電機基礎知識

電機與拖動根底——電機學局部電機學局部簡介

ElectricMachinery電機學從電、磁、機械三個方面入手，分析電機內部的電磁過程，介紹變壓器、異步電機、同步電機和直流電機的類型、結構、工作原理、工作特性和工況。

學習電機學局部的目的是讓學生掌握從事電能生產、傳輸、分配和利用中有關電機能量轉換和運行特性方面的根本理論和知識。其主要任務是：使學生了解電氣工程和動力工程中常用的電機類型和結構；掌握各種電機的工作原理和運行特性；了解電機銘牌的參數(shù)含義，能夠對其性能進行分析、計算，并合理選擇和使用各種電機。第1章電機學根底知識電機的根本功能與主要類型電機的根本原理—磁路電機的制造材料1.1電機的根本功能與主要類型電機是實現(xiàn)能量轉換和信號傳遞的電磁裝置。2、變壓器〔變流器、變頻器、移相器〕的作用：傳輸、分配電能。

1、發(fā)電機的作用：生產電能。

4、控制電機：伺服電機(用于控制系統(tǒng)〕，自整角機(用于同步聯(lián)絡系統(tǒng)〕，感應調壓器和移相器(用于試驗室中〕等。3、電動機的作用：驅動作用。電機分類：變壓器直流電機伺服電動機、步進電動機、測速發(fā)電機回轉變壓器、自整角機、直線電動機電力變壓器：升壓變壓器、降壓變壓器動力電機微特電機感應電機同步電機感應電動機感應發(fā)電機交流電機同步電動機同步發(fā)電機同步補償機直流電動機直流發(fā)電機旋轉電機靜止電機特種變壓器：自耦、三繞組、互感器二灘水電站火電站全國裝機容量最大的新疆達板城風電廠太陽能電站地熱電站核電站潮汐電站波浪能發(fā)電站變頻器電力變壓器磁懸浮列車大型車床電機的功能〔續(xù)2〕2、驅動生產機械信號傳遞-直流伺服電動機

將控制信號轉換為機械信號作電源用-直流發(fā)電機

將機械能轉化為直流電能電機的功能〔續(xù)3〕盲人引路車爬行機器人3、控制各種自動設備同步發(fā)電機定子各種微電機電機的功能〔續(xù)4〕４、電機的開展狀況大型和超小型方向開展主要類型按功用分發(fā)電機

電動機電力機械

變壓器和變頻器

控制電機

電力機械變壓器

旋轉電機直流電機

交流電機同步電機

異步電機1.2電機的根本原理—磁路B（單位T或特斯拉）iBi磁場的根本概念磁感應強度B〔磁密〕與磁感線特點：右手螺旋法那么，不相交的閉合曲線，疏密程度。uiΦ磁通Φ磁路局部電路局部磁通量:穿過某一截面的磁感應強度

ABΦ=BA〔單位Wb〕磁場強度：H=B/μ〔單位A/m〕垂直均勻磁場韋伯和麥克斯韋之間的換算：1Wb=108Mx磁導率μ：磁場中介質的導磁能力。真空磁導率μ0=4π×10-7H/m非磁性物質如空氣、塑料、銅、鋁、橡膠等。這些物質的磁導率均與真空的磁導率非常接近，它們的相對磁導率均約等于1。非磁性物質的磁導率可認為是常量。鐵磁性物質如鐵、鎳、鈷、鋼及其合金等。鑄鐵磁導率μ≈200～400μ0

；鑄鋼磁導率μ≈500～2200μ0

；硅鋼的μ≈7000~10000μ0

；坡莫合金的μ≈20000~200000μ0

。鐵磁物質的磁導率不是常量，隨外部條件變化。磁場儲能：體能密度磁導率為常數(shù)時：對旋轉電機，氣隙的B≈0.4~0.8T，鐵心的B≈1.0~1.8T。μ0＜＜μ，故磁場能主要存儲在氣隙中，又稱耦合磁場。經鐵心閉合的Φ為主磁通i2i1ΦΦ2σΦ1σ

X1定子N勵磁繞組A1S轉子SA2N定子繞組X1

ΦΦσ磁路及根本定律同步發(fā)電機磁路經空氣等非鐵磁材料閉合的Φσ為漏磁通。安培環(huán)流定律〔全電流定律〕i2i1i3Hdl設n根載流導體被任何閉合路徑l所包圍，那么磁場與建立它的電流之間有下述關系：磁場強度矢量H沿空間任意閉合路徑的線積分等于該回路所包圍導體的電流代數(shù)和。符合右手〔H〕螺旋法那么時，電流〔拇指〕為正，相反為負。

磁路歐姆定律

AlΦiN無分支磁路磁路的平均長度匝數(shù)磁阻H-1=1A/Wb磁導H=1Wb/A磁勢A

注：磁阻不是常數(shù)

磁路的基爾霍夫第一定律l1A1μ1Φ1l2A2μ2Φ2l3A3μ3Φ3iN閉合面磁路的基爾霍夫第二定律∑F=Ni=∑Hklk=Φ∑Rmk對閉合面，穿入的磁通=穿出的磁通∑Φ=Φ2－Φ1－Φ3=0材料或截面各段不同的無分支磁路，通過各截面的磁通相等。計算步驟：Φ

?各段B

k=Φ/A

k?

在磁化曲線上查H

k

?

ΣHkl

k=Ni=FAlΦiNiΦ2000匝l1A1H1l4A4H4l2A2H2l3A3H3l5A5H5例1-1鐵心疊壓因數(shù)kFe=0.94，A=0.8×10-3m2，l1=0.08m，l2=0.1m，l3=0.037m，l4=0..037m，l5=0.1m，δ=0.006m，μFe=1900μ0，要到達Φ=1×10-3Wb，求i。解:電磁感應定律——變壓器電動勢iΦeNi→ΨL=NΦ瞬時值：e=－NdΦ/dt=－NωΦmcosωt

=

Emsin(ωt-90)o設Φ=Φm

sinωt磁鏈eL=－dΨL/dt線圈的電路方程iΦeN

鐵心線圈的Lm>>空心線圈的Lo。L=ΨL/i=NΦ/i=N(Ni/Rm)/i=N2λmeL=－Ldi/dtΨL=Li右手定那么運動電動勢e=Blv左手定那么F=Bli電磁轉矩T=2Blir導體轉動半徑導體有效長度導體運動速度電機的制造材料絕緣材料：隔開導電體和非導電體，或隔開不同點位導體。用絕緣漆，合成樹脂，纖維紙層等。導電材料：銅，鋁，電刷材料導磁材料：稀土永磁材料、電工鋼片或硅鋼片〔厚0.23mm，0.35mm，0.5mm，1mm〕絕緣材料7等級絕緣等級YAEBFHC允許工作溫度90105120130155180>180℃電機的絕緣等級與電機的使用溫度有關。在使用溫度確定后，往往會使用至少同級或較高的絕緣材料，以提高電機的使用壽命。比方，常用的B級電機，其內部的絕緣材料往往是F級的，而銅線可能使用H級甚至更高的，來提高其質量。一般為提高使用壽命，往往規(guī)定高級絕緣要求，低一級來考核。比方，常見的F級絕緣的電機，做B級來考核，即其溫升不能超過120度〔留10度作為余量，以防止工藝不穩(wěn)定造成個別電機溫升超差〕。表1-1絕緣材料的等級其中，E、B、F級應用較普遍。此外，變壓器油是一種特種礦物油，在變器中同時起絕緣和散熱兩種作用。

主要材料(續(xù)3)結構材料：鑄鐵，鋼板。散熱材料、冷卻材料、潤滑材料

電機的絕緣：導線絕緣、槽絕緣、層絕緣、相間絕緣、端板絕緣、包扎絕緣、引線絕緣、絕緣漆和澆注絕緣。

多用E或B級，例Y系列異步電機為B級絕緣。起重或冶金常采用F或H級。電機工作時產生的損耗，最后均轉化為熱能，使電機升溫，假設不加措施會使電機絕緣老化，縮短工作壽命甚至短時間內燒毀。電機雖然效率很高，一般均在85％以上，但鑒于其本身容量巨大，損耗的絕對值十分可觀，散熱是電機的一個重要研究課題。中小型電機可利用增大機殼的外表積來幫助散熱；大中型電機用空心導體，鐵心中埋管子通以水或氫氣來散熱稱為內冷式。機內由軸上裝設的風扇運送空氣或氫氣在機內專設的風道中流通來幫助散熱。散熱材料主要材料(續(xù)4)主要是鋁合金、鋼板制成機座、端蓋、轉軸和軸承。鐵心槽口要用槽楔封閉。一般用非磁性材料制成，加固轉子繞組用的綁線亦用非磁性鋼。當鋼的成分中含有25％鎳或l2％錳時，即可使其失去磁性。機械支撐材料主要材料(續(xù)6)

鐵磁材料內部往往有相鄰的幾百個分子電流圈流向一致，這些分子電流產生的磁場疊加起來，就形成了一個個天然的小磁性區(qū)域—磁疇。不同鐵磁物質內部磁疇的數(shù)量不同。

通常鐵磁材料內部磁疇排列雜亂無章，磁性相互抵消，對外不顯磁性。

鐵磁材料之所以具有高導磁性。是因為在其內部具有一種特殊的物質結構—磁疇。它相當于一個個小磁鐵。常用的鐵磁材料及特性有外磁場作用時磁疇在外界磁場的作用下，均發(fā)生歸順性轉向，使得鐵磁材料內部形成一個很強的附加磁場。高導磁性鑄鋼：μ≈1000μ0，硅鋼片：μ≈(6000~7000)μ0磁滯回線中H為零時B并不為0的現(xiàn)象說明鐵磁材料具有剩磁性。B

為零時H并不為零的現(xiàn)象說明鐵磁材料具有矯頑磁力。BH0cba起始磁化曲線oa段是線性段ab段是上升段bc段是磁化曲線的膝部C點以后是飽和段起始磁化曲線反映了什么？起始磁化曲線的ab段反映了鐵磁材料的高導磁性；c點以后說明鐵磁材料具有磁飽和性。磁滯回線中B的變化總是落后于H的變化說明鐵磁材料具有磁滯性。鐵磁材料反復磁化一周所構成的曲線稱為磁滯回線。〔2〕鐵磁材料的磁飽和性、磁滯性和剩磁性軟磁材料具有磁導率很高、易磁化、易去磁的顯著特點，適用于制作各種電機、電器的鐵心。軟磁材料鐵磁材料的分類和用途硬磁材料的磁導率不太高、但一經磁化能保存很大剩磁且不易去磁，適用于制作各種永久磁體。硬磁材料矩磁材料磁導率極高、磁化過程中只有正、負兩個飽和點，適用于制作各類存儲器中記憶元件的磁芯。矩磁材料BH0軟磁性材料磁滯回線包圍的面積很小。BH0硬磁性材料磁滯回線包圍的面積很寬大。BH0

高導磁性(續(xù)4)蜂腰形狹長型肥胖型長方形退化型不對稱型鐵芯損耗

根據(jù)電流的熱效應原理，渦流通過鐵芯時將使鐵芯發(fā)熱，顯然渦流增加設備絕緣設計的難度，渦流嚴重時會造成設備的燒損。φ在交變磁場作用下，整塊鐵芯中產生的旋渦狀感應電流稱為渦流。為減小渦流損耗，常用硅鋼片疊壓制成電機電器的鐵芯。(1)磁滯損耗

鐵磁材料反復磁化時，內部磁疇的極性取向隨著外磁場的交變來回翻轉，在翻轉的過程中，由于磁疇間相互摩擦而引起的能量損耗稱為磁滯損耗。磁滯損耗使鐵芯發(fā)熱。(2)渦流損耗※減小鐵損耗的方法：①使用軟磁材料；②增大鐵心的電阻率，減小渦流及其損耗

；③用很薄的硅鋼片疊成鐵心，減小渦流及其損耗

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