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1、第1章电机基础知识本讲稿第一页，共四十五页电机学部分简介电机学部分简介 Electric Machinery 电机学从电、磁、机械三个方面入手，分析电机内部的电磁电机学从电、磁、机械三个方面入手，分析电机内部的电磁过程，介绍变压器、异步电机、同步电机和直流电机的类型、结构、过程，介绍变压器、异步电机、同步电机和直流电机的类型、结构、工作原理、工作特性和工况。工作原理、工作特性和工况。学习电机学部分学习电机学部分的目的是让学生掌握从事电能生产、传输、分配和利用的目的是让学生掌握从事电能生产、传输、分配和利用中有关电机能量转换和运行特性方面的基本理论和知识。其主要任务是：使学生中有关电机能量转换和
2、运行特性方面的基本理论和知识。其主要任务是：使学生了解电气工程和动力工程中常用的电机类型和结构；掌握各种电机的工作原理和了解电气工程和动力工程中常用的电机类型和结构；掌握各种电机的工作原理和运行特性；了解电机铭牌的参数含义，能够对其性能进行分析、计算，并合理选运行特性；了解电机铭牌的参数含义，能够对其性能进行分析、计算，并合理选择和使用各种电机。择和使用各种电机。本讲稿第二页，共四十五页 第第1 1章章 电机学基础知识电机学基础知识v电机的基本功能与主要类型电机的基本功能与主要类型v电机的基本原理电机的基本原理磁路磁路v电机的制造材料电机的制造材料本讲稿第三页，共四十五页1.1 1.1 电机的
3、基本功能与主要类型电机的基本功能与主要类型电机是实现能量转换和信号传递的电磁装置。电机是实现能量转换和信号传递的电磁装置。2 2、变压器（变流器、变频器、移相器）的作用：传输、分配电能。、变压器（变流器、变频器、移相器）的作用：传输、分配电能。1 1、发电机的作用：生产电能。、发电机的作用：生产电能。4 4、控制电机：伺服电机、控制电机：伺服电机(用于控制系统），自整角机用于控制系统），自整角机(用于同步联用于同步联络系统）络系统），感应调压器和移相器，感应调压器和移相器(用于试验室中）等。用于试验室中）等。3 3、电动机的作用：驱动作用。、电动机的作用：驱动作用。本讲稿第四页，共四十五页v电
4、机分类：电机分类：变压器变压器直流电机直流电机伺服电动机、步进电动机、测速发电机伺服电动机、步进电动机、测速发电机 回转变压器、自整角机、直线电动机回转变压器、自整角机、直线电动机电力变压器：升压变压器、降压变压器电力变压器：升压变压器、降压变压器动力电机动力电机微特电机微特电机感应电机感应电机同步电机同步电机感应电动机感应电动机感应发电机感应发电机交流电机交流电机同步电动机同步电动机同步发电机同步发电机同步补偿机同步补偿机直流电动机直流电动机直流发电机直流发电机旋旋转转电电机机静静止止电电机机特种变压器特种变压器：自耦、三绕组、互感器自耦、三绕组、互感器本讲稿第五页，共四十五页二滩水电站火电
5、站本讲稿第六页，共四十五页全国装机容量最大的新疆达板城风电厂太阳能电站本讲稿第七页，共四十五页地热电站核电站本讲稿第八页，共四十五页潮汐电站波浪能发电站本讲稿第九页，共四十五页变频器本讲稿第十页，共四十五页电力变压器本讲稿第十一页，共四十五页本讲稿第十二页，共四十五页磁悬浮列车磁悬浮列车大型车床大型车床1.1.2电机的功能（续电机的功能（续2）2、驱动生产机械、驱动生产机械本讲稿第十三页，共四十五页信号传递-直流伺服电动机将控制信号转换为机械信号作电源用-直流发电机将机械能转化为直流电能本讲稿第十四页，共四十五页1.1.2电机的功能（续电机的功能（续3）盲人引路车盲人引路车爬行机器人爬行机器人
6、3、控制各种自动设备、控制各种自动设备本讲稿第十五页，共四十五页同步发电机定子同步发电机定子各种微电机各种微电机1.1.2电机的功能（续电机的功能（续4）、电机的发展状况、电机的发展状况大型和超小型方向发展大型和超小型方向发展本讲稿第十六页，共四十五页主要类型主要类型按功用分按功用分 发电机发电机 电动机电动机 电力机械电力机械 变压器和变频器变压器和变频器 控制电机控制电机电力机械电力机械 变压器变压器 旋转电机旋转电机 直流电机直流电机 交流电机交流电机 同步电机同步电机 异步电机异步电机本讲稿第十七页，共四十五页1.2 1.2 电机的基本原理电机的基本原理磁路磁路B（单位（单位T或特斯拉
7、）或特斯拉）iBi磁场的基本概念磁场的基本概念磁感应强度磁感应强度B（磁密）与磁感线（磁密）与磁感线特点：右手螺旋法则，不相交的闭合曲线，疏密程度。特点：右手螺旋法则，不相交的闭合曲线，疏密程度。本讲稿第十八页，共四十五页ui磁通磁通磁路部分磁路部分电路部分电路部分磁通量磁通量:穿过某一截面的磁感应强度穿过某一截面的磁感应强度 AB=BA（单位单位Wb）磁场强度：磁场强度：H=B/（单位单位A/m）垂直均匀磁场韦伯和麦克斯韦之间的换算：韦伯和麦克斯韦之间的换算：1Wb=108Mx本讲稿第十九页，共四十五页磁导率磁导率：磁场中介质的导磁能力。：磁场中介质的导磁能力。真空磁导率真空磁导率0=410
8、-7H/m 非磁性物质非磁性物质如空气、塑料、铜、铝、橡胶等。如空气、塑料、铜、铝、橡胶等。这些物质的磁导率均与真空的磁导率非常接近，它们的相对磁导率均这些物质的磁导率均与真空的磁导率非常接近，它们的相对磁导率均约等于约等于1。非磁性物质的磁导率可认为是常量。非磁性物质的磁导率可认为是常量。铁磁性物质铁磁性物质如铁、镍、钴、钢及其合金等。如铁、镍、钴、钢及其合金等。铸铁磁导率铸铁磁导率200400 0；铸钢磁导率；铸钢磁导率5002200 0；硅钢的硅钢的700010000 0；坡莫合金的；坡莫合金的20000200000 0。铁磁物质。铁磁物质的磁导率不是常量，随外部条件变化。的磁导率不是常
9、量，随外部条件变化。本讲稿第二十页，共四十五页磁场储能：磁场储能：体能密度磁导率为常数时：磁导率为常数时：对旋转电机，气隙的对旋转电机，气隙的B0.40.8T，铁心的，铁心的B1.01.8T。0 ，故磁场能主要存储在气隙中，又称耦合磁场。，故磁场能主要存储在气隙中，又称耦合磁场。本讲稿第二十一页，共四十五页经铁心闭合的经铁心闭合的为主磁通为主磁通i2i121 X1 定子定子 N 励磁绕组励磁绕组A1 S 转子转子 S A2 N 定子绕组定子绕组 X1 磁路及基本定律磁路及基本定律同步发电机磁路经空气等非铁磁材料闭合的经空气等非铁磁材料闭合的 为漏磁通为漏磁通。本讲稿第二十二页，共四十五页本讲稿
10、第二十三页，共四十五页安培环流定律（全电流定律）安培环流定律（全电流定律）i2i1i3Hdl 设设n根载流导体被任何闭合路径根载流导体被任何闭合路径l所包围，则磁场与建立它的所包围，则磁场与建立它的电流之间有下述关系：磁场强度矢量电流之间有下述关系：磁场强度矢量H沿空间任意闭合路径的沿空间任意闭合路径的线积分等于该回路所包围导体的电流代数和。线积分等于该回路所包围导体的电流代数和。符合右手（符合右手（H）螺旋法则时，电流（拇指）为正，相反为负。）螺旋法则时，电流（拇指）为正，相反为负。本讲稿第二十四页，共四十五页磁路欧姆定律磁路欧姆定律 AliN无分支磁路磁路的平均长度匝数磁阻H-1=1A/W
11、b磁导H=1Wb/A磁势A注：磁阻不是常数注：磁阻不是常数本讲稿第二十五页，共四十五页磁路的基尔霍夫第一定律磁路的基尔霍夫第一定律l1A111 l2A222 l3A333iN闭合面磁路的基尔霍夫第二定律磁路的基尔霍夫第二定律F=Ni=Hklk=Rmk对闭合面，穿入的磁通对闭合面，穿入的磁通=穿出的磁通穿出的磁通=213=0材料或截面各段不同的无分支磁材料或截面各段不同的无分支磁路，通过各截面的磁通相等。路，通过各截面的磁通相等。计算步骤：计算步骤：各段各段B k=/A k 在磁化曲线上查在磁化曲线上查H k H kl k=Ni=FAliN本讲稿第二十六页，共四十五页i2000匝匝l1 A1 H
12、1l4 A4 H4l2 A2 H2l3 A3H3l5 A5 H5例例1-1 1-1 已知铁心叠压因数已知铁心叠压因数kFe=0.94，A=0.810-3 m2，l1=0.08m，l2=0.1m，l3=0.037m，l4=0.037m，l5=0.1m，=0.006m，Fe=19000，要达到，要达到=1 10-3Wb，求，求i。解解:本讲稿第二十七页，共四十五页本讲稿第二十八页，共四十五页电磁感应定律电磁感应定律变压器电动势变压器电动势ieNiL=N瞬瞬时值时值：e=Nd/dt=Nmcost=Emsin(t-90)设设=m sint磁链e L=dL/dt本讲稿第二十九页，共四十五页线圈的电路方程
13、线圈的电路方程ieN铁心线圈的铁心线圈的Lm 空心线圈的空心线圈的Lo。L=L/i=N/i=N(N i/R m)/i=N2me L=Ldi/dtL=Li本讲稿第三十页，共四十五页右手定则右手定则运动电动势运动电动势e=Blv左手定则左手定则 F=Bli电磁转矩电磁转矩 T=2Blir导体转动半径导体有效长度导体运动速度本讲稿第三十一页，共四十五页电机的制造材料电机的制造材料绝缘材料：隔开导电体和非导电体，或隔开不同点位导体。用绝缘材料：隔开导电体和非导电体，或隔开不同点位导体。用绝缘漆，合成树脂，纤维纸层等。绝缘漆，合成树脂，纤维纸层等。导电材料：铜，铝，电刷材料导电材料：铜，铝，电刷材料导磁
14、材料：稀土永磁材料、电工钢片或硅钢片导磁材料：稀土永磁材料、电工钢片或硅钢片（厚（厚0.23mm，0.35mm，0.5mm，1mm）绝缘材料绝缘材料7等级等级绝缘绝缘等级等级Y YA AE EB BF FH HC C允许工作温度允许工作温度9090105105120120130130155155180180180180 电机的绝缘等级与电机的使用温度有关。在使用温度确定后，往往会使用至少同级或较高的绝缘材料，电机的绝缘等级与电机的使用温度有关。在使用温度确定后，往往会使用至少同级或较高的绝缘材料，以提高电机的使用寿命。以提高电机的使用寿命。比如，常用的比如，常用的B级电机，其内部的绝缘材料往往
15、是级电机，其内部的绝缘材料往往是F级的，而铜线可能使用级的，而铜线可能使用H级甚至更高的，来提高其质量。级甚至更高的，来提高其质量。一般为提高使用寿命，往往规定高级绝缘要求，低一级来考核。比如，一般为提高使用寿命，往往规定高级绝缘要求，低一级来考核。比如，常见的常见的F级绝缘的电机，做级绝缘的电机，做B级来考核，即其温升不能超过级来考核，即其温升不能超过120度（留度（留10度作为余量，以避免工艺不稳定造成个别电度作为余量，以避免工艺不稳定造成个别电机温升超差）。机温升超差）。本讲稿第三十二页，共四十五页表表1-1绝缘材料的等级绝缘材料的等级其中，E、B、F级应用较普遍。此外，变压器油是一种特
16、种矿物油，在变器中同时起绝缘和散热两种作用。1.3.3主要材料主要材料(续续3)本讲稿第三十三页，共四十五页结构材料：铸铁，钢板。结构材料：铸铁，钢板。散热材料、冷却散热材料、冷却材料材料、润滑、润滑材料材料 电机的绝缘：导线绝缘、槽绝缘、层绝缘、相间绝缘、端板电机的绝缘：导线绝缘、槽绝缘、层绝缘、相间绝缘、端板绝缘、包扎绝缘、引线绝缘、绝缘漆和浇注绝缘。绝缘、包扎绝缘、引线绝缘、绝缘漆和浇注绝缘。多用多用E或或B级，例级，例Y系列异步电机为系列异步电机为B级绝缘。起重或级绝缘。起重或 冶金常采冶金常采用用F或或H级。级。本讲稿第三十四页，共四十五页电机工作时产生的损耗，最后均转化为热能，使电
17、机升温，若电机工作时产生的损耗，最后均转化为热能，使电机升温，若不加措施会使电机绝缘老化，缩短工作寿命甚至短时间内烧毁。电不加措施会使电机绝缘老化，缩短工作寿命甚至短时间内烧毁。电机虽然效率很高，一般均在机虽然效率很高，一般均在85以上，但鉴于其本身容量巨大，以上，但鉴于其本身容量巨大，损损耗的绝对值十分可观，散热是电机的一个重要研究课题。中小型电耗的绝对值十分可观，散热是电机的一个重要研究课题。中小型电机可利用增大机壳的表面积来帮助散热；大中型电机用空心导体，机可利用增大机壳的表面积来帮助散热；大中型电机用空心导体，铁心中埋管子通以水或氢气来散热称为内冷式。机内由轴上装设的铁心中埋管子通以水
18、或氢气来散热称为内冷式。机内由轴上装设的风扇运送空气或氢气在机内专设的风道中流通来帮助散热。风扇运送空气或氢气在机内专设的风道中流通来帮助散热。散热材料散热材料1.3.3主要材料主要材料(续续4)本讲稿第三十五页，共四十五页主要是铝合金、钢板制成机座、端盖、转轴和轴承。铁主要是铝合金、钢板制成机座、端盖、转轴和轴承。铁心槽口要用槽楔封闭。一般用非磁性材料制成，加固转子绕心槽口要用槽楔封闭。一般用非磁性材料制成，加固转子绕组用的绑线亦用非磁性钢。当钢的成分中含有组用的绑线亦用非磁性钢。当钢的成分中含有25镍或镍或l2锰时，即可使其失去磁性。锰时，即可使其失去磁性。机械支撑材料机械支撑材料1.3.
19、3主要材料主要材料(续续6)本讲稿第三十六页，共四十五页 铁磁材料内部往往有相邻的几百个分子电流圈流向一致，这些分子电流产生的磁场叠铁磁材料内部往往有相邻的几百个分子电流圈流向一致，这些分子电流产生的磁场叠加起来，就形成了一个个天然的小磁性区域加起来，就形成了一个个天然的小磁性区域磁畴。不同铁磁物质内部磁畴的数量不磁畴。不同铁磁物质内部磁畴的数量不同。同。通常铁磁材料内部磁畴排列杂乱无章，磁性相互抵消，对外不显磁性。通常铁磁材料内部磁畴排列杂乱无章，磁性相互抵消，对外不显磁性。铁磁材料之所以具有高导磁性。是因为在其铁磁材料之所以具有高导磁性。是因为在其内部具有一种特殊的物质结构内部具有一种特殊
20、的物质结构磁畴磁畴。它相它相当于一个个小磁铁。当于一个个小磁铁。常用的铁磁材料及特性常用的铁磁材料及特性有外磁场作用时有外磁场作用时磁畴在外界磁场的作用下，均发生归顺性磁畴在外界磁场的作用下，均发生归顺性转向，使得铁磁材料内部形成一个很强的转向，使得铁磁材料内部形成一个很强的附加磁场。附加磁场。高导磁性高导磁性铸钢：铸钢：1 0000，硅钢片：硅钢片：(6 000 7 000)0本讲稿第三十七页，共四十五页磁滞回线中磁滞回线中H H为零时为零时B B并不为并不为0 0 的现象说明铁磁材料具有的现象说明铁磁材料具有剩磁性剩磁性。B 为零时为零时H并不为零并不为零 的现象说明铁磁材料具有的现象说明
21、铁磁材料具有矫顽磁矫顽磁力力。BH0cba起始磁化曲线起始磁化曲线oa段是线性段ab段是上升段bc段是磁化曲线的膝部C点以后是饱和段起始磁化曲线反映了什么？起始磁化曲线的ab段反映了铁磁材料的高导磁性；c点以后说明铁磁材料具有磁饱和性。磁滞回线中磁滞回线中B B的变化总是落的变化总是落后于后于H H的变化说明铁磁材料的变化说明铁磁材料具有具有磁滞性磁滞性。铁磁材料反复磁化一周所构铁磁材料反复磁化一周所构成的曲线称为成的曲线称为磁滞回线磁滞回线。（2）铁磁材料的磁饱和性、磁滞性和剩磁性本讲稿第三十八页，共四十五页软磁材料具有磁导率很高、易磁化、易去磁的显著特点，软磁材料具有磁导率很高、易磁化、易
22、去磁的显著特点，适适用于制作各种电机、电器的铁心用于制作各种电机、电器的铁心。软磁材料软磁材料铁磁材料的分类和用途铁磁材料的分类和用途硬磁材料的磁导率不太高、但一经磁化能保留很大剩磁且不易去硬磁材料的磁导率不太高、但一经磁化能保留很大剩磁且不易去磁，磁，适用于制作各种永久磁体适用于制作各种永久磁体。硬磁材料硬磁材料矩磁材料磁导率极高、磁化过程中只有正、负两个饱和点，矩磁材料磁导率极高、磁化过程中只有正、负两个饱和点，适用于制适用于制作各类存储器中记忆元件的磁芯作各类存储器中记忆元件的磁芯。矩磁材料矩磁材料BH0软磁性材料磁滞回线包围的软磁性材料磁滞回线包围的面积很小。面积很小。BH0硬磁性材料
23、磁滞回线包围的硬磁性材料磁滞回线包围的面积很宽大。面积很宽大。BH0本讲稿第三十九页，共四十五页 1.2.3高导磁高导磁性性(续续4)蜂腰形蜂腰形狭长型狭长型肥胖型肥胖型长方形长方形退化型退化型不对称型不对称型本讲稿第四十页，共四十五页铁芯损耗铁芯损耗 根据电流的热效应原理，涡根据电流的热效应原理，涡流通过铁芯时将使铁芯发热，流通过铁芯时将使铁芯发热，显然涡流增加设备绝缘设计的显然涡流增加设备绝缘设计的难度，涡流严重时会造成设备难度，涡流严重时会造成设备的烧损。的烧损。在交变磁场作用下，整块铁芯中产生的旋在交变磁场作用下，整块铁芯中产生的旋涡状涡状感应电流感应电流称为称为涡流涡流。为减小涡流损
24、耗，常为减小涡流损耗，常用硅钢片叠压制成电用硅钢片叠压制成电机电器的铁芯。机电器的铁芯。(1)(1)磁滞损耗磁滞损耗 铁磁材料反复磁化时，内部磁畴的极性取向随着外磁场的交变来回翻转，在翻转的过程中，由于磁畴间铁磁材料反复磁化时，内部磁畴的极性取向随着外磁场的交变来回翻转，在翻转的过程中，由于磁畴间相互摩擦而引起的能量损耗称为相互摩擦而引起的能量损耗称为磁滞损耗磁滞损耗。磁滞损耗使铁芯发热。磁滞损耗使铁芯发热。(2)(2)涡流损耗涡流损耗本讲稿第四十一页，共四十五页 减小铁损耗的方法：减小铁损耗的方法：使用软磁材料；使用软磁材料；增大铁心的电阻率，增大铁心的电阻率，减小涡流及其损耗减小涡流及其损
25、耗；用很薄的硅钢片叠成铁心，用很薄的硅钢片叠成铁心，减小涡流及其损耗减小涡流及其损耗。0.35mm0.30mm0.27mm0.22mm本讲稿第四十二页，共四十五页BHB膝点膝点BH0HmBr剩磁剩磁HC矫顽矫顽磁力磁力HmBrHC磁滞回线磁滞回线本讲稿第四十三页，共四十五页(二二)物质的磁性能物质的磁性能 非磁性物质（非铁磁物质）非磁性物质（非铁磁物质）0 磁性物质磁性物质(1)高导磁性高导磁性0 铸钢：铸钢：1 0000 硅钢片：硅钢片：(6 000 7 000)0本讲稿第四十四页，共四十五页硬磁物质硬磁物质:磁性物质的分类：磁性物质的分类：Br 大、大、HC 大大软磁物质：软磁物质：Br 小、小、HC 小小矩磁物质：矩磁物质：Br 大、大、HC 小小本讲稿第四十五页，共四十五页