南京信息工程大學(xué)電機(jī)學(xué)

1、電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)電機(jī)學(xué)南京信息工程大學(xué)電氣工程系曹永娟 20112012學(xué)年第二學(xué)期電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)第一章 緒論電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)本章內(nèi)容概述概述1電機(jī)的磁路和磁路定律電機(jī)的磁路和磁路定律2電機(jī)的電磁基本理論電機(jī)的電磁基本理論3電機(jī)的制造材料電機(jī)的制造材料4電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)概述本課程的研究對(duì)象電機(jī)（Electrical Machines）：電能 能量轉(zhuǎn)換工業(yè)生產(chǎn)中的重要作用日常生活中，哪些東西是電機(jī)？或者哪些設(shè)備里存在電機(jī)？分類 根據(jù)能量轉(zhuǎn)換分電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)概述據(jù)速度、電流分變壓器靜止設(shè)備 旋轉(zhuǎn)電機(jī)直流電機(jī)沒有固定的同步速度 、直流交流電機(jī)異步電機(jī)

2、速度不等于同步速度 、交流同步電機(jī)速度等于同步速度 、交流還會(huì)碰到很多電機(jī)名稱，如永磁電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、超聲波電機(jī)等等。本課程主要學(xué)習(xí)變壓器、異步電機(jī)、同步電機(jī)和直流電機(jī)。本教材共用兩學(xué)期，96學(xué)時(shí)。本學(xué)期64學(xué)時(shí)，主要用來學(xué)習(xí)電機(jī)學(xué)原理，另外還有實(shí)驗(yàn)16學(xué)時(shí)；下學(xué)期32學(xué)時(shí)的電力拖動(dòng)，介紹電機(jī)調(diào)速、啟動(dòng)等問題。電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)概述電機(jī)領(lǐng)域國(guó)際研究趨勢(shì) 新類型電機(jī) 控制，與系統(tǒng)集成 高效、節(jié)能電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)概述 1電機(jī)的發(fā)展初期 電磁感應(yīng)定律的發(fā)現(xiàn)1831年法拉第 直流電機(jī)的發(fā)展 單相交流電的應(yīng)用遠(yuǎn)距離傳輸 三相交流電的應(yīng)用解決電機(jī)啟動(dòng)問題電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)概述 2電機(jī)的近代發(fā)展

3、及趨勢(shì) 單機(jī)容量不斷增加機(jī)組容量大時(shí)，單位容量的用料（?。?、損耗（小）、造價(jià)（低） 如汽輪發(fā)電機(jī)： 中小型電機(jī)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不斷改進(jìn) 新的設(shè)計(jì)方法（CAD）、工藝、材料、測(cè)試手段 應(yīng)用范圍擴(kuò)大19005MVA1956水內(nèi)冷208MVA192025MVA1960320MVA1937空氣冷卻100MVA目前1000MVA 氫氣冷卻150MVA電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)電機(jī)的磁路和磁路定律電在電機(jī)中以路的形式出現(xiàn)磁在電機(jī)中以場(chǎng)的形式出現(xiàn)磁場(chǎng)、磁路 磁場(chǎng)是電流、運(yùn)動(dòng)電荷、磁體或變化電場(chǎng)周圍空間里存在的一種特殊形態(tài)的物質(zhì) 基本特性是對(duì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)帶電粒子施加力，或?qū)?chǎng)中有磁矩的粒子及物體施加轉(zhuǎn)矩 磁場(chǎng)過于復(fù)雜，在

4、工程計(jì)算中經(jīng)常簡(jiǎn)化為磁路磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁通量用磁場(chǎng)中載流導(dǎo)體受到的洛侖茲力洛侖茲力確定其存在和性質(zhì) B Flux density，矢量，表示磁場(chǎng)的大小和方向用假想的曲線來表示磁場(chǎng)的分布，稱為磁力線 用磁力線上每點(diǎn)的切線方向規(guī)定B的方向 用磁力線的疏密程度表示B的大小IBdldF 電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)電機(jī)的磁路和磁路定律(1) 磁感應(yīng)線的回轉(zhuǎn)方向和電流方向之間的關(guān)系遵守右手螺旋法則(2) 磁場(chǎng)中的磁感應(yīng)線不相交，每點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向確定唯一(3) 載流導(dǎo)線周圍的磁力線都是圍繞電流的閉合曲線，沒有起點(diǎn)和終點(diǎn)長(zhǎng)導(dǎo)線環(huán)形導(dǎo)線螺線管電氣工程與自動(dòng)化專業(yè) Flux，標(biāo)量 通過磁場(chǎng)中某一面積的磁力線數(shù)稱為通

5、過該面積的磁通量簡(jiǎn)稱磁通，單位Wb 磁通連續(xù)性定理電機(jī)的磁路和磁路定律sdsB0cosssdsBdcoscosBSssdsBdcos電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)電機(jī)的磁路和磁路定律磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁導(dǎo)率HMagnetic intensity，矢量，A/mMagnetic permeability，H/m，由材料性質(zhì)所決定 B= H在電機(jī)中使用的材料，按照其導(dǎo)磁性能可分為： 非鐵磁物質(zhì)如空氣、銅、鋁和絕緣材料等，近似等于真空磁導(dǎo)率0 鐵磁物質(zhì)如鐵、鎳、鋁及其合金，磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于真空磁導(dǎo)率達(dá)數(shù)千甚至上萬倍。通常以相對(duì)磁導(dǎo)率表示鐵磁物質(zhì)的磁導(dǎo)率比真空磁導(dǎo)率增大的倍數(shù)電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)電機(jī)的磁路和磁路定律鐵磁材料的

6、BH曲線磁化使原來沒有磁性的物體具有磁性的過程電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)電機(jī)的磁路和磁路定律起始段：區(qū)域I，磁導(dǎo)率較小線性區(qū)：區(qū)域II，磁導(dǎo)率近似為常數(shù)飽和區(qū)：區(qū)域III，H增大，B增長(zhǎng)減慢電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)電機(jī)的磁路和磁路定律磁滯Hysteresis剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br矯頑磁力Hc軟磁材料：鑄鋼、鑄鐵、 電工鋼片（硅鋼片）硬磁材料：永磁體電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)鐵芯損耗 （core losses）磁滯損耗 （hysteresis loss） 磁滯回線包含的面積，難以準(zhǔn)確計(jì)算，工程上用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算渦流損耗 （eddy current loss）渦流交變磁場(chǎng)在鐵芯內(nèi)產(chǎn)生自行閉合的感應(yīng)電流渦流損耗是一種

7、焦耳損耗，大小與渦流流過的路徑有關(guān)，即電阻有關(guān)。正弦波電流所產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)中的鐵芯渦流損耗電機(jī)的磁路和磁路定律nhhmpk VfB222)(2)2(12memeefBVkfBVdP電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)電機(jī)的磁路和磁路定律全電流定律 磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量H沿任一閉合路徑的線積分等于穿過該閉合路徑的限定面積中流過電流的代數(shù)和。且積分回路的繞行方向和產(chǎn)生該磁場(chǎng)的電流方向符合右手螺旋定則 磁壓：H沿一條路徑l的線積分磁動(dòng)勢(shì)：磁場(chǎng)回路所匝鏈的電流，F(xiàn)，單位A沿著磁場(chǎng)任一閉合回路，其總磁壓等于總磁動(dòng)勢(shì)nkklIHdl1lHdlUFIUki電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)電機(jī)的磁路和磁路定律 磁路基本定律 磁路歐姆定律假設(shè)：

8、磁通完全在導(dǎo)磁體內(nèi)部通過 鐵芯柱截面上B為均勻分布SlBSlHURccccc11111電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)電機(jī)的磁路和磁路定律 磁路的基爾霍夫第一定律 流入磁路節(jié)點(diǎn)的磁通的代數(shù)和應(yīng)等于零 =0 1+2=3 磁路的基爾霍夫第二定律 沿著任一閉合回路，其總磁壓等于總磁勢(shì)F=Ni=Hl=Rm電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)電機(jī)的磁路和磁路定律U+-RIF+-Rm電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)電機(jī)的磁路和磁路定律磁場(chǎng)儲(chǔ)能 磁場(chǎng)是一種特殊形式的物質(zhì)，磁場(chǎng)中能夠儲(chǔ)存能量，在磁場(chǎng)建立過程中，能量由外部能源轉(zhuǎn)換而來。 體積能量密度電機(jī)通過磁場(chǎng)儲(chǔ)能來實(shí)現(xiàn)機(jī)、電能量轉(zhuǎn)換，磁場(chǎng)能量主要存儲(chǔ)在氣隙中。BmHdBw0電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)電機(jī)

9、的電磁基本理論電感磁鏈linkage，穿過線圈的磁通對(duì)于磁路的磁導(dǎo)率為恒值時(shí)，或氣隙磁路起主導(dǎo)作用時(shí)，磁鏈與流過線圈的電流之間有正比關(guān)系電感與線圈匝數(shù)的平方成正比，和磁場(chǎng)介質(zhì)的磁導(dǎo)亦成正比關(guān)系，而和線圈所加的電壓、電流或頻率無關(guān)。 電機(jī)的電感（電抗）與電機(jī)磁路的飽和有關(guān) 電機(jī)的電感(電抗)與電機(jī)的電、磁結(jié)構(gòu)有關(guān) 對(duì)應(yīng)不同的磁通需引用多種不同的電抗 2NIINNIFNINIL電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)電感Linductance，單位電流所產(chǎn)生的磁鏈，單位H自感 self inductance互感 mutual inductance漏電感 leak inductance當(dāng)線圈流過正弦交流電時(shí)，線圈電感的

10、作用常用相應(yīng)的電抗（ reactance）來表示電抗與電感成正比，與交變頻率成正比。因?yàn)殡姼信c磁場(chǎng)介質(zhì)的磁導(dǎo)成正比，與磁阻成反比，就和磁導(dǎo)率成正比，所以電機(jī)的電抗與電機(jī)磁路的飽和有關(guān)。電機(jī)的電磁基本理論LXLIU電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)電機(jī)的電磁基本理論電磁感應(yīng)定律設(shè)有一線圈位于磁場(chǎng)中 ，當(dāng)該線圈中的磁鏈發(fā)生變化時(shí)，線圈中將有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(簡(jiǎn)稱電勢(shì)， Electromotive Force，EMF)產(chǎn)生。感應(yīng)電勢(shì)的數(shù)值與線圈所匝鏈的磁鏈的變化率成正比 線圈中的感應(yīng)電勢(shì)將傾向于阻止線圈中磁鏈的變化線圈中的感應(yīng)電勢(shì)將傾向于阻止線圈中磁鏈的變化 dtde電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)電機(jī)的電磁基本理論dtdNeBl

11、ve dtdNe變壓器電動(dòng)勢(shì)運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)Blve 電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)電機(jī)的電磁基本理論電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩電磁力electromagnetic force，載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中會(huì)受到力的作用電磁轉(zhuǎn)矩electromagnetic torque，導(dǎo)體上所受的電磁力，乘以從導(dǎo)體至旋轉(zhuǎn)軸之間的距離電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)電機(jī)的電磁基本理論i - Fe - v 電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī) v - e - i電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)電機(jī)的電磁基本理論 電機(jī)的可逆性原理 如在電機(jī)軸上外施機(jī)械功率，通過電機(jī)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中作用產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)可輸出電功率；如在電機(jī)電路中從電源輸入電功率，則載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)作用下可使電機(jī)旋轉(zhuǎn)而輸出機(jī)械功率。 任何電機(jī)既可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，又可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行任何電機(jī)既可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，又可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行 不論用作發(fā)電機(jī)或電動(dòng)機(jī)，感應(yīng)電勢(shì)和電磁力都同時(shí)作用不論用作發(fā)電機(jī)或電動(dòng)機(jī)，感應(yīng)電勢(shì)和電磁力都同時(shí)作用于導(dǎo)體。于導(dǎo)體。