电机学教案详解secret.doc
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1、绪论绪论 一、电机在国民经济中的作用 电能是现代主要的能源,而电机是与电能的生产、传输和使用紧密相关的能量转换装 置,它不仅是工业、农业、交通运输业、国防工业、IT 技术产业的重要设备,而且在日常 生活中的应用也越来越广泛。 人类早期使用的原动力是畜力、水力和风力,后来发明了蒸汽机、柴油机、汽油机, 十九世纪发明了电动机,由于电动机有以下优点 (1)电机的效率高,运行经济; (2)电能的传输和分配比较方便; (3)电能容易控制。 所以电动机的应用越来越广泛,现在绝大部分生产机械都采用电动机进行拖动,即用 电动机作为原动机。 让电机运转需要电能,电能主要来自发电机,为了经济的传输和分配电能需要变
2、压器, 另外随着自动化程度的不断提高,自动控制技术得到空前的发展,出现了各种各样的 控制奠基,此外在文教、医疗卫生、信息产业及日常生活中奠基的应用将会愈加广泛。 二、电机的主要类型 电机的型式和种类很多,但其工作原理都是基于电磁感应定律和电磁力定律,电机的分 类方法很多,按功能进行分类,可分为: (1)发电机 将电能转换为机械能 (2)电动机 将机械能转换为电能 (3)变压器 将电能变换为不同等级的电能 (4)控制电机 作为控制系统中的元件 三、我国电机工业发展概况 解放前电机工业极端落后,仅几个城市有电机制造厂。解放后 电机工业发展很快第一 个五年计划结束时,年产量和单机容量都较解放前提高了
3、几十倍。改革开放以来我国电机 工业在引进、吸收和消化国外先进技术的基础上对原有电机进行了优化设计,使电机性能 大大提高,并相继研制和开发了多种新系列电机,不仅满足了国内生产需要,而且向国外 出口。目前我国已开发制成 125 个系列,900 多个品种,几千种规格的各种电机。 电机工业发展趋势是电子与电机工业结合,开展新原理、新结构、新材料电机的研制工 作。 第一章:磁路第一章:磁路 主要内容:磁路基本定理,铁磁材料的特性及交。直流磁路。主要内容:磁路基本定理,铁磁材料的特性及交。直流磁路。 1-1 磁路的基本定理磁路的基本定理 本节介绍磁路的基本定律及磁路计算。 一磁路的概念 在工程上为了得到较
4、强的磁场,广泛的利用了铁磁物质,在电机,变压器等设备 中应用铁磁物质制成一定的形状人为的构成磁路的路径,使磁路主要在这部分空 间内分布,这种磁路所通过的路径称为磁路。下面分别为变压器和直流电机的磁 路。 这样就把分布在整个空间的磁路问题,简化为局限在一定范围内的磁路问题,即 转化为磁路问题。 如同电流流过的路径称为电路一样。磁通通过的路径为磁路。 由于铁心的导磁性质比空气好的多,所以绝大部分磁通在铁心中通过,这部分磁 通称为主磁通。经过空气隙闭和的磁路为漏磁通。 用以产生磁路中磁通的载流线圈称为励磁线圈,其电流称为励磁电流(或激磁电 流) 二、磁路的基本定律 下面分别介绍在进行磁路分析和计算时
5、常用的几条定理 1、安培环路定理(或称全电流定理) 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路所包围的总电 流即: (1-1) l idLH 电流的参数方向与闭合路径方向符合右手螺旋关系取正号,反之为负. 若沿长度 L。磁路强度 H 处处相等,且闭和回路所包围的总电流是由通过 I 的 N 匝线圈提供,则上式可写成: HL=Ni (1-2) 2、磁路的欧姆定律 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,且各截面上的磁通密度为平均并垂直于各 截面则: (1-3) BAdAB (1-4) L A L B H
6、lNi (1-5) m R F A L Ni m RF A l Rm 上式称为磁路的欧姆定律,与电路欧姆定律形式上相似。 m RF 注:Rm 与电阻 R 对应,两者的计算公式相似,但铁磁材料的磁导率 不是 常数,所以 Rm 不是常数。 3、磁路的基尔霍夫第一定律 对于有分支磁路,任意取一闭合面 A,由磁通连续性的原则,穿过闭合面的 磁通的代数和应为零,即: (1-6) 0 该定律称为基尔霍夫第一定律 4、磁路的基尔霍夫第二定律 沿任何闭和磁路的总磁动势恒等于各段磁压降的代数和,即: Ni k n k kl HNi 1 该定律称为基尔霍夫第二定律 电机和变压器的磁路总是由数段不同截面,不同材料的
7、铁心组成,而且还可 能含有气隙,在进行磁路计算时总是将磁路分成若干段,每段为同一材料。且截 面积和磁密处处相等,见教材 P7 图 1-5 所示,磁路由三段组成,两段为截面积不 同的铁磁材料,一段为空气隙,铁心上的励磁磁动势 NI 则: (1-7) RRRHlHlHlHmmm k kK Ni 2 2 1 1 3 1 2211 三、磁路和电路的类比和区别: 磁路和电路的类比关系: 磁路电路 1 物理量 磁动势 m RF 磁通量 磁阻 A l Rm 磁导 m R 1 磁导率 电动势 E=IR 电流 I 电阻 R 电导 G 电导率 2 基本定律 欧姆定律 m R F A L Ni 基尔霍夫第一定律0
8、基尔霍夫第二定律 k n k kl HNi 1 欧姆定律 I= R E 基尔霍夫第一定律 0i 基尔霍夫第二定律 iRe 电路与磁路的区别: 1 电路中有电流就有功率损耗。磁路中恒定磁通下没有功率损耗; 2 电流全部在导体中流动,而在磁路中没有绝对的磁绝缘体,除在铁心的 磁通外,空气中也有漏磁通; 3 电阻为常数,磁阻为变量; 4 对于线性电路可应用叠加原理,而当磁路饱和时为非线形不能应用叠加 原理。 总上所述磁路与电路仅是数学形式上的类似,而本质是不同的。 1-2 常用铁磁材料及其特性常用铁磁材料及其特性 为了在一定的励磁磁动势作用下能激励较强的磁场(因为:B=H)从而使电机及变压 器等装置
9、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 高磁导性能,工程上往往利用它来使尽可能多的磁通约束在有限的范围内。所以电机和变 压器的铁心用导磁率较高的铁磁材料组成。本节介绍铁磁材料特性。 铁磁物质的磁化 一、铁磁物质的磁化 1、铁磁物质 物质按磁性分:顺磁物质、反磁物质和铁磁物质 有几种物质,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。这类物质称为铁磁物质,它们的磁导率都很大,超过几 千。而抗磁物质的磁导率为负值,顺磁物质的磁导率大约在 10-310-6之间。 金属 铁、钴、镍, B 高,居里温度高,缺点电阻率低
10、,涡流耗严重。 铁磁物质 非金属 铁氧体 电阻率高,涡流损耗小,抗锈防腐 缺点,B 低,温度稳定性差 2、铁磁物质的磁化 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。 原因:铁磁物质中有许多称为磁畴的天然磁化区,当未投入磁场时,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。 二、磁化曲线 铁磁材料的磁状态一般由磁化曲线 B-H 曲线表示: 1、 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,其上绕有绕组, 调节 R 使电流从零开始逐渐
11、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 B-H 曲线。 2、磁滞回线 若对铁磁材料进行周期性的磁化,则 B-H 曲线如下图: 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。 磁性材料按矫顽力 Hc 的大小可分为软磁材料和硬磁材料。 3、基本磁化曲线 对同一铁磁材料,选不同的 Hm 进行反复磁化,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。 三、铁心损耗 1、磁滞损耗 当铁磁材料置于交变
12、磁场中时,被反复交变磁化,致使磁畴之间不停的摩擦,消耗 能量,造成损耗,这种损耗称为磁滞损耗。 由交流电源与磁场之间的往返能量交换,进一步加以说明。 在固定铁心上装有一个线圈,设电源电压为 U,电流为 I,线圈匝数为 N,电阻为 R,则在 dt 时间内电源输入装置的总能量为 Uidt 消耗于电阻上的电能为 Ri2dt 铁心线圈从交流电源吸收的瞬时功率为: (1-8)eidtRdtiuidtp 2 dt d e m dWid dt d ip 从 t1 到 t2 时间内输入磁路系统的能量: (1-9) 2 1 2 1 idpdt t t mW 若铁心长度为 L,截面积为 A,则: NiHl NAB
13、N (1-10) 2 1 2 1 B B B B m HdBVNAdB N Hl W 磁场储能密度为: (1-11) 2 1 B B m m HdB V W w 对线性磁路 =常数 (1-12)BHwBwHdBw mm B m 2 1 )0()( 0 当铁心线圈内电流变化一个周期时,磁路时而从电路吸取能量,时而又向电网送还能 量。由于有铁心损耗,吸收的能量大于送还的能量,其差值转化为铁心中的热量,可用磁 滞回线的面积表示。当铁心线圈内电流变化一个周期时,铁心的磁滞回线如图 1-12(a)所 示 根据 2 1 B B m m HdB V W w 用(b)图面积 1241 表示,是去磁过程, H0
14、 dB 0 为 Bm Br m HdB 1 1m 正,此时为正向磁化过程,从电源输入能量, 用(C)图面积 2342 表示,是去磁过程, H0 dB 0 为负, Br Bm m HdB 4 4m 说明能量从磁路系统释放返回电源。 所以一个周期内磁场吸收的净能量用磁滞回线 35123 面积表示,这部分能量消耗在铁 磁材料内,由于磁滞损耗是消耗于铁心中的平均功率: (1-13) HdBVf T W p m h 这部分能量最终以热能的形式消散掉,由于这部分能量是由磁滞现象引起的。因而叫 做磁滞损耗。如无磁滞现象,即回环面积为零,则该损耗也为零。 由上述公式可见 VBfP n mh 所以: (1-14
15、)VfBCP n mhh 对电工钢片 n=1.62.3 Ch:磁滞损耗系数 所以,磁滞回路面积越小,磁滞损耗越小,电机和变压器铁心常用硅钢片制成,因硅 钢片的磁滞回线小,属于软磁材料。 2、 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,从而产 生电流,这些环流在铁心内绕磁通做旋状流动成为涡流,涡流在铁心中引起损耗称 为涡流损耗。由于涡流的存在,对铁心磁通回路产生影响。回路将由静态变为动态 形式右图虚线所示: 在回路上升部分,铁心中涡流阻止磁场的增加,为保持一定的磁通,激磁电流增加, 以抵消涡流作用,所以磁滞回路上升部分向右扩展,同理下降部分向左扩展 涡流损耗正比
16、于频率,磁通密度,反比于电阻率及路径长度 (1-15)VBfCP mee 222 铁心损耗: (1-16)VBfCfBCppP me n mhehFe 222 可近似为: (1-17):GBfCP mFeFe 23 . 1 :钢片厚度 CFe:铁心损耗系数 G:铁心重量 1-3 直流磁路直流磁路 本节介绍直流磁路的分析和计算 一直流磁路的计算 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(正向问题) 2、给定励磁磁动势,计算磁路内的磁通量(逆向问题) 正向问题计算步骤如下: 1 将磁路按材料性质和不同截面分成数段。 2 计算各段的有效面积和平均长度 i Ali 3 根据各段中的。
17、计算各段 i i i i A B 4由对铁磁材料查磁化曲线,对空气隙: ii HB B H 5计算出各段的磁压降 , iiL HFNILH ii 注:电机的计算通常为第一类 逆向问题的计算步骤如下: 1 预定 2 计算相应的磁动势 F 3 如和已知的 F 不相等,可按比例重新设定 F 4 由计算如=F 则为待求磁通量,否则继续试探以逐步接近准确值。 F F 二、直流电机的空载磁路 1、直流电机的空载磁路 直流电机的磁路在电机磁路中具有典型性。理解其分析和计算的方法。对电机的 分析、设计是十分重要的。 直流电机的空载磁场指励磁绕组中通过励磁电流时建立的磁场。如图为四极直流电 机的空载磁场分布 磁
18、通分为:主磁通和漏磁通 主磁通:从主极过气隙到转子,因气隙小,磁导大。所以磁通很大。 漏磁通:仅铰链励磁绕组本身,由空气闭和,不进入电枢铁心。因气隙大。磁导小。所以 其值很小。 2、空载磁路计算 按直流磁路计算的第一类问题进行计算。根据材料的截面积的不同,再由各 段磁路和的计算各段。最后可得到计算产生时整个闭和磁 i A i i i i A B 路所需的磁动势 F。 o K A K K K A B (1-18) iimmccttk n k k lHlHlHlHHlHF 222 1 0 计算表明:气隙和电枢齿这两部分磁压降之和占整个空载磁动势的 85%以上。 3、 直流电机的磁化曲线 分别计算不
19、同的磁通时所需的励磁磁动势。可得到直流电机的磁化曲线 磁化曲线体现了电机磁路的非线性。 三、永磁磁路的计算特点 含有永磁的磁系统称为永磁磁路。永磁材料也称为硬磁材料,它和软磁材料一样 具有磁滞现象,所不同的是它的磁滞回线宽。 对上图所示的永磁材料进行充磁磁化,随着激磁电流增加,用磁材料沿 O BS曲 线此话,直到饱和磁感应强度 BS,充磁后去掉励磁电流,磁感应强度沿去磁曲 线降到 Br 由于磁路中无外加的励磁磁动势。由安培环路定律: 0 HLHINF M M H l H M M 根据磁通连续性定理 A BAB MM 所以 M M M M M MMM M H A AL H L A A H A A
20、 B A A B)()( 000 上式中:均为常数,所以方程 BM与 HM的关系是一直县称为工作现 Og, MM AAl 0 用磁材料的工作点必须满足 和去磁曲线 B=f(H), M M M M H A AL B)( 0 即在两曲线的交点 a 上。 1-4 交流磁路交流磁路 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。 一、交流磁路的特点 1交流磁通引起铁心损耗 2磁通量随时间交变,在激磁线圈中感应电势。 3磁饱和现象会导致电流。磁通和电动
21、势波形的畸变。 第二章:变压器第二章:变压器 主要内容:变压器的工作原理,运行特性,基本方程式等效电路相量土,变压器的并联运主要内容:变压器的工作原理,运行特性,基本方程式等效电路相量土,变压器的并联运 行及三相变压器的特有问题。行及三相变压器的特有问题。 2-1 变压器的工作原理变压器的工作原理 本节以普通双绕组变压器为例介绍变压器的工作原理,基本结构和额定值。 一、 基本结构 变压器的主要部件是铁心和绕组,它们构成了变压器的器身。除此之外,还有放置 器身的盛有变压器油的油箱、绝缘套管、分接开关、安全气道等部件。主要介绍铁心和绕 组的结构。 1、铁心 变压器的铁心既是磁路,也是套装绕组的骨架
22、。 铁心分:心柱:心柱上套装有绕组。 铁轭:形成闭合磁路 为了减少铁心损耗,通常采用含硅量较高,厚度为 0.33mm 表面涂有绝缘漆的硅钢片叠 装而成。 铁心结构的基本形式分心式和壳式两种 心式:铁轭靠着绕组的顶面和底面。而不包围绕组侧面,见图 2-2 特结构较为简单,绕组 的装配及绝缘也较为容易,所以国产变压器大多采用心式结构。 (电力变压器常采用 的结构) 壳式:铁轭不仅包围顶面和底面,也包围绕组的侧面。见图 2-3,这种结构机械强度较好, 但制造工艺复杂,用材料较多。 铁心的叠装分为对接和叠接两种 对接:将心柱和铁轭分别叠装和夹紧,然后再把它们拼在一起。工艺简单。 迭接:把心柱和铁轭一层
23、一层的交错重叠,工艺复杂。 由于叠接式铁心使叠片接缝错开,减小接缝处的气隙,从而减小了励磁电流,同时 这种结构夹紧装置简单经济可靠性高,多采用叠接式。缺点:工艺上费时 2、绕组 绕组是变压器的电路部分,用纸包或纱包的绝缘扁线或圆线绕成。接入电能的一端称 为原绕组(或一次绕组) 输出电能的一端称为付绕组(或二次绕组) 一、二次绕组中电压高的一端称高电压绕组,低的一端称低电压绕组高压绕组匝数多, 导线细;低压绕组匝数少,导线粗。 因为不计铁心的损耗,根据能量的守恒原理 (s 原付绕组的视在功率)SIUIU 2211 电压高的一端电流小所以导线细 从高低压绕组的相对位置来看,变压器绕组可以分为同心式
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