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