電機(jī)學(xué)課件-清華大學(xué)專業(yè)

電機(jī)學(xué)課件--清華大學(xué)專業(yè)電機(jī)學(xué)是電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)的基礎(chǔ)課程之一。本課件由清華大學(xué)教授精心設(shè)計(jì)，內(nèi)容豐富，講解深入淺出，涵蓋了電機(jī)學(xué)的主要理論知識(shí)和應(yīng)用。課程簡(jiǎn)介電機(jī)學(xué)電機(jī)是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置。電機(jī)是現(xiàn)代工業(yè)的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械、電氣設(shè)備和交通工具中。課程目標(biāo)本課程旨在幫助學(xué)生理解電機(jī)工作原理、掌握電機(jī)設(shè)計(jì)、控制和應(yīng)用的基本知識(shí)，為后續(xù)學(xué)習(xí)專業(yè)課程打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。課程目標(biāo)培養(yǎng)電機(jī)系統(tǒng)專業(yè)知識(shí)掌握電機(jī)學(xué)基本理論、直流電機(jī)、交流電機(jī)、特殊電機(jī)等知識(shí)，并應(yīng)用于實(shí)際問(wèn)題。提升電機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用能力培養(yǎng)電機(jī)分析、計(jì)算、設(shè)計(jì)、選型、控制、維護(hù)等方面的實(shí)踐能力，并能獨(dú)立完成電機(jī)相關(guān)工程項(xiàng)目。鼓勵(lì)電機(jī)領(lǐng)域創(chuàng)新思維培養(yǎng)學(xué)生對(duì)電機(jī)技術(shù)前沿的關(guān)注，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行電機(jī)領(lǐng)域的相關(guān)研究，促進(jìn)電機(jī)技術(shù)發(fā)展。課程大綱1緒論電磁場(chǎng)理論基礎(chǔ)2直流電機(jī)結(jié)構(gòu)、原理、特性、控制3交流電機(jī)異步電機(jī)、同步電機(jī)4特殊電機(jī)伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)5電機(jī)應(yīng)用工業(yè)自動(dòng)化、新能源本課程旨在提供電機(jī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，涵蓋直流電機(jī)、交流電機(jī)、特殊電機(jī)等內(nèi)容。課程內(nèi)容側(cè)重于電機(jī)原理、特性、控制和應(yīng)用。緒論電機(jī)的定義電機(jī)是指將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。電機(jī)的工作原理電機(jī)的工作原理基于電磁感應(yīng)定律，利用磁場(chǎng)和電流的相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。電機(jī)的歷史電機(jī)的發(fā)展歷程悠久，從最初的直流電機(jī)到現(xiàn)代的各種電機(jī)類型。電機(jī)的未來(lái)電機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，朝著更高效、更節(jié)能、更智能的方向邁進(jìn)。磁路基本理論磁場(chǎng)磁場(chǎng)由磁性材料或電流產(chǎn)生。磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向可以用磁力線表示。磁通量磁通量是通過(guò)某一截面的磁力線數(shù)量。磁通量用韋伯（Wb）表示。磁阻磁阻是磁場(chǎng)中磁力線通過(guò)的阻礙。磁阻用亨利（H）表示。磁路定律磁路定律類似于電路中的歐姆定律，即磁動(dòng)勢(shì)等于磁通量乘以磁阻。直流電機(jī)原理1電磁感應(yīng)原理電磁感應(yīng)原理是直流電機(jī)工作基礎(chǔ)。2磁場(chǎng)與電流電流通過(guò)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)受到力的作用，反之磁場(chǎng)也會(huì)對(duì)電流產(chǎn)生力。3電機(jī)結(jié)構(gòu)直流電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子和電刷組成，定子產(chǎn)生磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子切割磁力線產(chǎn)生電流，電刷負(fù)責(zé)引出電流。4能量轉(zhuǎn)換直流電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，或反之，實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)換。直流電機(jī)特性直流電機(jī)的性能可以通過(guò)其特性曲線來(lái)描述。主要特性曲線包括空載特性、負(fù)載特性、效率特性和調(diào)速特性等。100%效率直流電機(jī)效率是指輸出機(jī)械功率與輸入電功率之比，一般在80%到90%之間。100轉(zhuǎn)速直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電樞電壓、電樞電流和電樞回路電阻有關(guān)。100扭矩直流電機(jī)的扭矩與電樞電流和電磁磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。100功率直流電機(jī)的輸出功率與扭矩和轉(zhuǎn)速有關(guān)。直流電機(jī)控制1電樞電壓控制調(diào)節(jié)電樞電壓，改變電樞電流，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。2勵(lì)磁電流控制改變勵(lì)磁電流，調(diào)整磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而影響電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩特性。3脈沖寬度調(diào)制(PWM)利用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)控制直流電機(jī)的電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的精確控制。異步電機(jī)原理電磁感應(yīng)原理異步電機(jī)依靠電磁感應(yīng)現(xiàn)象工作。定子繞組通電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，感應(yīng)出電流，從而產(chǎn)生電磁力矩，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速永遠(yuǎn)低于同步轉(zhuǎn)速，兩者之差稱為轉(zhuǎn)差率。轉(zhuǎn)差率越大，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大，電流也越大，電磁力矩也越大。工作特性異步電機(jī)工作在異步狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速永遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到同步轉(zhuǎn)速，這也是“異步”的由來(lái)。應(yīng)用場(chǎng)景異步電機(jī)廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備、家用電器、交通工具等領(lǐng)域，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。異步電機(jī)特性特性描述轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性負(fù)載增加，轉(zhuǎn)速下降，轉(zhuǎn)矩增加。效率特性電機(jī)效率隨負(fù)載變化而改變，在最佳負(fù)載點(diǎn)附近達(dá)到最高。功率因數(shù)特性空載時(shí)功率因數(shù)較低，負(fù)載增加時(shí)功率因數(shù)提高。啟動(dòng)特性異步電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子電阻有關(guān)，電阻越大，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大。調(diào)速特性可以通過(guò)改變電源頻率或轉(zhuǎn)子電阻來(lái)調(diào)節(jié)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速。異步電機(jī)啟動(dòng)1直接啟動(dòng)直接連接電源，簡(jiǎn)單高效。2降壓?jiǎn)?dòng)降低啟動(dòng)電壓，減少啟動(dòng)電流。3星-三角啟動(dòng)先以星形接法啟動(dòng)，再轉(zhuǎn)換為三角形接法。4軟啟動(dòng)通過(guò)控制啟動(dòng)電壓或電流實(shí)現(xiàn)平滑啟動(dòng)。異步電機(jī)啟動(dòng)方式多種多樣，選擇合適的啟動(dòng)方式取決于電機(jī)負(fù)載、啟動(dòng)電流限制、啟動(dòng)時(shí)間等因素。異步電機(jī)調(diào)速轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)控制通過(guò)改變轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)強(qiáng)度或方向來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，例如改變勵(lì)磁電流或轉(zhuǎn)子磁極數(shù)。轉(zhuǎn)差率控制改變轉(zhuǎn)差率，進(jìn)而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。常見(jiàn)方法包括改變定子電壓或頻率。改變定子電壓改變定子電壓可改變電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而影響轉(zhuǎn)速。改變定子頻率改變定子頻率可以改變同步速度，進(jìn)而影響轉(zhuǎn)速。同步電機(jī)原理同步電機(jī)概述同步電機(jī)是一種旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)電機(jī)，其轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)與定子磁場(chǎng)。同步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高，功率因數(shù)可調(diào)，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)。同步電機(jī)工作原理定子繞組通入交流電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組通入直流電，產(chǎn)生固定磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與定子磁場(chǎng)相互作用，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。同步電機(jī)特性同步電機(jī)的特性取決于其結(jié)構(gòu)和運(yùn)行條件，包括轉(zhuǎn)速、負(fù)載、勵(lì)磁電流等因素。同步電機(jī)具有穩(wěn)定運(yùn)行、效率高、功率因數(shù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。效率(%)功率因數(shù)(PF)同步電機(jī)的效率和功率因數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化而變化，在最佳轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可以達(dá)到最佳性能。同步電機(jī)勵(lì)磁勵(lì)磁方式直流勵(lì)磁交流勵(lì)磁永磁勵(lì)磁勵(lì)磁電路勵(lì)磁繞組通常連接在勵(lì)磁電源上，以產(chǎn)生磁場(chǎng)。勵(lì)磁電流勵(lì)磁電流的大小決定了磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而影響同步電機(jī)性能。勵(lì)磁控制勵(lì)磁控制系統(tǒng)用于調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速、功率因數(shù)調(diào)節(jié)等目的。同步電機(jī)調(diào)速1改變轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)頻率通過(guò)改變勵(lì)磁電流的頻率，可以改變轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的頻率，從而實(shí)現(xiàn)同步電機(jī)的調(diào)速。2改變定子電壓通過(guò)改變定子電壓，可以改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，但這種方法會(huì)影響電機(jī)的效率和功率。3改變定子電流通過(guò)改變定子電流，可以實(shí)現(xiàn)同步電機(jī)的調(diào)速，但這種方法可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)過(guò)熱。特殊電機(jī)步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)是一種數(shù)字控制電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位和控制，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)。伺服電機(jī)伺服電機(jī)可實(shí)現(xiàn)高速、高精度、高響應(yīng)速度的運(yùn)動(dòng)控制，應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人和精密機(jī)床等領(lǐng)域。無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)刷直流電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車和家電等。永磁同步電機(jī)永磁同步電機(jī)具有高效率、高功率密度、高轉(zhuǎn)速等特點(diǎn)，應(yīng)用于新能源汽車和航空航天等。電機(jī)并網(wǎng)并網(wǎng)模式電機(jī)并網(wǎng)主要有兩種模式：并聯(lián)并網(wǎng)和串聯(lián)并網(wǎng)。并聯(lián)并網(wǎng)通常用于大型發(fā)電廠，串聯(lián)并網(wǎng)則適用于小型分布式發(fā)電系統(tǒng)。并網(wǎng)應(yīng)用電機(jī)并網(wǎng)廣泛應(yīng)用于新能源發(fā)電，如風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電等，將清潔能源接入電網(wǎng)，提高能源利用效率?？刂萍夹g(shù)電機(jī)并網(wǎng)需要電力電子技術(shù)，例如逆變器和控制算法，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)縫連接和穩(wěn)定運(yùn)行。電機(jī)負(fù)載特性功率(瓦特)轉(zhuǎn)速(RPM)電機(jī)負(fù)載特性是指電機(jī)在不同負(fù)載情況下輸出功率和轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系。隨著負(fù)載的增加，電機(jī)的輸出功率會(huì)增加，但轉(zhuǎn)速會(huì)下降。電機(jī)損耗與效率類型描述示例銅損繞組電流產(chǎn)生的熱量損失電阻加熱鐵損磁芯中的磁滯和渦流造成的能量損失磁芯發(fā)熱機(jī)械損耗摩擦和風(fēng)阻造成的能量損失軸承摩擦附加損耗其他損耗，例如刷子損耗、通風(fēng)損耗刷子磨損電機(jī)效率是指電機(jī)輸出功率與輸入功率之比。效率越高，電機(jī)能量利用率越高，運(yùn)行成本越低。電機(jī)熱特性溫度升高電機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于電流的熱效應(yīng)，電機(jī)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致溫度升高。散熱電機(jī)內(nèi)部的熱量需要通過(guò)散熱裝置傳遞到外部環(huán)境，以保持電機(jī)正常運(yùn)行。溫升限制電機(jī)溫升不能超過(guò)允許的限值，否則會(huì)影響電機(jī)性能，甚至造成損壞。熱穩(wěn)定性電機(jī)在不同的運(yùn)行狀態(tài)下，溫度變化應(yīng)該處于穩(wěn)定范圍內(nèi)。電機(jī)繞組設(shè)計(jì)繞組類型電機(jī)繞組類型根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景、電機(jī)類型和性能要求而選擇，常見(jiàn)類型包括單層繞組、雙層繞組、波繞組和籠型繞組等。繞組類型決定著電機(jī)的磁場(chǎng)分布、電流路徑和電磁性能，對(duì)電機(jī)的運(yùn)行特性和效率影響很大。繞組尺寸繞組尺寸根據(jù)電機(jī)功率、電壓和電流等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，合理選擇繞組尺寸可以提高電機(jī)的功率密度和效率。繞組尺寸包括導(dǎo)線截面積、匝數(shù)和繞組形狀等，需要綜合考慮電機(jī)磁場(chǎng)、散熱和機(jī)械強(qiáng)度等因素。電機(jī)冷卻系統(tǒng)散熱方式風(fēng)冷水冷油冷蒸汽冷冷卻系統(tǒng)散熱風(fēng)機(jī)、冷卻水泵、冷卻油泵、散熱器等溫度控制溫度傳感器、控制電路，保證電機(jī)工作溫度在安全范圍內(nèi)冷卻效果冷卻效果直接影響電機(jī)壽命，保證電機(jī)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行電機(jī)試驗(yàn)與測(cè)試1性能測(cè)試電機(jī)效率，功率，轉(zhuǎn)速等2絕緣測(cè)試測(cè)試電機(jī)絕緣性能，確保安全運(yùn)行3負(fù)載測(cè)試模擬實(shí)際工作狀態(tài)，評(píng)估電機(jī)負(fù)載能力4振動(dòng)噪聲測(cè)試測(cè)量電機(jī)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)和噪聲水平電機(jī)試驗(yàn)與測(cè)試是保證電機(jī)質(zhì)量和安全運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過(guò)各種測(cè)試手段，可以評(píng)估電機(jī)性能指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題，確保電機(jī)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。電機(jī)故障診斷故障現(xiàn)象電機(jī)故障通常表現(xiàn)為運(yùn)行異常，例如異常噪聲、振動(dòng)、過(guò)熱、功率下降等。診斷方法診斷方法包括目視檢查、儀器測(cè)量、測(cè)試分析等?？墒褂萌f(wàn)用表、示波器等工具。常見(jiàn)故障常見(jiàn)故障包括繞組故障、軸承故障、絕緣故障、勵(lì)磁故障、冷卻系統(tǒng)故障等。維修與保養(yǎng)電機(jī)故障診斷后需要進(jìn)行相應(yīng)的維修或保養(yǎng)，以確保電機(jī)正常運(yùn)行。電機(jī)選型方法電機(jī)選型是電機(jī)應(yīng)用的關(guān)鍵步驟之一，需要綜合考慮各種因素，以選擇最合適的電機(jī)，滿足實(shí)際應(yīng)用需求。1確定應(yīng)用場(chǎng)景明確電機(jī)工作環(huán)境、負(fù)載類型、運(yùn)行模式等信息。2確定電機(jī)參數(shù)包括功率、電壓、電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)。3選擇電機(jī)類型根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景和參數(shù)需求選擇直流電機(jī)、異步電機(jī)或同步電機(jī)等。4評(píng)估電機(jī)性能綜合考慮效率、壽命、噪音、價(jià)格等因素進(jìn)行評(píng)估。5最終選擇電機(jī)根據(jù)評(píng)估結(jié)果，選擇最符合要求的電機(jī)。電機(jī)的應(yīng)用1工業(yè)領(lǐng)域電機(jī)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，如制造、采礦、能源等領(lǐng)域，驅(qū)動(dòng)各種機(jī)器設(shè)備。2交通領(lǐng)域電動(dòng)汽車、高鐵等交通工具的核心部件，驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)行，提高效率和環(huán)保性能。3家用電器洗衣機(jī)、冰箱、空調(diào)等家用電器中，電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)部件，提供動(dòng)力和便利性。4其他領(lǐng)域機(jī)器人、醫(yī)療設(shè)備、航空航天等領(lǐng)域，電機(jī)也發(fā)揮著重要作用，推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步。電機(jī)發(fā)展趨勢(shì)高效率電機(jī)提高電機(jī)效率，降低能耗，減少對(duì)環(huán)境的影響。例如，永磁同步電機(jī)效率更高，應(yīng)用日益廣