5MVA
„1920年25MVA/3000rpm
6MVA/1000rpm
绪论…第二节
„1937年100MVA/空冷
150MVA/3000rpm/氢冷
„1956年208MVA/定水转氢
„1960年1000MVA
„设计、工艺、绝缘、结构材料
„超导技术
绪论…第二节
„电机技术和经济指标不断改进
„计算机辅助设计（CAD），优化技术
„新工艺和新的测试方法
„应用范围不断扩大
„特定用途电机
„潜水，防爆，船舶，纺织，矿用，林
业等
绪论…第二节
„特殊用途电机
„高速电机，计时电机，陀螺电机等
„新型结构电机
„印制绕组电机，无刷电机，各类永磁
电机等
绪论…第二节
„60年代以来，电力电子的发展，电机
与控制系统相结合
„电力电子的发展为电机运行，电力拖
动开辟新途径
绪论…第三节
第三节电机的主要作用
„电机：
能量转换装置
„有输入输出，效率
=/
P2P1<1
„功率的单位：
W,KW,MW
„电机的基本作用原理：
电磁感应定律
„旋转电机
„定子，转子和气隙——能量转换的场所
绪论…第三节
„按照电机在应用中的职能来分
„发电机：
机械功率转换为电功率
„电动机：
电功率转换为机械功率
„其它：
电功率转换为另一形式的电功率
„变压器变流器变频器移相器
„微型控制电机
绪论…第三节
„按照电流的种类来分：
„直流电机和交流电机
„按照速度来分
„直流电机
„无固定同步速
„变压器
„静止设备
绪论…第三节
„异步电机
„电动机运行：
速度小于同步速
„发电机运行：
速度大于同步速
„同步电机
„速度等于同步速
„交流换向器电机：
„速度可在大范围内调节
绪论…第三节
发电机和电动机只是同一电机的
不同运行方式
发电机
电动机
绪论…第四节
第四节电机的基本作用原理
„电和磁构成了电机的两大要素
„磁场和磁感应强度
„磁场：
运动电荷（电流〕周围一种特殊物
质
„洛仑磁力F=BIL
绪论…第四节
„磁感应线和磁通量
„磁感应线（磁力线〕：
„切线方向为B的方向
„疏密程度表示B的大小i
绪论…第四节
„磁感应线的特性
„磁感应线的回转方向与电流的方向遵守右
手定则
„磁感应线不相交
„磁感应线无起点和终点
绪论…第四节
„磁通：
通过磁场某一面积的磁感应线数，
穿过一平面的磁通
φBScos
=θ
„
„穿过任意曲面的磁通
„φ=∫θ=∫
Bcosds
nss
Bds
B
θ
S
绪论…第四节
„磁通连续性定理
„穿过任意封闭曲面的磁通为零
„磁密
B=φ/S„
„磁通密度即为磁感应强度
T=W/
bm
2
绪论…第四节
„磁场强度、磁导率
HA/m„表征磁场性质的一个矢量，单位
B=µH
„µ为介质的磁导率
„真空磁导率
µ=π×10H
o/
47
10H
−
m
绪论…第四节
„电机中有铁磁和非铁磁物质
„非铁磁如空气、铜、铝、绝缘材料
µ=µ
0
等
µ>>µ
„铁磁如铁、镍合金等
0
µ„相对导磁率
r
„导磁率与真空导磁率之比
35
铁磁材料
µr=10~10
µ=µrµ
0
„磁通趋向于从高导磁率材料中通过
绪论…第四节
„安培环路定律（磁路基尔霍夫第二定律）
∑
∫Hdl=IN
„数学公式:
l
∫
„磁压
u=Hdl
∑IN
l
„磁动势（磁势〕：
„沿着磁场中任一闭合回路，
IN
U
1
U
2
φ
U
3
其总磁压等于总磁势
∑U=∑IN
„
i
U
4
绪论…第四节
„磁路，磁路参数
„磁阻
„磁导
Ω（−1Ω=µ
H）:
l/（
Λ（H）:
1/
Λ=Ω
S）
„磁路的欧姆定律：
ΩU/
=φ
绪论…第四节
„磁路与电路有本质上的不同：
„电流是带电粒子的真实运动；而磁通只是
一种描述方法；直流电流通过电阻时会有
能量损失，而恒定磁通通过磁阻不会产生
任何损耗。
绪论…第四节
„磁路的基尔霍夫第一定律
„依据：
磁通连续性原理
„流入任一磁路节点磁通代数和为零
„φ1+φ2+φ3=0
φ1φ2
φ3
„电路与磁路的类比
电路磁路
磁势F（A）
电势E（V）
磁通φ（Wb）
电流I（A）
电阻R=ρl/S磁阻Ω=l/（µS）
电导G=1/R
磁导Λ=1/Ω
电路U=IR
磁路F=φΩ
节点∑I=0
节点∑φ=0
回路∑U=∑IR
回路∑u=∑IN
场强∑Edl=U
场强∑Hdl=IN
密度j=I/S
密度B=φ/S
电导率σ=j/E
磁导率µ=B/H
绪论…第四节
„磁性材料的B－H曲线
„B－H曲线（磁化曲线）是材料的基本特
性
„线性区：
B－H曲线为一直线
„饱和区：
随着H的增大，B的变化很小
绪论…第四节
„
B（T）
饱和区
线性区
H（A/m）
起始区
绪论…第四节
„磁滞回线：
B„剩余磁密：
r
HH
„矫顽磁力：
根据大小不同可分为软
c
c
磁和硬磁材料
绪论…第四节
B
Bm
„
Br
-H
m
Hc
OHm
H
-B
m
绪论…第四节
„铁芯损耗
B（交变）„铁芯损耗：
„磁滞损耗
„涡流损耗
涡流
导体
绪论…第四节
„磁场储能
ωHdB
ω=
∫„体积能量密度
mm
WW=VVHdB
ω=
∫„总能量
mmm
„对线性介质:
1
ω
m=
BH„
2
„
22
W=/（µ=µrµ0
mB2）B/（2
）
绪论…第四节
„电感
„定义：
单位电流所产生的磁链
„自感：
L=ψ/I=Nφ/I=NΛF/I=NΛIN/I=Λ
„分类：
自感和互感
N
2
U
I
N
φ
U
I
N
N
x
φ
x
φ
ψ=Nxφx+Nφ
绪论…第四节
φφ
12I21
I
2
1
U
1
N
1
φ
σ1
N
2
φ
NN2
σ2
1
U
2
互感
M=
21
ψ
Ι
21
1
=
N
φNΛN
I
22121211
==
ΙI
11
Λ
12
N
1
N
2
M=
12
ψ
Ι
12
2
=
N
φNΛN
I
11212122
==
ΙI
22
Λ
21
N
1
N
2
绪论…第四节
φφ
12I21
I
2
1
U
1
N
1
φ
σ1
N
2
φ
NN2
σ2
1
U
2
漏感
L
σ1
=
ψ
Ι
σ
1
1
=
ψ
11
−
Ι
1
ψ
21
L=
σ2
ψ
Ι
σ
2
2
=
ψ
−
ψ
2212
Ι
2
绪论…第四节
„电磁感应定律
„定义：
„当线圈中的磁链发生变化时，线圈中有感
应电动势产生
e=−dψ/dte=−Ndφ/dt„公式：
或
„线圈中的感应电动势倾向于阻止线圈中磁链
的变化
绪论…第四节
„感应电势的方向：
„右手定则
φ
φ
x
i
e
绪论…第四节
„分类：
根据磁链变化的方式的不同
„变压器电势：
磁通本身随时间变化
„运动电势:
线圈与磁场有相对运动引起
线圈中磁链的变化
B～B－
R
V
绪论…第四节
„电磁力、电磁转矩
Fe=
Bli„电磁力：
„电磁力的方向：
左手定则
T=Blir„电磁转矩：
B
F
v
e
F
e
i
Fv
=
ei
=
Blvi
RFBliFe
==
绪论…第四节
„电机的可逆性原理
„在电机轴上外施机械功率，通过电机导体
在电磁场中作用可输出电功率
发电机原理B
i
F
e
⊗⊗
⊗⊗
v
f
外
R
绪论…第四节
„在电机电路输入电功率，载流导体在磁场
作用下使电机旋转而输出机械功率
电动机原理i
B
f
阻
⊗⊗
⊗⊗
Fe
E
v
绪论…第四节
„不论导体用作发电机或电动机，感应电
势和电磁力都同时作用
„感应电势>外部端电压，外界输入机械功
率，作发电机运行
„外部端电压>感应电势，外电源输入电功
率，作电动机运行
绪论…第四节
„任何电机既可作为发电机运行，也可
作为电动机运行
„发电机和电动机只是同一电机的不同运行
方式
绪论…第五节
第五节电机的制造材料
„材料的功用：
导电，导磁，绝缘，散
热和机械支撑
绪论…第五节
„导电材料：
铜和铝
„20oc时铜的电阻率为17.24×10-9Ω.m
„20oc时铝的电阻率为28.2×10-9Ω.m
„集电环的材料：
黄铜，青铜和钢
绪论…第五节
„导磁材料：
„钢铁
„电工钢片：
含硅，电阻大，导磁率高，可
减小铁芯中的涡流损耗
„标准厚度0.35,0.5,1mm，
高频时0.2,0.15,0.1mm
绪论…第五节
„绝缘材料的等级：
O（90），A（105），B（120），E（130），
F（155），H（180），C（>180）
„变压器油：
„作用：
绝缘和散热
„支撑材料：
„机座，端盖，
„轴，轴承，螺杆
绪论…第六节
第六节电机学科的回顾和展望
„回顾历史
1833年，诞生了第一台电机
电机以优异的能量转换机制，向大自然攫
取能量供人类使用
绪论…第六节
„三足鼎立
„直流电机，异步电机，同步电机相继问世,各
有优势
„运行机理：
„直流电机频率受转速绝对控制
„异步电机频率受转速相对的控制
„同步电机频率不受转速控制
„它们由于不同的频率约束条件导致了三大电机
的性能迥然不同
绪论…第六节
„四大冲击
„本世纪50年代，电机受到计算机，数值分析，
电力电子技术和永磁材料四大冲击
„软冲击：
计算机和数学方法的发展提高了
精度，减轻了脑力劳动
„硬冲击：
元器件和材料的发展，促进电机
的变革，改善电机性能
绪论…第六节
„认识深化
„50年代，D.C.White和H.H.Woodson机电能
量转换理论将电机理解为机电能量或信号转
换的装置
„60年代，现代控制理论以系统的观点理解电
机为一种时变的分布参数、多输出多输入的
非线性系统
绪论…第六节
„剖析现状
„电机的外延拓宽了
„电机数学模型的精度提高
„电机性能发生了优化和异化，电机与
控制融为一体
绪论…第六节
„电机的内涵丰富了
„非线性：
导磁材料的非线性
+参量的非线性+电力电子元件非线性
„非正弦：
电力电子元件导致非正
弦谐波励磁
绪论…第六节
„展望未来
„迫人的形势
„电机相关学科日新月异，如计算机的
发展，新的电力电子器件的涌现，第
四代高磁性能的永磁材料指日可待
绪论…第六节
„绚丽的前程
„用微观或准微观的方法，从精算磁场
入手，不受线性，正弦，稳态的制约，
不用传统理论的简化方法，不问电机
的类型
„高温超导将带来电机的变革
学习方法
掌握基本原理
弄清基本概念
学会分析问题
不断思考总结
绪论…习题
习题：
1-4,1-5,1-6,1-7
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