电机学ElectricalMachinery课程简介.ppt
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《电机学(Electrical Machinery) 》课程简介n电机学课程的内容内容n电机学课程的特点特点n电机学课程的学习方法学习方法n电机学课程的考核方法考核方法n参考书n任课教师 电机学电机学(Electrical Machinery)变压器 (Transformers) 交流绕组（（AC Winding））直流电机（（DC Electric Machines））电机学电机学I和电机学和电机学II感应电机（（Induction Machines））同步电机（（Synchronous Machines）） 《电机学》 (Electrical Machinery)课程的特点特点 一、研究的对象是实物，是一个电的、一、研究的对象是实物，是一个电的、磁的、机械的综合体磁的、机械的综合体则要求： 1.要清楚机械实物的具体结构要清楚机械实物的具体结构(Construction)；；2.要弄清电机内主要电物理量和磁物理量的特性要弄清电机内主要电物理量和磁物理量的特性及相互关系，并能用方程式及相互关系，并能用方程式(Equation)、、等等效电路效电路(Equivalent Circuit)和相量图和相量图(Phasor Diagram)这三种主要方式表示之；这三种主要方式表示之；3.要能运用这些特性和关系结合具体条件对电机要能运用这些特性和关系结合具体条件对电机的运行进行初步的分析（的运行进行初步的分析（Analysis)。
──这就是本课程的主要任务或总的要求这就是本课程的主要任务或总的要求 二、课程前后的连贯性强二、课程前后的连贯性强 各种电机都存在共性各种电机都存在共性例例如如，，各各种种电电机机的的原原理理都都是是以以电电磁磁感感应应定定律和载流导体在磁场中受力作为基础律和载流导体在磁场中受力作为基础则要求：则要求：学学生生不不但但要要掌掌握握前前面面所所学学的的基基本本理理论论，，而而且且在在学学后后续续内内容容时时要要善善于于比比较较找找出出不不同同电电机机的的共共同同处处和和不不同同点点，，以以便便更更好好地地掌掌握握各各类电机的特点类电机的特点 三、课程以定性分析为主三、课程以定性分析为主 概念多，理论性强概念多，理论性强要求：要求：改变以往以套公式算题就算完成学习任务改变以往以套公式算题就算完成学习任务的学习方法，而把学习重点放在课后的学习方法，而把学习重点放在课后及时复习、钻研教材及时复习、钻研教材在掌握电机中主要物理量的概念、特性及在掌握电机中主要物理量的概念、特性及相互关系后，结合具体的条件，对电机的相互关系后，结合具体的条件，对电机的运行进行分析，即认真思考老师所布置的运行进行分析，即认真思考老师所布置的习题和思考题，培养分析问题和解决问题习题和思考题，培养分析问题和解决问题的能力，并且勤于的能力，并且勤于总结总结。
四、时空观强四、时空观强 n电机内发生的电磁过程是很复杂的，n交流电流是一个时间的函数，n磁场分布是一个空间的函数，n n交流电流产生的磁场既是时间函数，又交流电流产生的磁场既是时间函数，又是空间函数是空间函数n要求： 具有丰富的想象力和综合思考的能力 《电机学》 (Electrical Machinery)课程的特点特点§研究的对象是实物，是一个电的、磁的、机械的研究的对象是实物，是一个电的、磁的、机械的综合体，与工程实践联系非常紧密综合体，与工程实践联系非常紧密 §课程前后的连贯性强课程前后的连贯性强§课程以定性分析为主，概念多，理论性强课程以定性分析为主，概念多，理论性强§时空观强时空观强 《《电机学电机学》》 (Electrical Machinery)课程的课程的学习方法学习方法掌握电机的分析方法理解、掌握各种电机的基本概念、基本原理、重点和难点（听课、自学、 作业和实验）总结出各种电机间的共性和个性 基本工作原理(Fundamental Principles)结构(Construction) ----（电路、磁路的特点） (The Feature of Electric and Magnetic circuit)电磁物理过程分析电磁物理过程分析电磁物理过程分析电磁物理过程分析（导体与磁场相互作用产生 电磁转矩和感应电势）基本方程式和等效电路基本方程式和等效电路基本方程式和等效电路基本方程式和等效电路内部功率流程及损耗运行分析运行分析运行分析运行分析 《电机学》 (Electrical Machinery)考核方法考核方法n1、平时作业及考勤 10％n2、实验及操作 20％（操作10％）n3、变压器 20％n4、交流绕组 10％n5、 感应电动机 20％n6、同步电机 20% 实验说明 变压器综合实验 （单相变压器参数测定 三相变压器极性与组别） 感应电动机综合实验 同步发电机的综合实验 直流电机综合实验。
先写预习实验报告，合格后，再做实验先写预习实验报告，合格后，再做实验实验必须完成和参加，否则不能参加考试实验必须完成和参加，否则不能参加考试 教材及参考书n1．汤蕴璆等合编《电机学》普通高等教育．汤蕴璆等合编《电机学》普通高等教育“九五九五”国家重国家重点教材点教材 机械工业出版社机械工业出版社 2000n2 ．顾绳谷主编，《电机及拖动基础》（上、下册），机械．顾绳谷主编，《电机及拖动基础》（上、下册），机械工业出版社，工业出版社，1998，第，第2版版n3．．许许实实章章主主编编，，《《电电机机学学》》（（上上、、下下册册）），，机机械械工工业业出出版版社，社，1994，修订版，修订版n4．． 张张松松林林主主编编，，《《电电机机及及拖拖动动基基础础习习题题集集与与实实验验指指导导书书》》，，机械工业出版社，机械工业出版社， 1997 n5．．
n电机是一种机电能量转换的装置电机是一种机电能量转换的装置n变压器是一种电能传递装置变压器是一种电能传递装置 一般分类：一般分类： 静止电机静止电机—— 变压器变压器 电机电机 { 直流电机直流电机 旋转电机旋转电机{ 同步电机同步电机 交流电机交流电机{ 异步电机异步电机 （感应电机）（感应电机） 电机是一种机电能量转换的装置电机是一种机电能量转换的装置 变压器是一种电能传递装置变压器是一种电能传递装置 按功能分n将机械能转换为电能－－发电机(Generators)n将电能转换为机械能－－电动机(Motors)n不以功率传递为主要职能，而在电气机械系统中起调节、放大和控制作用n ──微型控制电机n将一种形式的电能转化为另一种形式的电能 ──变压器、变流机、变频机、移相器n其共同的特点是：其共同的特点是： 根据电磁感应定律和电磁力定律进行能量转换。
根据电磁感应定律和电磁力定律进行能量转换 电机的发展电机的发展电动机代替蒸汽机电动机代替蒸汽机电机初步定型电机初步定型电机理论形成电机理论形成电机设计计算发展电机设计计算发展性能好、运行可靠、体积小性能好、运行可靠、体积小单机容量的重量轻单机容量的重量轻高可靠性、高精度、高可靠性、高精度、快速相应的控制电机快速相应的控制电机功率电子学等学科的渗透功率电子学等学科的渗透使电机学得到了新的发展使电机学得到了新的发展 电机的发展简史和发展趋势电机的发展简史可分为两个时期 初级发展时期n从从发发现现电电磁磁感感应应现现象象开开始始到到十十九九世世纪纪末末和和本本世世纪纪初初各各种电机的基本型式已经具备为止可分为四个阶段：种电机的基本型式已经具备为止可分为四个阶段：n1、电磁感应定律的发现：n 十八世纪中叶开始了第一次世界工业革命主要是以机器大生产代替工场手工业主要标志是蒸汽机的广泛使用但由于蒸汽动力在输送和管理上的不便，不能满足生产力发展的需要，迫使人们寻找新的能源和动力在此时代背景下，电磁学得到了兴起和发展n 1821年年，，法拉第表演了电流位于磁场中产生机械力的实验，发现了电动机的作用原理，不久制造了原始型式的电动机。
n 1824年，阿果拉发现了旋转磁场，1831年，法拉第提出了电磁感应定律，1832年，出现了原始型式的发电机 n2、直流电机的发展：n 电能的最早应用是供给照明和电化学工业的需要，所以最初发展的电机是直流电机n 1845年，用电磁铁代替了永久磁铁n 1867年，制成了自励发电机n 1882年，建成了第一条直流输电线路n 远距离输电需提高单机容量及运行电压，使其发展受到了限制n3、单相交流电的应用：n 1876年交流电应用于照明装置，不久有了原始型式的同步发电机和变压器 n4、三相交流电的应用：n 在单相交流电源供电的情况下，单相交流电动机无法自行起动n 不久，两相电流能产生旋旋转转磁磁场场的原理被发现，1885年制成了两相交流异步电机的模型n 1889年，多里沃─多勃罗沃尔斯基提出了三相制的建议并设计和制造了第一台三相变压器和三相异步电动机至1897年，建成了第一个三相交流输电系统n 交交流流三三相相制制发发电电厂厂的的迅迅速速发发展展，，使使高高速速运运转转的的汽汽轮轮发发电电机机代代替替了了蒸蒸汽汽机机为为原原动动机机的的发发电电机机，，把把社社会会生生产产力力推推进进到到电电力时代，第二次技术革命。
力时代，第二次技术革命 近代发展及今后发展的主要趋势 n 从本世纪初直到现在及将来n1、单机容量不断提高；n 单机容量大，单位容量的用料省、损耗小、 造加低；同时电站机组少，工作人员少， 厂房面积小，可节约基建投资及维护费用n2、重量的不断减轻和外形尺寸的不断缩小；n3、应用范围不断扩大；n 特定用途电机：潜水电机、防爆电机、n 船舶电机、纺织电机、矿用电机等 电机初步定型 建立了电机理论， 电机设计计算等得到发展要求性能良好、运行可靠、单机容量 重量 轻、体积小等 而且发展出高可靠性、高精度、 快速相应的控制电机， 控制电机已成为电机学科的一个独立分支控制电机已成为电机学科的一个独立分支功率电子学等学科的渗透， 使电机学得到了新的发展 如开关磁阻电机等。
n我国电机制造业发展简况：n 解放前：200kW发电机、2000kVA变压器n 解放后：发展迅速，1955年：10000kW的水轮发电机；1956年：12000kW的汽轮发电机；1958～1960年：72500kW的水轮发电机，100MW的双水内冷汽轮发电机；1959年：220kV、120000kVA的三相变压器，6300kW的异步电动机和4500kW的直流电动机；1972年：300MW双水内冷汽轮发电机，360000KVA变压器目前已能制造600MWn值得一提的是值得一提的是1958年我国制成了世界上第一年我国制成了世界上第一台用于生产的双水内冷汽轮发电机台用于生产的双水内冷汽轮发电机（（12000kW））为电机制造工业继续发展开辟为电机制造工业继续发展开辟了一条新的道路了一条新的道路 我国从仿制进入我国从仿制进入 自行试验研究和自行设计，自行试验研究和自行设计， 建立了自己的电机工业体系，建立了自己的电机工业体系， 统一的国家标准，统一的电机统一的国家标准，统一的电机 和变压器系列，和变压器系列， 能制造成套的大、能制造成套的大、 中型火力和水力发电设备。
中型火力和水力发电设备 电机的应用 专业基础课专业基础课一座桥梁一座桥梁：工科大学公共基础课和专业技术课之间作业、实验作业、实验： 一定数量的作业和4个设计型实验：变压器综合实验变压器综合实验 三相异步电动机综合实验三相异步电动机综合实验同步发电机的综合实验同步发电机的综合实验 直流电机综合实验直流电机综合实验任务任务：掌握变压器和交、直流电机的基本结构、工作原理 和运行性能，并对电机的运行进行初步的分析提供基础知识提供基础知识：《自动控制系统》、《计算机控制技术》、《控制电机》、《变频调速》及电力系统相关课程课程性质、任务： 磁路基本知识磁路基本知识n一、常用物理量常用物理量n二、铁磁材料的性质铁磁材料的性质n三、常用基本电磁定律常用基本电磁定律n四、电磁感应定律电磁感应定律 一、常用物理量常用物理量：1、磁感应强度磁感应强度 (magnetic flux density) （向量） 单位：特斯拉，T，或高斯 描述磁场强弱和磁场方向的物理量 磁力线是闭合曲线，其方向与产生磁场的 电流的方向满足右手螺旋关系。
2、磁通磁通(magnetic flux)φ： 单位：韦伯，Wｂ 表征磁介质或真空中磁场分布的物理量 穿过某一截面的磁感应强度B的通量 电机的每极磁通电机的每极磁通，即穿过每个磁极横截面的全部磁通，是设计、计算电机的重要基础数据特别：在均匀磁场中，若 与 垂直，则Φ ＝BS 3、磁场强度磁场强度(magnetic field intensity) （向量） 单位：安匝/米，At/ｍ． 是描述磁场强弱和方向的辅助物理量 在电机和变压器中常常使用该物理量 它与磁感应强度的关系： ＝μ ， μ为磁导率(permeability)，单位为H/ｍ， ＝4π×10－7亨/米 （真空） 非磁性物质的μ为常数；铁磁材料的 μ比真空的 大数十至数千倍。
如铸钢的 μ 约为 的1000倍； 各种硅钢片的μ 约为 的6000～7000倍 4、磁势磁势(magnetomotive force MMF)F： （磁压降，磁动势） 单位：安匝 , At F＝NI 线圈匝数与励磁电流之积5、磁阻磁阻(reluctance of the magnetic circuit)： 单位为：1/亨 或 At/Wb ＝L／μｓ Ｌ为磁路长度，ｓ为磁路横截面积 6、磁导磁导 ＝1/ 单位为：亨 7、磁链磁链 (flux linkage)ψ： ψ＝N φ ，线圈所交链的磁通 二、铁磁材材料的性质铁磁材材料的性质 (磁化、磁滞和损耗）磁化、磁滞和损耗）1、起始磁化曲线起始磁化曲线： 非铁磁材料的 B与H成正比， 是线性关系。
在铁磁材料中 B与H的关系 为非线性的 2、磁滞回线磁滞回线 Bｒ为剩余磁感应强度Hc 称为矫顽力3、基本磁化曲线基本磁化曲线 4、铁心损耗铁心损耗：指磁滞损耗和涡流损耗1）磁滞损耗 分析表明，磁滞损耗与磁场的交变频率、铁心的体积V和磁滞回线所包围的面积成正比实验证明，磁滞回线所包围的面积与Bm的n次方成正比，故 （2）涡流损耗 当通过铁心的磁通随时间变化时，铁心中将产生感应电动势，并引起环流这些环流在铁心内部围绕磁通做旋涡状流动，故称为涡流，涡流在铁心中引起的损耗为涡流损耗 分析表明，频率越高，磁通密度越大，感应电动势就越大，涡流损耗也就越大；而铁心的电阻越大，涡流所流过的路径越长，涡流损耗就越小对于由硅钢片叠成的铁心，经推导可知，涡流损耗为 三、常用基本电磁定律常用基本电磁定律：1、全电流定律全电流定律(Ampere’s law)：空间ｎ根载流导体，电流分别为I1，I2，I3；沿任一闭合路径ｌ， 的线积分等于闭合路径所包围的导体电流代数和。
应用到磁路中应用到磁路中，作用在磁路上的总磁势等于各段磁路的磁压降之和即： 2、电磁感应定律电磁感应定律(electromagnetic induction)： ——(Faraday’s law)匝数为N的线圈在磁场中，若与线圈交链的磁通Ф发生变化时，线圈感应出电势(emf)，称为电磁感应ｅ的正方向与Ф的正方向符合右手螺旋法则 (Lenz’s law)含义含义：电磁感应产生的电势与线圈匝数和 磁通的变化率成正比负号负号：感应电势作用下线圈内流过电流， 该电流产生的Ф逆着原Ф变化 ①、变压器电势(emf)： 线圈与磁场相对静止，只有Ф 变化②、运动电势(motional emf)： 磁场恒定，线圈与磁场相对运动引起Ф变化 当磁力线，导体，运动方向三者互相垂直时当磁力线，导体，运动方向三者互相垂直时，3、自感电势自感电势：与线圈的自感和电流变化率成正比。
线圈中有电流流过，产生与线圈自己交链的Ф，若电流变化，Ф变化，因而感应出电势self-inductance)自感自感 ，即单位电流产生的磁链单位为：亨即单位电流产生的磁链单位为：亨 4、互感电势互感电势： 线圈1、2，1中有电流流过并变化时，产生交链2的磁通变化，在2中产生感应电势 空心线圈 ，M为线圈1和2之间的互感系数，单位：亨同理，线圈2中电流也可在1中感应电势： M的大小与两线圈匝数的乘积的大小与两线圈匝数的乘积 和互感磁通所经磁路的磁导成和互感磁通所经磁路的磁导成(mutual inductance) 正比正比。
5、电磁力定律电磁力定律： 载流导体在磁场中受电磁力， 当磁场与导体互相垂直， 则 ，方向符合左手定则。
