電機學緒論及磁路

1、電機學電氣(dinq)2011共七十頁目錄(ml)緒論第1章磁路第2章變壓器第3章直流電機第4章交流(jioli)電機理論的共同問題第5章交流電機第6章同步電機總復習 共七十頁緒論(xln) 一 電機在國民經(jīng)濟中的作用電機是利用電磁作用原理工作的電氣設備，電機的功能是實現(xiàn)機電能量（信號）的轉換和傳遞。電能是國民經(jīng)濟中應用最為廣泛的能源，電能的生產(chǎn)、傳輸、分配和使用等都要依賴于各式電機，在國民經(jīng)濟各部門中起著非常重要的作用。電機按不同的用途可以分為發(fā)電機、電動機、變壓器和控制電機。發(fā)電機是將機械能轉換為電能，又分為直流發(fā)電機和交流發(fā)電機，現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸?shù)雀餍懈鳂I(yè)廣泛應用的電能，幾乎全部

2、(qunb)是由火電廠或是水電站的交流發(fā)電機發(fā)出的交流電能。共七十頁電動機是將交流電能或直流電能轉換為機械能，用來拖動各種生產(chǎn)機械的動力，是國民經(jīng)濟各部門應用最多的動力機械。是最主要的用電設備，各種電動機消耗的電能占發(fā)電量的60%以上。變壓器是將一種電壓的交流電能轉換為另一種電壓的交流電能，發(fā)電機發(fā)出的電壓受絕緣材料和結構的限制（最高只能是27KV），進行(jnxng)遠距離輸電時，輸電線路上將產(chǎn)生較大的電壓降落和能量損耗，因此在電廠和電站。需用變壓器將電壓升高，使輸送功率不變的情況下輸電線路上的電流變小。以求輸電的經(jīng)濟，到變電所在把電壓降到用電設備的電壓等級，保證安全?？刂齐姍C主要用于信號的

3、變換和傳遞，在自動控制系統(tǒng)中作為多種控制元件來使用，主要用在國防工業(yè)，新型的數(shù)控制機床、計算機外圍設備、機器人和音象設備等都需要大量的控制電機。共七十頁小結(xioji)電能生產(chǎn)由同步發(fā)電機生產(chǎn)；高壓輸電由升壓變壓器將發(fā)電機發(fā)出的電壓升高到輸電電壓再輸送；降壓用電由降壓變壓器將輸來的高壓電降為所需低電壓，供給用電設備；生產(chǎn)機械的拖動由各種電動機實現(xiàn)；控制系統(tǒng)(kn zh x tn)中的信號轉換由各種控制電機完成。共七十頁二、電機學發(fā)展史1820年奧斯特發(fā)現(xiàn)(fxin)了電流磁效應，隨后安培通過總結電流在磁場中所受機械力的情況建立了安培定律共七十頁1、直流電機的產(chǎn)生(chnshng)與形成 18

4、21年9月法拉第發(fā)現(xiàn)通電的導線能繞永久磁鐵旋轉以及磁體繞載流導體的運動，第一次實現(xiàn)了電磁運動向機械運動的轉換，從而(cng r)建立了電動機的實驗室模型，被認為是世界上第一臺電機。盤子內注入水銀，盤子中央固定一個永磁體，盤子上方懸掛一根導線，導線的一端可在水銀中移動，另一端跟電池的一端連接在一起，電池的另一端跟盤子連在一起，構稱導電回路，載流導線在磁場中受力運動。共七十頁第一臺真正意義(yy)上的電機1831年，法拉第利用電磁感應發(fā)明了世界上第一臺真正意義上的電機法拉第圓盤發(fā)電機。這臺發(fā)電機制構造(guzo)跟現(xiàn)代的發(fā)電機不同，在磁場所中轉動的不是線圈，而是一個紫銅做的圓盤。圓心處固定一個搖柄

5、，圓盤的邊緣和圓心處各與一個電刷緊貼，用導線把電刷與電流表連接起來；銅圓盤放置在蹄形永磁體的磁場中，當轉動搖柄使銅圓盤旋轉起來時，電流表的指針偏向一邊，電路中產(chǎn)生了持續(xù)的電流。共七十頁振蕩(zhndng)電動機1831年夏，亨利對法拉第的電動機模型進行了改進該裝置的運動部件是在垂直方向上運動的電磁鐵，當它們端部的導線與兩個電池交替連接時，電磁鐵的極性自動改變，電磁鐵與永磁體相互吸引或排斥，使電磁鐵以每分鐘75個周期的速度上下運動。亨利的電動機的重要(zhngyo)意義在于這是第一次展示了由磁極排斥和吸引產(chǎn)生的連續(xù)運動，是電磁鐵在電動機中的真正應用。 亨利的振蕩電動機照片 原理圖 共七十頁第一臺

6、能產(chǎn)生連續(xù)(linx)運動的旋轉電動機1832年，斯特金發(fā)明了換向器，據(jù)此對亨利的振蕩電動機進行了改進，并制作了世界上第一臺能產(chǎn)生連續(xù)運動的旋轉電動機。后來他還制作了一個(y )并勵直流電動機。 共七十頁雅可比的電動機 1834年，德國的雅可比在兩個U型電磁鐵中間，裝一六臂輪，每臂帶兩根棒型磁鐵，通電后，棒型磁鐵與U型磁鐵之間產(chǎn)生相互吸引和排斥作用 ，帶動輪軸轉動。安在小艇上，用320個丹尼爾電池供電，1838年小艇在易北河上首次航行，時速只有2.2公里(n l)，但種電動機都沒有多大商業(yè)價值，用電池作電源，成本太大、不實用。 共七十頁直流發(fā)電1882年，德國將米斯巴哈水電站發(fā)出的2千瓦直流電

7、通過57千米 15002000伏 電線輸送到慕尼黑，證明直流遠距離輸電的可能性。直流在傳輸中的缺點：電壓越高，電能的傳輸損失越小，但高壓直流發(fā)電機困難較大，而且單機容量越大，換向也越困難，換向器上的火花使工作不穩(wěn)定。因而人們就把目光(mgung)轉向交流電機。 共七十頁2、交流(jioli)電機的產(chǎn)生與形成 1824年，法國人阿拉果（DFJArago）在轉動懸掛著的磁針時發(fā)現(xiàn)其外圍環(huán)上受到機械力。1825年，他重復這一實驗(shyn)時，發(fā)現(xiàn)外圍環(huán)的轉動又使磁針偏轉，這些實驗(shyn)導致了后來感應電動機的出現(xiàn)。共七十頁1888年南斯拉夫出生的美國發(fā)明家特斯拉發(fā)明了交流電動機。它是根據(jù)電磁感

8、應原理制成，又稱感應電動機，這種電動機結構簡單，使用交流電，無火花，因此被廣泛應用于工業(yè)(gngy)的家庭電器中，交流電動機通常用三相交流供電。美國的特斯拉在愛迪生公司的時候就決心開發(fā)交流電機，但愛迪生堅持只搞直流方式，因此他就把兩相交流發(fā)電機和電動機的專利權賣給了西屋公司。 共七十頁電機迅速(xn s)發(fā)展1891年，奧斯卡馮米勒在法蘭克福世界電氣博覽會上宣布：他與多里沃合作架設的從勞芬到法蘭克福的三相交流輸電電路，可把勞芬的一架300735.5W 55V三相交流發(fā)電機的電流經(jīng)三相變壓器提高到了萬伏，輸運175千米，順利通電，從此三相交流電機很快代替了工業(yè)上的直流電機，因為三相制的優(yōu)點十分明

9、顯：材料可靠，結構簡單，性能好，效率高，用銅省，在電力驅動方面又有重大效益。各種各樣的電機迅速發(fā)展(fzhn)起來。 1896年，特斯拉的兩相交流發(fā)電機在尼亞拉發(fā)電廠開始勞動營運，3750KW，5000V的交流電一直送到40公里外的布法羅市。 共七十頁總結電機(dinj)的發(fā)展簡史直流電機的產(chǎn)生和形成時期1821-1833 法拉弟載流導體在磁場中受力，電磁感應定律；電機可逆原理；制作(zhzu)一臺旋轉磁極式直流電機（永久磁鐵和線圈）。1834-1870 永磁變成電流線圈，他勵變成自勵；環(huán)形（分布）電樞繞組代替T型繞組；直流發(fā)電機和電動合一。 1870-1890鼓形電樞繞組；電樞開槽；疊片鐵心

10、。1899-直流電樞繞組理論。進入現(xiàn)代直流電機交流電機的形成和發(fā)展時期新發(fā)展時期 電機理論、設計工藝共七十頁三 電機的分類常用的分類方式有兩種：一是按功能分，有發(fā)電機、電動機、變壓器和控制(kngzh)電機四大類；二是按電機結構或轉速分，有變壓器和旋轉電機。兩種方法(fngf)歸納如下： 電機靜止電機 變壓器直流電機 直流發(fā)電機直流電動機 交流電機控制電機同步電機同步發(fā)電機同步電動機異步電機異步發(fā)電機異步電動機旋轉電機 共七十頁電力系統(tǒng)(din l x tn)圖的電機應用共七十頁共七十頁機器人共七十頁1、磁路 掌握磁路的基本定律，了解各種( zhn)常用的鐵磁材料及其性質。ANi四、電機學涉及

11、(shj)內容共七十頁電磁感應(dinc-gnyng)定律閉合回路中的磁通量隨時間(shjin)發(fā)生變化，該線圈中必然有感應電勢產(chǎn)生，稱這種現(xiàn)象為電磁感應。共七十頁2、變壓器了解變壓器的基本結構、工作原理(yunl)和額定值。 變壓器的空載運行及變壓器的負載運行分析。用途分類：電力(dinl)變壓器，電力(dinl)系統(tǒng)傳輸電能電爐變壓器，專給煉鋼爐供電整流變壓器，大型電解電鍍、直流電力機車供電儀用變壓器、控制變壓器無線電變壓器，僅傳輸信號。共七十頁電力(dinl)變壓器變壓器的總容量大致相當于發(fā)電機容量的三倍。輸電過程中，通常將電壓升高，通過高壓輸電線傳送(chun sn)到遠方的城市，經(jīng)過

12、降壓變壓器降為10kv電壓，再經(jīng)過配電降壓變壓器分配給用戶。輸送同樣的功率，電壓低則電流大，一方面由于大電流在輸電線路上引起損耗，另一方面大電流在線路阻抗上產(chǎn) 生大的壓降，受電端電壓很低，電能傳送不出去。只有高電壓能將電能輸送到遠方。 配電變壓器共七十頁配電(pi din)變壓器輸電(shdin)變壓器共七十頁3、直流電機共七十頁4、交流(jioli)繞組及其電動勢和磁動勢 共七十頁5、感應(gnyng)電機主要用作電動機籠型異步電機剖面圖轉軸定子繞組轉子定子鐵心端蓋接線盒共七十頁6、同步電機主要(zhyo)用作發(fā)電機共七十頁水輪機共七十頁汽輪機秦山核電站湛江火電廠 火電廠中的汽輪機組共七十頁

13、五、電機研究(ynji)現(xiàn)狀大容量、超高速大功率、超低速智能材料多功能集成(j chn)電機系統(tǒng)共七十頁東方電機：交付首臺三峽(sn xi)右岸水輪機轉輪2006年10月東方電機開發(fā)出三峽右岸水輪發(fā)電機組，我國完全擁有自主知識產(chǎn)權，綜合性能全面優(yōu)于三峽左岸(zu n)水輪發(fā)電機組。改變了我國巨型水輪發(fā)電機組研發(fā)技術依靠國外進口的狀況，標志著東方電機已系統(tǒng)掌握包括從水輪機模型轉輪水力開發(fā)、水輪機真機結構設計到真機加工制造的全部核心技術。 大容量、超高速共七十頁哈電機廠三峽(sn xi)右岸水輪機轉輪研制成功2006年11月30日，目前世界上最大70萬千瓦水輪機核心部件三峽右岸水輪機轉輪(zhun

14、 ln)在哈爾濱電機廠遼寧葫蘆島制造成功，將在三峽工地“服役”。這是我國獨立研制成功并擁有自主知識產(chǎn)權的巨型水輪機組。它的研制成功結束了我國在此領域內長期依賴進口的歷史。共七十頁高速(o s)電機應用領域（超）高速電機可廣泛用于高速磨頭，高速的車床、鉆床(zun chung)、銑床；醫(yī)療器械和手術器械中用的高速電機；高速電動工具以及航空航天等領域。 共七十頁2、大功率、超低速(d s)主要(zhyo)應用于船舶和艦艇推進系統(tǒng)的直接電力驅動和大型風力發(fā)電機。體積大國外已能生產(chǎn)4.5MW的直驅式風力發(fā)電機，轉速813r/min。共七十頁3、智能(zh nn)材料近年，新型功能材料智能材料，如壓電陶

15、瓷、超磁致伸縮、電致伸縮、溫控與磁控形狀記憶合金等等。由智能材料構思出各種新型能量轉換器件與系統(tǒng)，如傳感器、執(zhí)行器和機器人等。成為電工科學(kxu)新的研究領域。超聲波電機是近年發(fā)展迅速的一種壓電執(zhí)行器。共七十頁1）壓電效應(y din xio yng) 逆壓電效應(y din xio yng)當材料受力作用而變形(bin xng)時, 其表面會有電荷產(chǎn)生共七十頁2）超聲電機技術(jsh)的應用共七十頁納米(n m)發(fā)電機 超聲波驅動(q dn)的納米發(fā)電機能收集周圍環(huán)境中微小的震動機械能并轉變?yōu)殡娔軄頌槠渌{米器件，如傳感器，探測器等提供能量。這種震動機械能普遍存在于自然界以及人們日常生活中

16、，如空氣或水的流動、引擎的轉動、空調或其它機器的運轉等引起的各種頻率的噪音，人行走時肌肉伸縮能或腳對地的壓縮能等。甚至在人體內由于呼吸，心跳或是血液流動帶來的體內某處壓力的細微變化也有可能帶動納米發(fā)電機產(chǎn)生電能。納米發(fā)電機的發(fā)明為實現(xiàn)能源系統(tǒng)的微型化帶來了可能；對于實現(xiàn)具有完全無線，可生物植入，以及長時期甚至終生無需照管的納米或微電子器件，提供了一種理想的電源系統(tǒng)。共七十頁4、多功能集成電機(dinj)系統(tǒng)交直流供電系統(tǒng)(n din x tn)Powerformer磁懸浮技術共七十頁磁懸浮技術(jsh)磁懸浮列車是將列車用磁力懸浮起來，使列車與導軌脫離接觸，以減小摩擦，提高車速。列車由直線電機

17、牽引。直線電機的一個級固定于地面，跟導軌一起延伸到遠處；另一個級安裝在列車上，初級通以交流，列車就沿導軌前進。列車上裝有磁體（有的就是兼用直線電機的線圈(xinqun)），磁體隨列車運動時，使設在地面上的線圈(xinqun)（或金屬板）中產(chǎn)生感應電流，感應電流的磁場和列車上的磁體（或線圈(xinqun)）之間的電磁力把列車懸浮起來懸浮列車的優(yōu)點是運行平穩(wěn)，沒有顛簸，噪聲小，所需的牽引力很小，只要幾千kw的功率就能使懸浮列車的速度達到550kmh。懸浮列車減速的時候，磁場的變化減小，感應電流也減小，磁場減弱，造成懸浮力下降。共七十頁磁懸浮中的直線(zhxin)電機liner motor將傳統(tǒng)的旋

18、轉電機從轉子中心向一側切開并且展直，這樣旋轉電機則變?yōu)橹本€電機?；蛘哒J為直線電機是半徑無限大的旋轉電機。這時定子中的旋轉磁場將變?yōu)橹本€移動磁場，車輛將隨著直線電機磁場的移動而向前運動。 直線電機可以劃分為長定子直線電機和短定子直線電機長定子直線電機的定子（初級線圈）設置在導軌上，其定子繞組可以在導軌上無限(wxin)長地鋪設，故稱為“長定子”。長定子直線電機通常用在高速及超高速磁懸浮鐵路中，應用在長大干線及城際鐵路領域。 共七十頁共七十頁我國第一輛國產(chǎn)懸浮(xunf)磁客車我國第一輛國產(chǎn)懸浮磁客車（長春客車廠）德國和日本之后，第三個掌握磁懸浮客車技術的國家。 由長春客車廠、西南交通大學和株洲電

19、力機車研究所聯(lián)合開發(fā)研制的。為常導吸浮式磁懸浮車，采用電磁(dinc)吸力將車輛浮起，與軌道間距始終保持在至毫米之間，采用直線電機驅動車，推進速度取決于直線電機的牽引力，運營時速公里，最高試驗時速可達公里。 共七十頁五、電機學發(fā)展趨勢 （一） 單機容量不斷提高（二） 中小型電機(dinj)技術和經(jīng)濟指標不斷改進 （三） 應用范圍不斷擴大共七十頁六 課程(kchng)的性質、任務、內容、特點及要求性質：電氣工程專業(yè)必修的專業(yè)基礎課。前續(xù)課是數(shù)學、物理及電路及磁路。后續(xù)課是、電力拖動自動控制系統(tǒng)、工廠電氣控制設備電氣專業(yè)諸多課程。任務：使學生掌握各種電機和變壓器的基本結構、工作原理和主要特性；基本

20、分析方法、培養(yǎng)解決工程實際(shj)問題的能力，包括一定的計算能力；學習測試各種電機、變壓器的性能和參數(shù)的基本方法，進行實驗技能的訓練等。為以后的學習打基礎。內容：變壓器、交流電機及拖動。直流電機及拖動 學時：48+8 學分：3.5共七十頁特點： 理論性和實踐性都很強，分析電機工作原理時要用電學、磁學和動力學的基礎理論。要有時間和空間概念，所以理論性很強；而用理論分析各種電機和電力拖動的實際(shj)時，必須結合電機的具體結構、采用工程觀點和工程分析方法，所以實踐性也很強，又要注意實驗操作技能和計算能力。所以必須注意理論聯(lián)系實際(shj)。要求： 1上課注意聽講，重點內容記筆記，保證出勤。 2

21、 認真完成作業(yè)。 3 作好實驗及預習?？己朔绞?考試70分+實驗15分+出勤及作業(yè)10分+5分表現(xiàn)共七十頁第1章 磁路(c l)磁路(c l)的基本定律共七十頁1.1 磁路(c l)的基本定律1磁路的概念磁場的磁通（flux）。磁通所通過的路徑(ljng)就是磁路(magnetic circuit)。共七十頁i1輸入(shr)電能電能(dinnng)磁場輸出電能i2電能變壓器實現(xiàn)能量傳遞條件：兩個線圈被磁場耦合起來。共七十頁磁場機械能電能(dinnng)在發(fā)電機中，機械能之所以會轉換(zhunhun)為電能，一個重要條件也是因為其中存在一個耦合磁場。旋轉電機共七十頁磁通密度(md)也叫磁感應強

22、度。單位 特斯拉（T）。磁通：直觀地理解為磁路中所包含(bohn)地磁力線條數(shù)。單位 韋伯（Wb）2 磁路的基本定律 磁路相關的幾個重要物理量磁導率 表示物質導磁能力的大小。 真空磁導率為 H/m。 空氣、塑料等非金屬以及銅、鋁等大部分金屬的磁導率都近似等于空氣。稱為非鐵磁物質。 還有一部分材料的磁導率遠高于真空的磁導率，這類材料稱為鐵磁物質，比如，鐵、鎳、鈷及其合金等。共七十頁而磁通密度則分別為 因為(yn wi) 是 的數(shù)千倍，所以鐵環(huán)中的磁密與磁通是塑料環(huán)中的數(shù)千倍。下圖中，以長直導線中心為圓心，在半徑(bnjng)為r的圓周上有一個塑料環(huán)和一個鐵環(huán)，顯然其中磁場強度均為 ，磁場強度，單

23、位為A/m。它與磁感應強度的關系在一般的情況下可表示為。需要注意的是，磁場強度本身并不代表磁場強弱。只有它與磁導率之積才能反映磁場的強弱。 共七十頁 沿空間任意一條閉合回路，磁場強度(cchng qingd)H的線積分等于該閉合回路所包圍的電流的代數(shù)和。注：若 與 符合(fh)右手螺旋關系，取正號，否則取負。其中大拇指所指為 的方向，四指為 方向。安培環(huán)路定律共七十頁l和l，兩積分路徑結果(ji gu)相同：共七十頁 全電流定律應用到電機和變壓器中。把磁路分成多段，全電流定律可改寫成HK第K段磁路的磁場強度， LK第K段磁路平均長度，上式的每一段HL稱為該磁路上的磁壓降，NI整個磁路上的磁勢，

24、N磁路繞組(roz)中的安匝數(shù)。 作用在磁路上的總磁勢等于各段磁路上的磁壓降之和。 共七十頁磁路(c l)的歐姆定律 單框鐵心(ti xn)磁路ANil共七十頁磁阻磁導共七十頁與電路(dinl)中的歐姆定律相似模擬(mn)電路圖F鐵磁材料的磁導率不是一個常數(shù)，所以由鐵磁材料構成的磁路，其磁阻不是常數(shù)，而是隨著磁路中磁通密度的大小而變化，這種情況稱為非線性。 共七十頁1)磁通連續(xù)性定理(dngl)磁通連續(xù)性原理(yunl)示意圖共七十頁二、磁路的基爾霍夫第一(dy)定律 定律內容: 穿出(或進入)任一閉和面的總磁通量恒等于(dngy)零(或者說，進入任一閉合面的磁通量恒等于(dngy)穿出該閉合面的磁通量)，這就是磁通連續(xù)性定律。 共七十頁圖 無分支(fnzh)磁路示意圖ANi中間鐵心柱的線圈(xinqun)中通以電流，產(chǎn)生磁通，路徑如圖共七十頁三、磁路(c l)的基爾霍夫第二定律 定律(dngl)背景:磁路計算時，總是把整個磁路分成若干段，每段為同一材料、相同截面積，且段內磁通密度處處相等，從而磁場強度亦處處相等。定律內容:沿任何閉合磁路的總磁動勢恒等于各段