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第 1 章 电机学基础知识,2023年1月9日星期一,山东理工大学电工电子教研室,1,1.1 电机的基本功能与主要类型,1.3 电机的制造材料,1.2 电机的基本原理,1.1 电机的基本功能与主要类型,2023年1月9日星期一,山东理工大学电工电子教研室,2,一、按照能量转换和信号传递所起的作用分类 1.发电机 将机械能转换为电能。2.电动机 将电能转换为机械能。3.变压器、变流器、变频机、移相器 变换电压、电流、频率、相位。4.控制电机 作为自动控制系统的控制元件，起检测、放大、执行和校正作用。,电机定义：是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置。,2023年1月9日星期一,山东理工大学电工电子教研室,3,二、按运动方式及电源性质分类,电机,静止电机-变压器,旋转电机,直流电机,交流电机,异步电机,同步电机,控制电机,直流发电机,直流电动机,异步发电机,异步电动机,同步发电机,同步电动机,电机与电力拖动的发展概况,三、电、电机与电力拖动的发展史,2023年1月9日星期一,山东理工大学电工电子教研室,4,1.电与电机的发展概况,在公元585年，泰勒斯发现了摩擦起电；1672年格里凯解释了摩擦起电；1746年荷兰的莫伸布洛克在莱顿镇制造了莱顿瓶；1752年美国的富兰克林解释了雷和电的关系。十八世纪末和十九世纪初，由于生产发展的需要，在电磁方面的研究工作发展的很快。1785年库仑首先从实验室中确定了电荷间的相互作用力，即库仑定律，使电荷的概念开始有了定量的意义。,电机与电力拖动的发展概况,2023年1月9日星期一,山东理工大学电工电子教研室,5,1820年丹麦的奥斯特从实验室中发现了电流对磁针有力的作用，揭开了电学理论新的一页；同一年德国的安培确定了通过有电流的线圈其作用与磁铁相似，这指出了磁现象的本质问题；1826年德国的欧姆在通过实验而得出欧姆定律；,电机与电力拖动的发展概况,1831年英国的法拉第发现电磁感应定律，为研制各种电机奠定了重要的理论基础；,法拉第与最早的发电机 法拉第盘,2023年1月9日星期一,山东理工大学电工电子教研室,6,1832年皮克斯在电磁感应理论的指导下，制造了第一台发电机；,电机与电力拖动的发展概况,1833年楞次建立了确定感应电流方向的原则；,皮克斯发明的直流发电机,其后他致力于电机理论的研究并阐明了电机的可逆性原理。,1834年雅比克制造出世界第一台电动机，从而证明了实际应用电能的可能性。,2023年1月9日星期一,山东理工大学电工电子教研室,7,雅可比发明的世界上第一台电动机模型与实用电动机,2023年1月9日星期一,山东理工大学电工电子教研室,8,1838 年，俄国人用一台直流电动机拖动轮船，以 4 km/h 的速度逆流而上和顺流而下，这是最早的实用电动机。1845年用电磁铁代替了永久磁铁，此前电机中的磁极是用永久磁铁制造的。,电机与电力拖动的发展概况,1866 年，德国科学家西门子制成的第一台自激式发电机，标志着制造大容量发电机技术的突破，具有划时代的意义。,2023年1月9日星期一,山东理工大学电工电子教研室,9,Siemens 和他的自激式发电机,2023年1月9日星期一,山东理工大学电工电子教研室,10,1886 年，特斯拉研制出两相异步电动机。,特斯拉与他发明的两相异步电动机,1885 年，费那里斯发现了两相电流能产生旋转 磁场。,2023年1月9日星期一,山东理工大学电工电子教研室,11,电机工程得以飞跃发展是与俄罗斯杰出的工程师多里沃多勃罗沃尔斯基的工作分不开的，他是三相电路系统的创始者；他在1889年相继发明和制造出三相异步电动机和三相变压器，并首先采用了三相输电线，使电机基本定型。一个多世纪以来，电机的基本结构似乎并没有多大的变化，但电机的类型有了很大的发展，在运行性能、经济指标等方面都有了很大的改进和提高。,电机与电力拖动的发展概况,2023年1月9日星期一,山东理工大学电工电子教研室,12,随着自动控制系统和计算机装置的发展，在一般旋转电机的理论基础上，又发展了许多种可靠性，高精度、快速响应的控制电机，成为电机学科的一个独立的分支。,我国的电机工业在建国以来发生了巨大的变化。现在已建立了自己的工业体系，有统一的国家标准、统一的电机、变压器系列，能生产成套的大、小型火力和水力发电设备，基本上能生产满足国民经济生产需要的各种电机。,电机与电力拖动的发展概况,2023年1月9日星期一,山东理工大学电工电子教研室,13,2电力拖动的发展概况 最初电动机拖动代替了蒸汽或水力的拖动；当时电动机拖动生产机械的方式是通过天轴来实现的，称为“成组拖动”。即由一台电动机拖动一组生产机械，从电动机到各种生产机械的能量传送以及在各生产机械之间的能量分配完全用机械的方式，靠天轴及机械传动来实现。电动机远离车间，车间内有大量的天轴、长皮带和皮带轮等，能量在传递过程中损耗大、效率低、易出事故，若电动机发生故障，成组的生产机械将停产，这是一种落后的拖动方式。,电机与电力拖动的发展概况,2023年1月9日星期一,山东理工大学电工电子教研室,14,二十世纪以来，生产机械上广泛采用“单电机拖动系统”，即一台生产机械由一台单独的电动机拖动；电动机与生产机械在结构上密切配合，从而进一步简化机构容易实现生产机械运动的全部自动化。用一台电动机拖动具有多个工作机构的生产机械，则机械内部仍保留着复杂的机械传动机构；从上世纪三十年代起，广泛采用了“多电机拖动系统”，即每一个工作机构用单独电机带动，这样生产机械结构大大简化；例对铣床来说共有3台电机即主轴电机、进给电机和冷却电机。,电机与电力拖动的发展概况,2023年1月9日星期一,山东理工大学电工电子教研室,15,随着生产机械的发展，对上述单机、多机拖动系统提出了更高的要求：要求提高加工精度与工作速度，要求快速起动、制动及反转。实现在宽广范围内调速及整个生产过程自动化等。完成这些任务，除电动机外，还需有其他装置，组成自动化的电机拖动系统。随着电机及电器制造工业及各种自动化元件的发展，自动电力拖动系统得到不断的更新发展。最初采用的控制系统是继电器接触器型的。属于有触点断续控制系统。,电机与电力拖动的发展概况,2023年1月9日星期一,山东理工大学电工电子教研室,16,随着电子技术的不断发展，无触点控制系统已被大量采用，从分离元件到集成电路，直到近几年来的微机处理系统。由于有触点控制系统有其独特的优点，目前仍被广泛采用。建国以来，电力拖动自动化系统技术的发展有了很大的成绩，建立了一些有一定电力拖动自动化水平的工厂，建立了一批科研与设计机构，自行设计和制造了一批具有一定水平的生产自动线。但与先进国家相比差距较大；控制电机方面，由于我们起步较晚，差距更大。,电机与电力拖动的发展概况,2023年1月9日星期一,山东理工大学电工电子教研室,17,电机与电力拖动的发展概况,专业技术基础课程。了解各类电机的基本结构。理解电机中的能量转换关系。掌握电机稳态运行时的分析方法和运行性能。理解电机稳态运行时各种参数的物理意义，并 能熟练应用等效电路和相量图。通过实验，掌握电机的基本实验方法和电机使用的基本技能。,四、本课程的性质和任务,2023年1月9日星期一,山东理工大学电工电子教研室,18,电机与电力拖动的发展概况,变压器电 机,动力电机 控制电机,直流电机 交流电机,异步电机 同步电机,电机：,发电机和电动机。,电能,机械能,磁场,水能热能风能原子能,五、教学内容,2023年1月9日星期一,山东理工大学电工电子教研室,19,1.2 电机的基本原理,一、磁感应强度,磁感应强度B 表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。,磁感应强度B的大小,磁感应强度B的方向与电流的方向之间符合右手螺旋定则。,磁感应强度B的单位:特斯拉(T)，1T=1Wb/m2,1.2.1 磁场的基本物理量,2023年1月9日星期一,山东理工大学电工电子教研室,20,磁场的基本物理量,二、磁通,磁通：穿过垂直于B方向的面积S中的磁力线总数。,说明:如果不是均匀磁场，则取B的平均值。,在均匀磁场中=B S 或 B=/S,磁感应强度B在数值上可以看成为与磁场方向垂直的单位面积所通过的磁通,故又称磁通密度。,磁通 的单位:韦伯(Wb)1Wb=1Tm2,均匀磁场:各点磁感应强度大小相等，方向相同的 磁场，也称匀强磁场。,2023年1月9日星期一,山东理工大学电工电子教研室,21,H 与 B 的区别,H I，与介质的性质无关。B 与电流的大小和介质的性质均有关。,磁场的基本物理量,磁场强度H的单位：安培/米（A/m),三、磁场强度,磁场强度H：表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。是计算磁场时所引用的一个物理量，通过它来确定磁场与电流之间的关系。,2023年1月9日星期一,山东理工大学电工电子教研室,22,磁场的基本物理量,由实验可测得：真空的磁导率为：,真空磁导率是一个常数，将其它物质的磁导率和它比较是很方便的。,四、磁导率,磁导率：表示磁场媒质磁性的物理量，衡量物质 的导磁能力。它与磁场强度的乘积就等于磁感应强度，即：,磁导率 的单位：亨/米（H/m）,2023年1月9日星期一,山东理工大学电工电子教研室,23,磁场的基本物理量,也即当磁场媒质是某种物质时某点的磁感应强度B与在同样电流下真空时该点的磁感应强度B0之比的倍数。,自然界的所有物质按磁导率的大小，大体上可分为磁性材料和非磁性材料。,相对磁导率 r：任一种物质的磁导率 和真空的磁导率0的比值。,2023年1月9日星期一,山东理工大学电工电子教研室,24,磁通所通过的路径称为磁路。,1.2.2 磁路及其基本定律,u,主磁通,漏磁通,磁路,2023年1月9日星期一,山东理工大学电工电子教研室,25,电机中常用的基本定律,一、全电流安培环路定律,沿任何一条闭合回线L，磁场强度H的线积分等于该闭合回线所包围的电流的代数和,如果在均匀磁场中，沿着回线 L 磁场强度H处处相等，则,二、磁路的欧姆定律,作用在磁路上的磁动势 F 等于磁路内的磁通量乘以磁阻 Rm,F称为磁动势,2023年1月9日星期一,山东理工大学电工电子教研室,26,电机中常用的基本定律,磁通量等于磁通密度乘以面积,磁场强度等于磁通密度除以磁导率,于是,W,2023年1月9日星期一,山东理工大学电工电子教研室,27,电机中常用的基本定律,三、磁路的基尔霍夫定律,1.磁路的基尔霍夫第一定律,或,闭合面,2023年1月9日星期一,山东理工大学电工电子教研室,28,电机中常用的基本定律,2.磁路的基尔霍夫第二定律,2023年1月9日星期一,山东理工大学电工电子教研室,29,电机中常用的基本定律,四、电磁感应定律,在我们回顾的所有定律中这将是最重要的一个。简单的说电磁感应定律就是变化的电场附近会产生变化的磁场，而变化的磁场附近会产生变化的电场。,定义：无论何种原因使的与闭合线圈交链的磁链随着时间t变化时，线圈中将会 产生感应电动势e,根据原因的不同，感应电动势可分为以下两类：,2023年1月9日星期一,山东理工大学电工电子教研室,30,电机中常用的基本定律,1.变压器电动势指线圈位置静止不变，穿过线圈的磁通发生变化，这样在线圈内将产生感应电动势，其大小与线圈的匝数和磁通变化率成正比，方向由楞次定律决定,2.切割（运动）电动势当磁场和线圈导体之间有相对运动时，使得穿过线圈的磁通随着时间的变化而变化。此时的e叫做运动电动势 e=Blv方向由右手定则判定。,2023年1月9日星期一,山东理工大学电工电子教研室,31,3.自感系数L由自感系数的定义,而由磁路的欧姆定律,所以,结论：当磁路为非线性时，自感系数是一个变量，随磁路的饱和程度的增加而下降。,称为磁导,电机中常用的基本定律,2023年1月9日星期一,山东理工大学电工电子教研室,32,电机中常用的基本定律,五、电磁力定律 载流导体在磁场中要受到力的作用，方向 用左手定则判定。f=Bil 在旋转电机中，作用在转子载流导体上的电磁力将使转子受到一个力矩（等于力乘以转子半径），这个力矩称之为电磁转矩。电磁转矩在电机的能量形态转换起到重要的作用，以后会详细研究它。回顾右手定则，左手定则,2023年1月9日星期一,山东理工大学电工电子教研室,33,电机中常用的基本定律,六、电路定律（1）欧姆定律：u=iR（2）基尔霍夫第一定律（电流定律）i=0（3）基尔霍夫第二定律（电压定律）在电路中，对任一回路，沿回路环绕一周，回路内所有元件的电压代数和等于零，即 u=0。,1.3 制造电机所用的材料,2023年1月9日星期一,山东理工大学电工电子教研室,34,1.3.1 概述,制造材料主要包括：导磁材料、导电材料、绝缘材料、结构材料、散热材料、冷却材料、润滑材料等。,导电材料：铜、铝。导磁材料：各种成分的铸钢（电工钢片）。绝缘材料：各种绝缘纸、油性玻璃漆布、有机硅玻璃粘带、酚醛玻璃纤维压塑料,2023年1月9日星期一,山东理工大学电工电子教研室,35,1.3.2 磁性材料的磁性能,一、高导磁性,磁性材料的磁导率通常都很高，即 r 1(如坡莫合金，其 r 可达 2105)。磁性材料能被强烈的磁化，具有很高的导磁性能。,磁性材料主要指铁、镍、钴及其合金等。,磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备中，如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心。,在这种具有铁心的线圈中通入不太大的励磁电流，便可以产生较大的磁通和磁感应强度。,电机的制造材料,2023年1月9日星期一,山东理工大学电工电子教研室,36,这些小磁铁叫做“磁畴”。,磁畴（磁化前）,磁畴（磁化后）,在外磁场的作用下，磁畴顺着外磁场方向转向，排列整齐，显示出磁性。,磁性物质具有高导磁性是由于内部有很多被强烈磁化的小磁铁。,电机的制造材料,2023年1月9日星期一,山东理工大学电工电子教研室,37,电机的制造材料,磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限的增强。,二、磁饱和性,BJ 磁场内磁性物质的磁化磁场 的磁感应强度曲线；,B0 磁场内不存在磁性物质时的 磁感应强度直线；,B BJ曲线和B0直线的纵坐标相 加即磁场的 B-H 磁化曲线。,BJ,B,a,b,磁化曲线,当外磁场增大到一定程度时，磁性物质磁畴的磁场方向全部都转向与外部磁场方向一致，磁化磁场的磁感应强度将趋向某一定值，如图。,2023年1月9日星期一,山东理工大学电工电子教研室,38,B-H 磁化曲线的特征：Oa段：B 与H几乎成正比地增加；ab段：B 的增加缓慢下来；b点以后：B增加很少，达到饱和。,有磁性物质存在时，B 与 H不成正比，磁性物质的磁导率不是常数，随H而变。,有磁性物质存在时，与 I 不成正比。,磁性物质的磁化曲线在磁路计算上极为重要，其为非线性曲线，实际中通过实验得出。,磁化曲线,B和与H的关系,电机的制造材料,2023年1月9日星期一,山东理工大学电工电子教研室,39,三、磁滞性,磁性材料在交变磁场中反复磁化，其B-H关系曲线是一条回形闭合曲线，称为磁滞回线。,磁性材料中磁感应强度B的变化总是滞后于外磁场变化的性质。,磁滞回线,Br,Hc,剩磁感应强度Br(剩磁)：当线圈中电流减小到零(H=0)时，铁心中的磁感应强度。,例如:永久磁铁的磁性就是由剩磁产生的；自励直流发电机的磁极，为了使电压能建立，也必须具有剩磁。,电机的制造材料,2023年1月9日星期一,山东理工大学电工电子教研室,40,磁滞回线,Br,HC,但剩磁也存在着有害的一面，例如，当工件在平面磨床上加工完毕后，由于电磁吸盘有剩磁，还将工件吸住。为此要通入反向去磁电流，去掉剩磁，才能取下工件。,矫顽磁力HC：使 B=0 所需的 H 值。,磁性物质不同，其磁滞回线和磁化曲线也不同。,电机的制造材料,2023年1月9日星期一,山东理工大学电工电子教研室,41,几种常见磁性物质的磁化曲线,电机的制造材料,2023年1月9日星期一,山东理工大学电工电子教研室,42,按磁性物质的磁性能，磁性材料分为三种类型：(1)软磁材料具有较小的矫顽磁力，磁滞回线较窄。一般用来制造电机、电器及变压器等的铁心。常用的有铸铁、硅钢、坡莫合金即铁氧体等。(2)永磁材料具有较大的矫顽磁力，磁滞回线较宽。一般用来制造永久磁铁。常用的有碳钢及铁镍铝钴合金等。(3)矩磁材料具有较大的矫顽磁力和较大的剩磁，磁滞回线接近矩形，稳定性良好。在计算机和控制系统中用作记忆元件、开关元件和逻辑元件。常用的有镁锰铁氧体等。,电机的制造材料,2023年1月9日星期一,山东理工大学电工电子教研室,43,1.磁滞损耗（pch）,由磁滞性所产生的能量损耗称为磁滞损耗(Pch)。,磁滞损耗的大小：单位体积内的磁滞损耗正比与磁滞回线的面积和磁场交变的频率 f。,磁滞损耗转化为热能，引起铁心发热。,减少磁滞损耗的措施：选用磁滞回线狭小的磁性材料制作铁心。变压器和电机中使用的硅钢等材料的磁滞损耗较低。,选择适当的磁感应强度值以减小铁心饱和程度。,四、铁心损耗pFe,电机的制造材料,2023年1月9日星期一,山东理工大学电工电子教研室,44,2.涡流损耗（pwh）,涡流损耗:由涡流所产生的功率损耗。,涡流：交变磁通在铁心内产生感应电动势和电流，称为涡流。涡流在垂直于磁通的平面内环流。,涡流损耗转化为热能，引起铁心发热。,减少涡流损耗措施：,提高铁心的电阻率（通常由于硅钢片）。铁心用彼此绝缘的钢片叠成，把涡流限制在较小的截面内。,3.铁耗pFe：铁心中的铁耗等于磁滞损耗和涡流损耗之和。,电机的制造材料,2023年1月9日星期一,山东理工大学电工电子教研室,45,本章结束,电机的制造材料,