第1章 基础理论

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1、福州大学电气工程与自动化学院主讲 黄灿水电机学多媒体课件系列电机学多媒体课件系列2007.1第一章第一章 基础理论基础理论目目 录录第一章第一章 基础理论基础理论1.1 概述概述 1.2 电机磁路及铁磁材料电机磁路及铁磁材料1.3 电机主要制造材料电机主要制造材料1.4 三相交流电路的有关概念三相交流电路的有关概念一一. .电机的定义电机的定义 指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。磁装置。1.1 1.1 概述概述机械能电能电能发电机发电机电动机电动机变换器变换器二、电机的作用二、电机的作用1 1、电力系统、电力系统思考：高压输电的优点

2、？思考：高压输电的优点？2 2、控制领域、控制领域 各种生产机械和装备的动力装置各种生产机械和装备的动力装置 自动控制系统的重要元件自动控制系统的重要元件3 3、日常生活、日常生活 交通工具交通工具 日常生活家电日常生活家电4 4、其它如农业、国防、文教、医疗等、其它如农业、国防、文教、医疗等电机电机变压器变压器直流电机直流电机直流发电机直流发电机直流电动机直流电动机同步电机同步电机同步发电机同步发电机同步电动机同步电动机异步电机异步电机异步发电机异步发电机异步电动机异步电动机按功能分按功能分: :有发电机、电动机、变压器和控制电机四类有发电机、电动机、变压器和控制电机四类三三. .电机分类电

3、机分类按工作原理分按工作原理分: :一、电机磁路一、电机磁路1 1、磁场、磁场: : 电电 流流 磁场磁场 永磁体永磁体 磁场磁场 1.2 1.2 电机磁路及铁磁材料电机磁路及铁磁材料电机中的磁场常简化为磁路来处理电机中的磁场常简化为磁路来处理2磁路磁路: 磁通经过的路经磁通经过的路经 主磁路主磁路: 在铁芯中绝大部分的在铁芯中绝大部分的磁通经过的路经磁通经过的路经,即主磁通即主磁通. 漏磁路漏磁路: 在空气中少量分散的在空气中少量分散的磁通经过的路经磁通经过的路经,即漏磁通即漏磁通 电和磁是构成电机的两大要素电和磁是构成电机的两大要素二、磁场的相关物理参量二、磁场的相关物理参量 磁路磁路1

4、1、磁动势：、磁动势：F F（或（或ININ）2 2、磁阻：、磁阻：RmRm（磁导（磁导）Rm=1/Rm=1/=1/=1/（S S）3 3、磁通：、磁通：= F/Rm = BS= F/Rm = BS4 4、磁通密度：、磁通密度：B= B= /S/S5 5、磁场强度：、磁场强度：H=B/ H=B/ 6 6、磁导率：、磁导率： =B/H=B/H电路电路E ER R（G G）I=E/RI=E/Rj=I/Sj=I/S=j/E=j/E 磁路与电路的类比关系详见表磁路与电路的类比关系详见表1-1(P3)三三磁感应强度磁感应强度( (磁通密度磁通密度) B) B磁通量磁通量1 1、磁感应线、磁感应线( (磁

5、力线磁力线):):电流在它周围的空间建立磁场，磁场电流在它周围的空间建立磁场，磁场的分布我们常用一些闭合线来描述它的大小和方向。的分布我们常用一些闭合线来描述它的大小和方向。特点：特点：a) a) 右手螺旋定则、右手螺旋定则、b) b) 闭合且不相交。闭合且不相交。2 2磁通磁通: 磁场中某一面积的磁感应线磁场中某一面积的磁感应线(B(B线线) )数称为通数称为通过该面积的磁通量过该面积的磁通量, ,简称磁通简称磁通。3 3磁感应强度磁感应强度B:B:SB 是是矢量矢量, ,单位单位:wb/m:wb/m2 2 , ,或或 T T 是是标量标量: :单位单位wbwb四四磁场强度磁场强度H H磁导

6、率磁导率1 1磁场强度磁场强度H:H:BH H H是矢量,单位单位:A/m:A/m、单位单位:H/m:H/m2磁导率磁导率:磁路的材料不同，其导磁性能也不同。磁路的材料不同，其导磁性能也不同。 非铁磁材料非铁磁材料: :空气空气, ,铜铜, ,铝铝, ,绝缘材料等绝缘材料等; ;mH /10470 铁磁材料铁磁材料: :铁铁, ,镍镍, ,钴及其合金等钴及其合金等; ;00远大于且rr:相对相对磁导率磁导率 导电体与导磁体区别导电体与导磁体区别: : 不存在磁绝缘不存在磁绝缘五五铁磁材料的铁磁材料的B-HB-H曲线曲线1 B-HB-H曲线曲线: :表征磁性材料的关系曲线 不同磁性材料不同磁性材

7、料 不同不同, B-H, B-H曲线不同曲线不同. .)(HfB 非铁磁材料非铁磁材料的磁化曲线是的磁化曲线是线性线性的的. . 铁磁材料铁磁材料的的很大且不是常数很大且不是常数, , 呈呈非线性非线性. .r)(HfB 2铁磁材料的铁磁材料的 曲线曲线)(HfB 分析分析:oaoa段段: :起始起始小小; ; abab段段:迅速迅速增大增大,H,H B B , , B-HB-H线性线性; ; bcbc段段: :进进入饱和区入饱和区, , 变小变小,H,H B B ( (但缓但缓慢慢) )、c c为饱和点为饱和点. 起始段起始段线性段线性段饱和段饱和段3 3磁滞回线磁滞回线a)a)磁滞现象：磁

8、滞现象：B B的变化总是滞后的变化总是滞后H H的变化的变化 b)b)磁滞回线磁滞回线软磁材料硬磁材料c)c)极限磁滞回线极限磁滞回线d)d)磁性材料的重要参数磁性材料的重要参数: :剩余剩余磁感应强度磁感应强度BrBr、矫顽磁力、矫顽磁力HcHc4 4软磁材料：软磁材料： 高，高， HcHc小，磁滞回线窄而小，磁滞回线窄而长，易被磁化长，易被磁化. .如：铸钢、硅钢、坡莫合金，如：铸钢、硅钢、坡莫合金，制作电机铁心制作电机铁心6 6 永磁材料：永磁材料：铁氧体、铝镍钴、稀土永磁（钕铁硼）铁氧体、铝镍钴、稀土永磁（钕铁硼）磁性能用磁性能用BrBrHcHc和和(BHmax)(BHmax)三项指标

9、表征三项指标表征5 5 硬磁材料：硬磁材料：不高，不高， HcHc大，大， 磁滞回线宽而胖，磁滞回线宽而胖， 不易被磁化不易被磁化, ,也不易也不易 去磁去磁. .制造永久磁铁制造永久磁铁整块叠片涡流也可加于利用，如电磁炉、高频感应炉、高频塑料热压机等涡流也可加于利用，如电磁炉、高频感应炉、高频塑料热压机等七七电感电感: :一个线圈通过单位电流所产生的磁链称为该线圈的电感一个线圈通过单位电流所产生的磁链称为该线圈的电感. .mRNNIFNINIL22电感的单位：电感的单位：H (H (亨亨) )1 1自感自感: :与线圈匝链的磁通由流经线圈与线圈匝链的磁通由流经线圈本身电流产生的本身电流产生的

10、. .2NIL2 2互感互感: :与线圈匝链的磁通由另一与线圈匝链的磁通由另一线圈电流产生的线圈电流产生的. .1212121211221NNINIM2121212122112NNINIM同理同理: :21122112MM3 3漏感漏感: : 漏磁通相应的电感漏磁通相应的电感111IL222IL同理:4 4电抗电抗: : 当线圈流过正弦交流电时，线圈电感的作用当线圈流过正弦交流电时，线圈电感的作用常用相应的电抗来表示常用相应的电抗来表示. .IULXLmLRNfNffLLX22222可见可见: : 电感电感( (电抗电抗) )与磁场介质的磁导成正比与磁场介质的磁导成正比八、主要定理、定则、定律

11、八、主要定理、定则、定律i21 1、全电流定律、全电流定律安培环路定律安培环路定律nkkLFNIIldH1L1L2i12 2、磁路欧姆定律、磁路欧姆定律mmFSlNiRF/3 3、磁路的基尔霍夫第一定律、磁路的基尔霍夫第一定律04 4、磁路的基尔霍夫第二定律、磁路的基尔霍夫第二定律FNiHldlH5 5、电磁感应定律、电磁感应定律dtdNdtde-变压器电动势变压器电动势*e、f同时存在于发电机和电动机机内- 电机的可逆性原理电机的可逆性原理BlVe -运动电动势（发电机）运动电动势（发电机） 右手定则右手定则: :Bilf -电磁力（电动机）电磁力（电动机） 左手定则左手定则: :6 6、磁

12、场储能、磁场储能 wm磁场的体积能量密度：磁场的体积能量密度：02221rmBBHw磁场的总储能：磁场的总储能：dvHdBWBvm)(0注：旋转电机的能量主要储存在气隙中注：旋转电机的能量主要储存在气隙中6 6、磁场储能、磁场储能 wmii思考：哪个结构储能更大？思考：哪个结构储能更大？储能变压器1.3 1.3 电机主要制造材料电机主要制造材料电机用的各种材料主要有：导电、导磁、绝缘、电机用的各种材料主要有：导电、导磁、绝缘、 散热和机械支撑散热和机械支撑. .一导电材料：导电材料：铜铜铝铝碳碳铜的电阻率为铜的电阻率为17.2410-9，相对密度为，相对密度为8.9g/cm3铝的电阻率为铝的电

13、阻率为28.210-9，相对密度为，相对密度为2.7g/cm3二二导磁材料：导磁材料：硅钢片硅钢片钢铁钢铁铸钢；铁氧体、钕铁錋等铸钢；铁氧体、钕铁錋等 软磁材料软磁材料作铁芯作铁芯 硬磁材料硬磁材料作磁钢（永磁体）作磁钢（永磁体）四四机械支撑机械支撑: : 机座、端盖、轴、轴承、螺杆、木块等机座、端盖、轴、轴承、螺杆、木块等. .绝缘级别绝缘级别YAEBFHC极限允许极限允许温度温度c90105120130155180180以上以上绝缘材料的等级绝缘材料的等级三三绝缘材料：绝缘材料： 导体与导体间、导体和机壳或铁芯间导体与导体间、导体和机壳或铁芯间绝缘材料的寿命与它的工作温度有关；为了保证电绝

14、缘材料的寿命与它的工作温度有关；为了保证电机能在足够长的合理的年限内可靠地运行机能在足够长的合理的年限内可靠地运行, ,国家对绝国家对绝缘材料都规定了极限允许温度。见下表缘材料都规定了极限允许温度。见下表mABHFe/1591045000/1/7AHlF7 .473 . 0159ANFi21054. 9/例例1： 有一闭合铁心磁路，铁心的截面积有一闭合铁心磁路，铁心的截面积S=910-4m2，磁路的平均长度磁路的平均长度L=0.3m，铁心的磁导率，铁心的磁导率5000，套装在铁，套装在铁心上的励磁绕组为心上的励磁绕组为500匝。试求在铁心中产生匝。试求在铁心中产生1T的磁通的磁通密度时，所需的

15、励磁磁动势和励磁电流。密度时，所需的励磁磁动势和励磁电流。解：解： (1) 方法一方法一:用安培环路定律来求解。用安培环路定律来求解。 磁场强度：磁场强度： 磁动势：磁动势： 励磁电流：励磁电流： Wb103 . 5109144BSA/Wb103 . 510910450003 . 0447SlRFem47.7A103 . 510944mRFANFi21054. 9/(2) 方法二方法二:用磁路欧姆定律解。用磁路欧姆定律解。磁通量：磁通量： 磁阻：磁阻： 磁动势磁动势 ： 励磁电流：励磁电流： 1.4 1.4 三相交流电路的有关概念三相交流电路的有关概念一、三相交流电一、三相交流电国家标准电网是

16、三相电压对称的三相交流电，即国家标准电网是三相电压对称的三相交流电，即A A、B B、C C三相电压大小相等、相位互差三相电压大小相等、相位互差120120。 AmBmCmsin2sinsin(120 )2sin(120 )sin(240 )2sin(240 )uUtUtuUtUtuUtUtuAuBuCtbtctat=60u0t三相对称电压波形：三相对称电压波形： B轴C轴A轴UUAyxUCUB(a)(b)ABC0120240UUUUUU相量形式：相量形式：（a a）三旋转相量，单时轴；（）三旋转相量，单时轴；（b b）单旋转相量，三时轴）单旋转相量，三时轴 二、三相绕组连接二、三相绕组连接 电机三相绕组形式一样，完全对称。三相绕组通常有电机三相绕组形式一样，完全对称。三相绕组通常有两种连接：两种连接： 星形接法（星形接法（Y Y接法）或三角形接法（接法）或三角形接法（D D接法）接法）星形连接星形连接 三角形连接三角形连接 三三角角形形接接法法phUU phII3IUIUIUSphph3333星星形形接接法法phII IUIUIUSphph3333phUU3