《绪论磁路》课件.ppt

电机与电力拖动基础山东轻工业学院二九年九月,绪言第一章 磁路第二章 直流电机第三章 变压器第四章 异步电机（一）基本原理第五章 异步电机（二）运行原理第六章 同步电机第七章 控制电机第八章 电力拖动系统动力学基础第九章 直流电动机的电力拖动第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运行状态第十一章 三相异步电动机的启动第十二章 三相异步电动机的调速第十三章 多电动机拖动系统第十四章 电力拖动系统中电动机的选择,绪 言,电机是利用电磁感应原理工作的机械。电机常用的分类方式有两种：一是按功能分，有发电机、电动机、变压器和控制电机四大类；二是按电机结构或转动分，有变压器和旋转电机。,绪 言一、电机及电力拖动技术的发展概况,绪 言,电力拖动系统就是用电动机来拖动机械（负载）运行的系统。包括：电动机、传动机构、生产机械、控制设备和电源五个部分。,它们之间的关系如下:,电机发展史：,直流电机形成时期：1831年法拉第发现了电磁感应定律，1933年皮克西利用永久磁铁制成了一台旋转磁极式直流发电机。1870年1890年直流电机理论及结构得到完善一直沿用到今天。交流电机形成时期：1832年人们知道了单相交流发电机，1884年霍普金生兄弟发明了具有闭合磁路的变压器，1885年弗拉利斯制成了第一台两相电动机，同一时期特拉斯也发明了感应电动机。1889年多利伏设计制造了三相感应电动机。到十九世纪末，各种交、直流电机的基本类型及其基本理论和设计方法，大体上都以建立起来。,电机理论、设计及制造工艺完善时期：到二十世纪以后电机理论已日臻成熟，主要是新技术、新结构、新材料、新工艺的应用，出现了一系列特种电机，在电机控制领域有了显著进步，电机性能也有很大的提高。可以说二十世纪是电机发展史上的一个新时期。比如，在电机理论和分析方面对称分析法、空间向量法、同步电机的双反应理论以及拉格朗日公式和有限元法、矢量变换控制的应用等。另外，新型导磁材料及复合绝缘材料的研究，使电机的性能及容量都有很大的提高。,二十世纪四十年代前后，由于第二次世界大战的影响，自动控制技术得到了很大的发展，出现了一系列控制电机，例如电机放大机、交流测速发电机、旋转变压器等。同时，自整角机、伺服电动机的性能有较大的提高，交流调速理论也得到广泛的应用。二十世纪七、八十年代以后，由于大功率晶闸管的出现，以及电力电子技术和自动控制技术的发展，使电机的控制进入了一个新的时期。目前我国电机工业概况 目前，我国生产的大型直流电动机容量已达5000kW，同步电动机42MW，变压器840MVA。在中小型和微电机方面，已开发和研制了125个系列，上千个品种，几千个规格的各种电机。在特殊电机方面，出现了与电力电子装置、单片机相结合的一体化电机。,成组拖动一台电动机拖动一根天轴（或地轴），然后再由天轴（或地轴）通过皮带轮和皮带分别拖动多台生产机械。,单电机拖动一台电动机拖动一台生产机械的各运动部件。,多电机拖动一台生产机械的各个运动部件分别由不同的电动机来拖动。,特点是生产效率低、劳动条件差、一旦电动机出现故障，将造成成组的生产机械停车；,这种拖动方式较成组拖动前进了一步，但当一台生产机械的运动部件较多时，其传动机构仍十分复杂；,电力拖动系统发展史天轴系统（成组拖动）：最初单电机拖动系统：上世纪二十年代多电机拖动系统：上世纪三十年代,绪 言,二、本课程的性质、任务和内容,本课程是自动化专业的一门专业基础课。本课程的任务是让学生掌握电机的基本结构和工作原理，以及拖动系统的运行性能、分析计算、电机选择及试验方法，培养在电机及电力拖动方面分析和解决问题的能力，为今后学习和工作打下坚实的基础。本课程的内容有磁路、直流电机、变压器、异步电机、同步电机、控制电机、电力拖动系统的动力学基础、直流电动机的电力拖动、三相异步电动机的机械特性及各种运行状态、三相异步电动机的启动、调速、多电动机拖动系统、电力拖动系统电动机的选择十四个部分。,绪 言,本课程的特点及学习方法：电机及拖动基础是一门理论性很强的专业基础课，同时又具有专业课的性质，内容比较抽象，涉及的基础理论和实际知识面广，是电磁学、动力学、热力学等学科知识的综合。用理论分析电机及拖动的实际问题时，必须结合电机的具体结构，采用工程观点和分析方法。掌握基本理论的同时，还要注意培养实验操作技能和计算方法。,为了学好本门课程，必须做到以下几点：1、了解各种电机的基本结构，掌握和理解各种电机的基本原理；2、牢固掌握基本概念、主要公式和主要特性；3、运用对比或比较的方法，分析电机的共性和特点；4、通过实验，加深对原理和性能的理解；5、充分预习，积极参加答疑。鼓励同学们课堂上提出问题。,第一章 磁 路,第一节 磁路的基本定律一、磁场的几个常用物理量 磁感应强度B：表征磁场中某点磁场强弱及方向的物理量，是一个矢量，通常可用磁通密度的概念来理解它。单位为T（特）。磁通：量的概念，在均匀磁场中=BA。单位为wb（韦伯）。,第一章 磁路,磁场强度H：为计算引入的物理量，也是一个矢量。B=H，通常可用单位距离上的磁位降的概念来理解它。单位为A/m。磁动势F：由它产生磁场，也是一个矢量。F=Ni，F=Hl，F=Rm。单位为AN（安匝）。磁导率：表示物质导磁能力的大小，铁磁材料的磁导率Fe要比非铁磁材料磁导率大得多。非铁磁材料磁导率接近真空磁导率0=410-7 H/m。电机常用的铁磁材料磁导率Fe=（20006000）0。,二、磁路的概念 在工程上为了得到较强的磁场，广泛的利用了铁磁物质，在电机、变压器等设备中应用铁磁物质人为的构成磁路，使磁通主要在这部分空间内流动，磁通所通过的路径称为磁路。可看出磁路分为主磁路和漏磁路。主磁路：主磁通所通过的路径。漏磁路：漏磁通所通过的路径。,三、磁路的基本定律 安培环路定律（或称全电流定律）在磁路中沿任一闭合路径L，磁场强度H 的线积分等于该闭和回所包围的总电流值，即：LHdl=i。如果磁场强度H 处处相等，且闭和回路所包围的总电流是由通有i 的N 匝线圈提供，则上式可写成：H l=N i,磁路的欧姆定律 如书中图1-4（a）所示，若铁心上绕有通有电流i 的N 匝线圈，铁心的截面积为A，磁路的平均长度为l，材料的导磁率为，不计漏磁通，并认为各截面上的磁通密度均匀，并垂直于各截面，则：=BdA=BA,磁路的基尔霍夫定律磁路的基尔霍夫第一定律 如果铁心不是一个回路，而是有并联支路，任意取一闭合面A，穿出或进入该闭合面的总磁通恒等于零，这就是磁通连续性定律。如书中图1-5所示。即：=0 磁路的基尔霍夫第二定律 沿任何闭合磁路的总磁动势恒等于各段磁路磁压降的代数和。如书中图1-6所示。即：F=N i=HK lK,磁路和电路在物理量和基本定律上有一一的对应关系，但是，磁路和电路只是形式上的相似，而不是本质上的相同。1）电路中有电动势可以无电流，而磁路只要有磁动势就必有磁通。也就是说有电绝缘材料，没有磁绝缘材料。2）电路中有电流就有功率损耗，而在恒磁通下，磁路中没有功率损耗。3）电流只在导体中流过，而磁路中除了主磁通外还必须考虑到漏磁通的影响。4）电路中电阻率在一定温度下恒定不变，而铁磁材料构成的磁路中，磁导率Fe是随着磁通密度而变化的，不是一个常数。另外电阻率越大导电性能越差，而磁导率越大导磁性能越好。5）线性电路计算时可用叠加原理，铁心磁路则不行。,第二节 常用的铁磁材料及其特性,为了在一定的励磁磁动势作用下能激励出较强的磁场（因为：B=H）从而使电机及变压器的尺寸缩小、重量减轻、性能改善，必须增加磁路的磁导率,由于铁磁物质具有高导磁性能，所以电机和变压器的铁心常用导磁率较高的铁磁材料组成。,一、铁磁物质的磁化 铁磁物质包括如铁、钴、镍以及它们的合金，以及锰和铬的某些合金，即使在较小的外磁场的作用下，其磁化也特别显著。将铁磁材料放入磁场后，磁场会显著增强，铁磁材料在磁场中呈现很强的磁性这一现象，称为铁磁物质的磁化。铁磁物质的磁化原因：铁磁物质中有许多称为磁畴的天然磁化区，当未放入磁场时，磁畴杂乱无章的排列，磁效应相互抵消对外不显磁性。当放入磁场后，磁畴按外磁场方向排列起来，形成一附加磁场叠加在外磁场上。如书中图1-7所示。,二、磁化曲线 起始磁化曲线 起始磁化曲线可由实验得出。将一块未磁化的铁磁材料制成闭合铁心回路，其上绕有绕组，调节R 使电流从零开始逐渐增大，则铁心中穿过横截面的磁通密度将随之增大，测得对应于不同的H 值下的B 值。可逐点描绘出BH 曲线。由于非铁磁材料B和H呈线性关系，所以非铁磁材料的磁化曲线是一条斜线。,磁滞回线 若对铁磁材料进行周期性的磁化，则 B-H 曲线如图1-9所示：,可见铁磁材料在交变的磁场内被磁化的过程中，磁化曲线是一条具有单方向性的闭合曲线，称为磁滞回线。从磁滞回线上看，B 的变化总是滞后于H 的变化，这种现象称为磁滞现象。,基本磁化曲线 对同一铁磁材料，选不同的Hm进行反复磁化时，可得大小不同的磁滞回路，将各磁滞回路顶点连接起来。可得到基本磁化曲线或称为平均磁化曲线。,书中图1-11，给出了电机中常用的硅钢片（DR320、DR530）、铸铁、铸钢的基本磁化曲线。,三、铁磁材料 磁性材料按矫顽力Hc的大小可分为软磁材料和硬磁材料。软磁材料 软磁材料磁导率高，矫顽力Hc小，磁滞回线窄而长，剩磁Br小，如：铸钢、硅钢、坡莫合金等，可制作电机变压器铁心。磁路计算中，可不考虑磁滞现象。硬磁材料：硬磁材料磁导率不高，矫顽力Hc大，磁滞回线宽而胖，剩磁Br大，如铝镍钴、铁氧体、稀土钴、钕铁硼等，可制造永久磁铁。,四、铁心损耗 磁滞损耗 当铁磁材料置于交变磁场中时，被反复交变磁化，致使磁畴之间不停的摩擦而消耗能量，并以热量的形式表现出来，这种损耗称为磁滞损耗。经验公式：Ph=Ch f Bmn V式中：V铁心的体积；Ch 磁滞损耗系数，取决于材料性质；n 常用电工硅钢片n=1.62.3。涡流损耗 因铁心是导电的，当穿过铁心的磁通随时间变化时，铁心中产生感应电势，将引起环流，这些环流在铁心内部做旋涡状流动，称为涡流，涡流在铁心中引起损耗称为涡流损耗。如图1-13所示。,经验公式：Pe=Ce2 f 2Bm2 V式中：Ce涡流损耗系数，取决于材料的电阻率；硅钢片厚度，电机、变压器都采用0.35、0.5mm硅钢片。铁心损耗 PFe=Ph+Pe 对一般电工硅钢片，正常工作点的磁通磁密为1TBm1.8T。公式可近似写成：PFe CFe f 1.3Bm2 G 式中：CFe铁心损耗系数；G铁心重量。,降低铁心损耗的方法 降低磁滞损耗可采用软磁材料，如：硅钢、铸钢、坡莫合金等。降低涡流损耗可采用冲片叠装的方式。也可采用增大铁磁材料电阻率的方法。,第三节 直流磁路的计算 磁路计算分为两种类型：1、给定磁通，计算所需的励磁磁动势（正问题）。2、给定励磁磁动势，计算磁路内的磁通量（逆问题）。一、正问题计算步骤如下：将磁路按材料性质和截面尺寸不同分成数段。计算各段的有效面积AK和平均长度lK。计算各段磁路的平均磁通密度BK。根据 BK求出对应的磁场强度HK，对铁磁材料查磁化曲线；对空气隙，可用H=B/算出。计算出各段的磁压降HK lK，求出所需磁动势 HK lK。注：同步电机的计算通常为第一类。,二、逆问题的计算步骤如下：假定。按正问题计算步骤，计算出励磁磁动势F。用F与的给定励磁磁动势F 相比较，如不相等（达不到要求），可按比例重新假定，继续计算，直到符合要求为止。该方法也叫试探法。注：异步电机的计算通常为第一类。,第四节交流磁路的特点 前述的是在励磁线圈中通以直流电。所以为直流磁路，在直流磁路中各个参数都不随时间变化，在交流磁路中，因励磁电流为交流，所以磁通及磁势均随时间交变而交变，但就瞬时值仍与直流磁路一样，遵循磁路基本定律。交流磁路的特点：交变磁通引起铁心损耗。磁通量随时间交变，在励磁线圈中产感应电势。磁饱和现象会导致电流、磁通和电动势波形的畸变。共同点？,复习：1、左手定则：已知磁场方向和导体中电流的方向，判断导体受力方向。2、右手定则：已知磁场方向和导体运动方向，判断导体中感应电动势方向。3、右手螺旋法则：已知线圈绕制方向和电流的方向，判断磁场的方向。自习：法拉第定律及楞次定律。,作业：1、磁场的常用物理量B、H、F、的物理意义？2、习题1-6。课堂作业：降低铁耗的方法？,