北方交通大學(xué) 電機(jī)學(xué)1緒論

1、電機(jī)學(xué)(Electrical Machinery) 課程(kchng)簡介電機(jī)學(xué)課程的內(nèi)容電機(jī)學(xué)課程的特點(diǎn)電機(jī)學(xué)課程的學(xué)習(xí)(xux)方法電機(jī)學(xué)課程的考核方法參考書任課教師共四十五頁電機(jī)學(xué)(Electrical Machinery)變壓器 (Transformers) 交流(jioli)繞組（AC Winding）直流電機(jī)（DC Electric Machines）電機(jī)學(xué)I和電機(jī)學(xué)II感應(yīng)(gnyng)電機(jī)（Induction Machines）同步電機(jī)（Synchronous Machines）共四十五頁電機(jī)學(xué) (Electrical Machinery)課程(kchng)的特點(diǎn)共四十五頁一、

2、研究的對象是實(shí)物，是一個(gè)(y )電的、磁的、機(jī)械的綜合體。則要求： 1.要清楚機(jī)械實(shí)物的具體結(jié)構(gòu)(Construction)；2.要弄清電機(jī)內(nèi)主要電物理量和磁物理量的特性及相互關(guān)系，并能用方程式(Equation)、等效電路(Equivalent Circuit)和相量圖(Phasor Diagram)這三種主要方式(fngsh)表示之；3.要能運(yùn)用這些特性和關(guān)系結(jié)合具體條件對電機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行初步的分析（Analysis)。 這就是本課程的主要任務(wù)或總的要求共四十五頁二、課程(kchng)前后的連貫性強(qiáng) 各種電機(jī)都存在共性例如，各種電機(jī)的原理都是以電磁感應(yīng)定律和載流導(dǎo)體(dot)在磁場中受力作為

3、基礎(chǔ)。則要求：學(xué)生不但要掌握前面所學(xué)的基本理論，而且在學(xué)后續(xù)內(nèi)容時(shí)要善于比較找出不同電機(jī)的共同處和不同點(diǎn)，以便更好地掌握各類電機(jī)的特點(diǎn)。 共四十五頁 三、課程以定性分析為主 概念(ginin)多，理論性強(qiáng)。要求：改變以往以套公式算題就算完成學(xué)習(xí)任務(wù)的學(xué)習(xí)方法，而把學(xué)習(xí)重點(diǎn)放在課后及時(shí)復(fù)習(xí)、鉆研教材在掌握電機(jī)中主要物理量的概念、特性及相互關(guān)系后，結(jié)合具體的條件，對電機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行分析，即認(rèn)真思考老師所布置的習(xí)題和思考題，培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力，并且(bngqi)勤于總結(jié)。 共四十五頁四、時(shí)空觀強(qiáng) 電機(jī)內(nèi)發(fā)生的電磁過程是很復(fù)雜的，交流電流是一個(gè)時(shí)間的函數(shù)，磁場分布是一個(gè)空間的函數(shù)，交流電流產(chǎn)生

4、的磁場既是時(shí)間函數(shù)，又是空間函數(shù)。要求： 具有豐富(fngf)的想象力和綜合思考的能力。 共四十五頁電機(jī)學(xué) (Electrical Machinery)課程(kchng)的特點(diǎn)研究的對象是實(shí)物，是一個(gè)電的、磁的、機(jī)械的綜合體，與工程實(shí)踐聯(lián)系非常(fichng)緊密。 課程前后的連貫性強(qiáng)課程以定性分析為主，概念多，理論性強(qiáng)。時(shí)空觀強(qiáng) 共四十五頁電機(jī)學(xué) (Electrical Machinery)課程(kchng)的學(xué)習(xí)方法掌握(zhngw)電機(jī)的分析方法理解、掌握各種電機(jī)的基本概念、基本原理、重點(diǎn)和難點(diǎn)（聽課、自學(xué)、 作業(yè)和實(shí)驗(yàn)）總結(jié)出各種電機(jī)間的共性和個(gè)性共四十五頁基本(jbn)工作原理(Fu

5、ndamental Principles)結(jié)構(gòu)(Construction) -（電路、磁路(c l)的特點(diǎn)） (The Feature of Electric and Magnetic circuit)電磁物理過程分析（導(dǎo)體與磁場相互作用產(chǎn)生 電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電勢）基本方程式和等效電路內(nèi)部功率流程及損耗運(yùn)行分析共四十五頁電機(jī)學(xué) (Electrical Machinery)考核(koh)方法1、平時(shí)作業(yè)(zuy)及考勤 102、實(shí)驗(yàn)及操作 20（操作10）3、變壓器 204、交流繞組 105、 感應(yīng)電動機(jī) 206、同步電機(jī) 20%共四十五頁實(shí)驗(yàn)(shyn)說明 變壓器綜合(zngh)實(shí)驗(yàn) （單相變

6、壓器參數(shù)測定 三相變壓器極性與組別） 感應(yīng)電動機(jī)綜合實(shí)驗(yàn) 同步發(fā)電機(jī)的綜合實(shí)驗(yàn) 直流電機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)。先寫預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，合格后，再做實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)必須完成和參加，否則不能參加考試。共四十五頁教材(jioci)及參考書1湯蘊(yùn)璆等合編電機(jī)學(xué)普通(ptng)高等教育“九五”國家重點(diǎn)教材 機(jī)械工業(yè)出版社 20002 顧繩谷主編，電機(jī)及拖動基礎(chǔ)（上、下冊），機(jī)械工業(yè)出版社，1998，第2版3許實(shí)章主編，電機(jī)學(xué)（上、下冊），機(jī)械工業(yè)出版社，1994，修訂版4 張松林主編，電機(jī)及拖動基礎(chǔ)習(xí)題集與實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，機(jī)械工業(yè)出版社， 1997 5 Stephen J.Capman McGraw-Hill Book Compa

7、ny共四十五頁任課教師武惠芳 郭芳劉慧娟 張威 電氣工程學(xué)院電機(jī)與電器(dinq)研究所 （電氣樓203） (電話：84831）共四十五頁電機(jī)學(xué)(Electrical Machinery) 課程簡介 電機(jī)學(xué)課程的內(nèi)容(nirng) 電機(jī)學(xué)課程的特點(diǎn) 電機(jī)學(xué)課程的學(xué)習(xí)方法 電機(jī)學(xué)課程的考核方法 參考書 任課教師共四十五頁緒論(xln) 一、電機(jī)的分類及發(fā)展概況(gikung)： 二、電機(jī)的應(yīng)用： 三、電力拖動系統(tǒng)的發(fā)展概況： 四、本課程的性質(zhì)和任務(wù)： 五、磁路的基本知識共四十五頁電機(jī)(dinj)的分類及發(fā)展概況：電機(jī)(Electrical Machinery)是以適當(dāng)?shù)挠行Р牧希▽?dǎo)電和導(dǎo)磁）構(gòu)成

8、的能互相進(jìn)行電磁感應(yīng)的磁路和電路(Electric and Magnetic circuit)，以產(chǎn)生(chnshng)電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率(Electrical and magnetic Torque and Power) ，達(dá)到轉(zhuǎn)換能量(Energy )形式的目的。電機(jī)是一種機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的裝置變壓器是一種電能傳遞裝置共四十五頁一般分類： 靜止(jngzh)電機(jī) 變壓器 電機(jī) 直流電機(jī) 旋轉(zhuǎn)電機(jī) 同步電機(jī) 交流電機(jī) 異步電機(jī) （感應(yīng)電機(jī)） 電機(jī)是一種機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的裝置 變壓器是一種電能傳遞裝置共四十五頁按功能(gngnng)分將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能發(fā)電機(jī)(Generators)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能電

9、動機(jī)(Motors)不以功率傳遞為主要職能，而在電氣機(jī)械系統(tǒng)中起調(diào)節(jié)、放大和控制作用 微型控制電機(jī)將一種形式的電能轉(zhuǎn)化為另一種形式的電能 變壓器、變流機(jī)、變頻機(jī)、移相器其共同的特點(diǎn)是： 根據(jù)(gnj)電磁感應(yīng)定律和電磁力定律進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。 共四十五頁電機(jī)(dinj)的發(fā)展電動機(jī)代替(dit)蒸汽機(jī)電機(jī)初步定型電機(jī)理論形成電機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算發(fā)展性能好、運(yùn)行可靠、體積小單機(jī)容量的重量輕高可靠性、高精度、快速相應(yīng)的控制電機(jī)功率電子學(xué)等學(xué)科的滲透使電機(jī)學(xué)得到了新的發(fā)展共四十五頁電機(jī)的發(fā)展簡史和發(fā)展趨勢電機(jī)的發(fā)展簡史可分為兩個(gè)(lin )時(shí)期 初級發(fā)展時(shí)期從發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象開始到十九世紀(jì)末和本世紀(jì)初各種電機(jī)的

10、基本型式已經(jīng)具備為止(wizh)?？煞譃樗膫€(gè)階段：1、電磁感應(yīng)定律的發(fā)現(xiàn)： 十八世紀(jì)中葉開始了第一次世界工業(yè)革命。主要是以機(jī)器大生產(chǎn)代替工場手工業(yè)。主要標(biāo)志是蒸汽機(jī)的廣泛使用。但由于蒸汽動力在輸送和管理上的不便，不能滿足生產(chǎn)力發(fā)展的需要，迫使人們尋找新的能源和動力。在此時(shí)代背景下，電磁學(xué)得到了興起和發(fā)展。 1821年，法拉第表演了電流位于磁場中產(chǎn)生機(jī)械力的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了電動機(jī)的作用原理，不久制造了原始型式的電動機(jī)。 1824年，阿果拉發(fā)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)磁場，1831年，法拉第提出了電磁感應(yīng)定律，1832年，出現(xiàn)了原始型式的發(fā)電機(jī)。共四十五頁2、直流電機(jī)的發(fā)展(fzhn)： 電能的最早應(yīng)用是供給照明和電化

11、學(xué)工業(yè)的需要，所以最初發(fā)展的電機(jī)是直流電機(jī)。 1845年，用電磁鐵代替了永久磁鐵。 1867年，制成了自勵發(fā)電機(jī)。 1882年，建成了第一條直流輸電線路。 遠(yuǎn)距離輸電需提高單機(jī)容量及運(yùn)行電壓，使其發(fā)展受到了限制。3、單相交流電的應(yīng)用： 1876年交流電應(yīng)用于照明裝置，不久有了原始型式的同步發(fā)電機(jī)和變壓器。共四十五頁4、三相交流電的應(yīng)用： 在單相交流電源供電的情況下，單相交流電動機(jī)無法(wf)自行起動。 不久，兩相電流能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的原理被發(fā)現(xiàn)，1885年制成了兩相交流異步電機(jī)的模型。 1889年，多里沃多勃羅沃爾斯基提出了三相制的建議并設(shè)計(jì)和制造了第一臺三相變壓器和三相異步電動機(jī)。至1897年

12、，建成了第一個(gè)三相交流輸電系統(tǒng)。 交流三相制發(fā)電廠的迅速發(fā)展，使高速運(yùn)轉(zhuǎn)的汽輪發(fā)電機(jī)代替了蒸汽機(jī)為原動機(jī)的發(fā)電機(jī)，把社會生產(chǎn)力推進(jìn)到電力時(shí)代，第二次技術(shù)革命。共四十五頁近代發(fā)展及今后發(fā)展的主要(zhyo)趨勢 從本世紀(jì)初直到現(xiàn)在及將來。1、單機(jī)容量不斷提高； 單機(jī)容量大，單位容量的用料省、損耗小、 造加低；同時(shí)電站機(jī)組少，工作人員少， 廠房面積小，可節(jié)約基建投資及維護(hù)費(fèi)用。2、重量的不斷減輕和外形尺寸的不斷縮小(suxio)；3、應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大； 特定用途電機(jī)：潛水電機(jī)、防爆電機(jī)、 船舶電機(jī)、紡織電機(jī)、礦用電機(jī)等。共四十五頁電機(jī)初步定型。 建立了電機(jī)理論， 電機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算等得到發(fā)展。要求性能良

13、好、運(yùn)行可靠、單機(jī)容量 重量 輕、體積小等。 而且發(fā)展出高可靠性、高精度、 快速相應(yīng)(xingyng)的控制電機(jī)， 控制電機(jī)已成為電機(jī)學(xué)科的一個(gè)獨(dú)立分支。功率電子學(xué)等學(xué)科的滲透， 使電機(jī)學(xué)得到了新的發(fā)展。 如開關(guān)磁阻電機(jī)等。共四十五頁我國電機(jī)制造業(yè)發(fā)展簡況： 解放前：200kW發(fā)電機(jī)、2000kVA變壓器。 解放后：發(fā)展迅速，1955年：10000kW的水輪發(fā)電機(jī)；1956年：12000kW的汽輪發(fā)電機(jī)；19581960年：72500kW的水輪發(fā)電機(jī)，100MW的雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)；1959年：220kV、120000kVA的三相變壓器，6300kW的異步電動機(jī)和4500kW的直流電動機(jī)；19

14、72年：300MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)，360000KVA變壓器。目前已能制造600MW。值得一提的是1958年我國制成了世界上第一臺用于生產(chǎn)的雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)（12000kW）為電機(jī)制造工業(yè)繼續(xù)(jx)發(fā)展開辟了一條新的道路。共四十五頁我國從仿制進(jìn)入 自行試驗(yàn)研究和自行設(shè)計(jì)， 建立了自己的電機(jī)(dinj)工業(yè)體系， 統(tǒng)一的國家標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一的電機(jī) 和變壓器系列， 能制造成套的大、 中型火力和水力發(fā)電設(shè)備。共四十五頁電機(jī)(dinj)的應(yīng)用共四十五頁專業(yè)基礎(chǔ)課一座橋梁(qioling)：工科大學(xué)公共基礎(chǔ)課和專業(yè)技術(shù)課之間。作業(yè)、實(shí)驗(yàn)： 一定(ydng)數(shù)量的作業(yè)和4個(gè)設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)：變壓器綜合實(shí)驗(yàn) 三相

15、異步電動機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)同步發(fā)電機(jī)的綜合實(shí)驗(yàn) 直流電機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)任務(wù)：掌握變壓器和交、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理 和運(yùn)行性能，并對電機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行初步的分析提供基礎(chǔ)知識：自動控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、控制電機(jī)、變頻調(diào)速及電力系統(tǒng)相關(guān)課程。課程性質(zhì)、任務(wù)：共四十五頁磁路(c l)基本知識一、常用物理量二、鐵磁材料(cilio)的性質(zhì)三、常用基本電磁定律四、電磁感應(yīng)定律共四十五頁一、常用(chn yn)物理量：1、磁感應(yīng)強(qiáng)度 (magnetic flux density) （向量） 單位：特斯拉，T，或高斯。 描述磁場強(qiáng)弱和磁場方向(fngxing)的物理量。 磁力線是閉合曲線，其方向與產(chǎn)生磁場的 電流的

16、方向滿足右手螺旋關(guān)系。共四十五頁2、磁通(magnetic flux)： 單位：韋伯，W 表征磁介質(zhì)或真空中磁場分布的物理量。 穿過某一截面的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的通量。 電機(jī)的每極磁通，即穿過每個(gè)磁極橫截面的全部磁通，是設(shè)計(jì)、計(jì)算電機(jī)的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。特別(tbi)：在均勻磁場中，若 與 垂直，則 BS。共四十五頁3、磁場強(qiáng)度(magnetic field intensity) （向量） 單位：安匝/米，At/ 是描述磁場強(qiáng)弱和方向的輔助物理量。 在電機(jī)和變壓器中常常使用該物理量。 它與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系： ， 為磁導(dǎo)率(permeability)，單位為H/， 4107亨/米 （真空） 非磁性物質(zhì)的為

17、常數(shù)(chngsh)；鐵磁材料的 比真空的 大數(shù)十至數(shù)千倍。 如鑄鋼的 約為 的1000倍； 各種硅鋼片的 約為 的60007000倍。 共四十五頁4、磁勢(magnetomotive force MMF)F： （磁壓降，磁動勢） 單位：安匝 , At 。 FNI 線圈匝數(shù)與勵磁(l c)電流之積。5、磁阻(reluctance of the magnetic circuit)： 單位為：1/亨 或 At/Wb L 為磁路(c l)長度，為磁路(c l)橫截面積。共四十五頁6、磁導(dǎo) 1/ 單位(dnwi)為：亨。 7、磁鏈 (flux linkage)： N ，線圈所交鏈的磁通。共四十五頁二、

18、鐵磁材材料的性質(zhì)(xngzh) (磁化、磁滯和損耗）1、起始磁化曲線： 非鐵磁材料的 B與H成正比， 是線性關(guān)系。 在鐵磁材料中 B與H的關(guān)系 為非線性的共四十五頁2、磁滯回線 B為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度(qingd)。Hc 稱為矯頑力3、基本磁化(chu)曲線 共四十五頁4、鐵心損耗：指磁滯損耗和渦流損耗。（1）磁滯損耗 分析表明，磁滯損耗與磁場(cchng)的交變頻率、鐵心的體積V和磁滯回線所包圍的面積成正比。實(shí)驗(yàn)證明，磁滯回線所包圍的面積與Bm的n次方成正比，故 （2）渦流損耗 當(dāng)通過鐵心的磁通隨時(shí)間變化時(shí)，鐵心中將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，并引起環(huán)流。這些環(huán)流在鐵心內(nèi)部圍繞磁通做旋渦狀流動，故稱為渦流，

19、渦流在鐵心中引起的損耗為渦流損耗 共四十五頁 分析表明，頻率越高，磁通密度越大，感應(yīng)電動勢就越大，渦流損耗也就越大；而鐵心的電阻越大，渦流所流過的路徑越長(yu chn)，渦流損耗就越小。對于由硅鋼片疊成的鐵心，經(jīng)推導(dǎo)可知，渦流損耗為共四十五頁三、常用基本(jbn)電磁定律：1、全電流定律(Amperes law)：空間根載流導(dǎo)體，電流分別為I1，I2，I3；沿任一閉合路徑， 的線積分等于閉合路徑所包圍的導(dǎo)體電流代數(shù)和。 應(yīng)用到磁路中，作用在磁路上的總磁勢等于各段磁路的磁壓降之和。即：共四十五頁2、電磁感應(yīng)定律(electromagnetic induction)： (Faradays law)匝數(shù)為N的線圈在磁場中，若與線圈交鏈的磁通發(fā)生變化時(shí)，線圈感應(yīng)出電勢(emf)，稱為電磁感應(yīng)。的正方向與的正方向符合(fh)右手螺旋法則 (Lenzs law)。含義：電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電勢與線圈匝數(shù)和 磁通的變化率成正比。負(fù)號：感應(yīng)電勢作用下線圈內(nèi)流過電流， 該電流產(chǎn)生的逆著原變化。共四十五頁、變壓器電勢(emf)： 線圈與磁場相對靜止，只有 變化。、運(yùn)動電勢(motional