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1、电机学_总论本讲稿第一页，共二十九页电机的发展电机的发展1电机的发展初期电磁感应定律的发现1831年法拉第直流电机的发展单相交流电的应用远距离传输三相交流电的应用解决电机启动问题本讲稿第二页，共二十九页电机的发展电机的发展2电机的近代发展及趋势单机容量不断增加机组容量大时，单位容量的用料（省）、损耗（小）、造价（低）如汽轮发电机：中小型电机技术与经济指标不断改进新的设计方法（CAD）、工艺、材料、测试手段应用范围扩大19005MVA1956水内冷208MVA192025MVA1960320MVA1937空气冷却100MVA目前1000MVA 氢气冷却150MVA本讲稿第三页，共二十九页电机的主
2、要类别电机的主要类别l电机的作用转换能量，输入及输出l机械运动传递机械功率定子、转子、气隙l据能量转换分发电机将机械功率转换为电功率 电动机将电功率转换为机械功率 变压（流、频、相位）器将电功率转换为另一种形式的电功率 控制电机电气机械系统中调节、放大和控制作用 本讲稿第四页，共二十九页电机的主要类别电机的主要类别l据速度、电流分变压器静止设备 旋转电机直流电机没有固定的同步速度、直流交流电机异步电机速度不等于同步速度、交流同步电机速度等于同步速度、交流本讲稿第五页，共二十九页电机的运行与分析基础电机的运行与分析基础l电磁感应定律l全电流定律l磁路定律l电路定律l电磁力定律l本讲稿第六页，共二
3、十九页电机的基本作用原理电机的基本作用原理l磁场、磁感应强度用磁场中载流导体受到的洛仑兹力洛仑兹力确定其存在和性质lB是矢量,即既有大小，又有方向用磁力线上每点的切线方向规定B的方向用磁力线的疏密程度表示B的大小本讲稿第七页，共二十九页磁力线磁力线(1)磁感应线的回转方向和电流方向之间的关系遵守右手螺旋法则(2)磁场中的磁感应线不相交，每点的磁感应强度的方向确定唯一(3)载流导线周围的磁感应线都是围绕电流的闭合曲线本讲稿第八页，共二十九页电机的基本作用原理电机的基本作用原理l磁通量通过磁场中某一面积的磁感应线数称为通过该面积的磁通量磁通量(磁通)，符号、单位Wb l=BScos 本讲稿第九页，
4、共二十九页磁通连续性原理磁通连续性原理l由于磁感应线是闭合的，因此对任意封闭曲面来说，进入该闭合曲面的磁感应线，一定等于穿出该闭合曲面的磁感应线。如规定磁感应线从曲面穿出为正，穿入为负，则通过任意封闭曲面的磁通量总和必等于零 本讲稿第十页，共二十九页电机的基本作用原理电机的基本作用原理l磁场强度H、磁导率 B=H 磁导率磁导率，决定于介质性质，Hm。变化范围很大。真空磁导率真空磁导率0=410-7Hm 非铁磁物质非铁磁物质如空气、铜、铝和绝缘材料等，近似等于真空磁导率 铁磁物质铁磁物质如铁、镍、铝及其合金，磁导率远大于真空磁导率达数千甚至上万倍。通常以相对磁导率 表示铁磁物质的磁导率比真空磁导
5、率增大的倍数在同样大小的电流作用下，铁心线圈的磁通比空心线圈的磁通在同样大小的电流作用下，铁心线圈的磁通比空心线圈的磁通大得多大得多本讲稿第十一页，共二十九页安培环路定律安培环路定律(全电流定律)l磁场强度矢量H沿任一闭合路径的线积分等于穿过该闭合路径的限定面积中流过电流的代数和。且积分回路的绕行方向和产生该磁场的电流方向符合右手螺旋定则 l磁压磁压沿着磁场中任一闭台回路沿着磁场中任一闭台回路其总磁压等于总磁势其总磁压等于总磁势 本讲稿第十二页，共二十九页磁路及其参数磁路及其参数认为磁通完全在导磁体内部通过；认为磁通完全在导磁体内部通过；假设在铁芯柱截面上假设在铁芯柱截面上B为均匀分布为均匀分
6、布磁路的欧姆定律本讲稿第十三页，共二十九页磁路基本定律磁路基本定律l磁路的基尔霍夫第一定律流入磁路节点的磁通的代数和应等于零 l磁路的基尔霍夫第二定律沿着任一闭合回路，其总磁压等于总磁势本讲稿第十四页，共二十九页磁化曲线磁化曲线l不同的磁性材料有不同的磁导率l同一材料当其磁通密度不同时，亦有不同的磁导率 起始段，磁导率较小起始段，磁导率较小线性区，磁导率线性区，磁导率大且不变大且不变饱和区饱和区本讲稿第十五页，共二十九页磁滞现象与磁滞回线 l磁场强度H缓慢地循环变化，B一H曲线是一封闭曲线磁磁 滞滞 回回 线线 l矫 顽 磁 力H c l剩余磁感应强剩余磁感应强度度Br本讲稿第十六页，共二十九
7、页铁芯损耗铁芯损耗 l当导磁材料位于交变磁场中被反复磁化，B一H曲线呈磁滞回线。导磁材料中将引起能量损耗，称为铁芯损耗铁芯损耗。铁芯损耗分为两部分：磁滞损耗磁滞损耗和涡流损耗涡流损耗。l注意：在恒定磁场中的静止导磁体内是不会引起能量损耗的 l铁芯损耗均转化为热能使铁芯温度升高铁芯损耗均转化为热能使铁芯温度升高，为防止电机过热，采用硅钢片以减小铁芯损耗，采取散热降温措施 本讲稿第十七页，共二十九页磁场储能磁场储能 l磁场是一种特殊形式的物质磁场是一种特殊形式的物质，磁场中能够储存能量，在磁场建立过程中，能量由外部能源转换而来。l电机电机通过磁场储能来实现机、电能量转换通过磁场储能来实现机、电能量
8、转换l体积能量密度体积能量密度l磁场能量主要存储在气隙中 本讲稿第十八页，共二十九页电感电感 l磁链 l磁通 l磁导磁导l电感电感 L自感互感漏电感电抗本讲稿第十九页，共二十九页电感性质电感性质l电感与线圈匝数的平方成正比，和磁场介质的磁电感与线圈匝数的平方成正比，和磁场介质的磁导亦成正比关系导亦成正比关系，而和线圈所加的电压、电流或频率无关。l电机的电感（电抗）与电机磁路的饱和有关 l电机的电感(电抗)与电机的电、磁结构有关 l对应不同的磁通需引用多种不同的电抗 本讲稿第二十页，共二十九页电磁感应定律电磁感应定律 l设有一线圈位于磁场中，当该线圈中的磁链发生变化时，线圈中将有感应电动势感应电
9、动势(简称电势)产生。感应电势的数值与线圈所匝链的磁链的变化率成正比。感应电势的方向将倾向于产生一电流，如电流能流通，该电流的磁化作用将阻止线圈的磁链发生变化。l线圈中的感应电势将倾向于阻止线圈中磁链的变化线圈中的感应电势将倾向于阻止线圈中磁链的变化 本讲稿第二十一页，共二十九页本讲稿第二十二页，共二十九页两种感应电势两种感应电势线圈中磁链的变化(1)磁通本身就是由交流电流所产生，也就是说磁通本身随时间在变化着，这样产生的电势称为变压器电势变压器电势。（线圈与磁场相对静止）(2)磁通本身不随时间变化，但由于线圈与磁场间有相对运动而引起线圈中磁链的变化，这样产生的电势称为运动电势运动电势或速度电
10、势速度电势 e=Blv 本讲稿第二十三页，共二十九页电磁力电磁力 l载流导体位于磁场中时，导体上受到力Fe 本讲稿第二十四页，共二十九页发电机（电动机）基本作用原理发电机（电动机）基本作用原理i-Fe-v 电动机电动机发电机发电机 v-e-i本讲稿第二十五页，共二十九页电机可逆性原理电机可逆性原理l如在电机轴上外施机械功率，通过电机导体在磁场中作用产生感应电势可输出电功率；如在电机电路中从电源输入电功率，则载流导体在磁场作用下可使电机旋转而输出机械功率。l任何电机既可以作为发电机运行，又可以作为电动机运行任何电机既可以作为发电机运行，又可以作为电动机运行l不论用作发电机或电动机，感应电势和电磁
11、力都同时作用于不论用作发电机或电动机，感应电势和电磁力都同时作用于导体。导体。本讲稿第二十六页，共二十九页电机的制造材料电机的制造材料 l导电、导磁、绝缘、散热和机械支撑导电、导磁、绝缘、散热和机械支撑 铜是最通用的导电材料铜是最通用的导电材料 钢铁是良好的导磁材料钢铁是良好的导磁材料为了减小铁芯中的涡流损耗，导磁材料应当用薄片钢，称为电工钢片（电工钢片（硅钢片）。成分中含有少量的硅，使它有较高的电阻，同时又有良好的磁性能。绝缘材料本讲稿第二十七页，共二十九页电路与磁路的类比电路与磁路的类比U+-RIF+-Rm本讲稿第二十八页，共二十九页概念思考概念思考l为什么说发电机和电动机作用同时存在于一台电机中，但又不能同时既是发电机又是电动机从能量传递，力的性质等方面考虑本讲稿第二十九页，共二十九页