航空电机学概论课件

航空电机学概论课件一、电机的定义二、电机的分类三、电机在航空中的应用四、航空电机的工作条件五、航空电机的特点六、航空电机的基本技术要求七、国产航空电机介绍及发展趋势八、课程主要内容九、学习方法航空电机概论一、电机的定义二、电机的分类三、电机在航空中的应用四、航空电一、电机（ElectricalMachine）的定义：电机是应用电磁感应原理实现机电能量转换的电磁机械。◆◆发电机（Generator）电动机(Motor)变压器(Transformer)变流机(Converter)电能机械能电能电能◆电机学是阐述电机基本理论的学科电机的定义◆一、电机（ElectricalMachine）的定义：电机二、电机的分类旋转电机静止电机直流电机

直流发电机（Direct-currentGenerator）直流电动机(Direct-currentMotor)异步电动机（Three-phaseInductionMotor）

交流电机同步发电机(SynchronousGenerator)变压器电机电机的分类二、电机的分类旋转电机静止电机直流电机直流发电机直流电动机三、电机在航空中的应用主电源发电机变压器电动机变流机控制电机特种电机◆◆◆◆◆◆电机在航空中的应用三、电机在航空中的应用主电源发电机变压器电动机变流机主电源发电机◆QF-6QF-24JF-60ZCF-60电机在航空中的应用主电源发电机◆QF-6QF-24JF-60ZCF-60电机变压器◆电机在航空中的应用三相变压器单相变压器自耦变压器电流互感器变压器◆电机在航空中的应用三相变压器单相变压器自耦变压器电电动机◆电机在航空中的应用泵用交流电机泵用直流电机电动机◆电机在航空中的应用泵用交流电机泵用直流电机特种电机◆电机在航空中的应用三相陀螺马达特种电机◆电机在航空中的应用三相陀螺马达四、航空电机的工作条件环境温度：范围：-55℃～+60℃冲击值：100～120℃◆■

⑴地面环境温度■

⑵高空气温■

⑶飞行速度对温度的影响航空电机的工作条件四、航空电机的工作条件环境温度：范围：-55℃～+60℃冲■⑷温度对电机性能的影响：低温：电机主要材料的物理性质发生变化，甚至造成永久变形，如导电材料电阻率下降，绝缘材料开裂、弯曲和分层，润滑油脂粘度增加，橡胶制品硬化，导磁材料的导磁性能变坏，不同材料组合件由于线膨胀系数不同而产生应变等。航空电机的工作条件■⑷温度对电机性能的影响：低温：电机主要材料的物理性■⑷温度对电机性能的影响：高温：造成绝缘材料加速老化，润滑油脂熔解而流出或挥发，导电材料电阻率增加，弹性材料的弹性变坏，结构材料的机械强度下降，不同的线膨胀系数造成组合件产生应变等。上述因素都会导致电机的电磁性能变化或产生机械故障。

航空电机的工作条件■⑷温度对电机性能的影响：高温：造成绝缘材料加速老化由地面到25km高度，大气压力约降低40倍，空气的重量密度降低约30倍。⑵电机散热不良，温升增加易引起绝缘老化。

⑶使电刷磨损加剧，火花增大，直流电机换向变坏，甚至产生环火，导致电机不能正常工作。■

⑴绝缘材料的绝缘性能变坏，耐压程度下降。■■大气压力：◆■航空电机的工作条件由地面到25km高度，大气压力约降低40倍，空气的重量密度湿度：考核标准：40℃时，湿度95±3%■

⑴绝缘材料的绝缘电阻和击穿电压将大大下降。■

⑵电子元件表面吸附水分后，造成漏电，影响电子线路正常工作。■

⑶金属零件易产生腐蚀。◆航空电机的工作条件湿度：考核标准：40℃时，湿度95±3%■⑴绝缘材大气成分：◆■

⑴臭氧：几乎增加17～20倍,使金属表面与有机材料氧化加剧，性能变坏。■

⑵霉菌：使电机绝缘的外表变色，致使易吸湿，并使纺织品发酵和腐烂，绝缘性能下降，机械强度降低等。航空电机的工作条件大气成分：◆■⑴臭氧：几乎增加17～20倍,使金属表■

⑶盐雾：使绝缘材料老化、变质，绝缘电阻下降，金属表面腐蚀、变色，机械强度降低。大气成分：◆■

⑷沙尘：将会降低绝缘材料的性能。进入电气设备中，影响电气产品的性能，严重时可造成产品的机械故障。航空电机的工作条件■⑶盐雾：使绝缘材料老化、变质，绝缘电阻下降，金属表面机械过载：◆■

⑴振动：活塞式发动机的振动频率2kHz～4kHz，振动加速度20g；喷气式发动机的振动频率2kHz～4kHz，振动加速度10g；■影响：过剧的振动可能对航空电机造成一系列不良后果，当零件发生谐振时，带来的危害性更大，甚至使产品失效，结构件损伤，个别零部件折断，电机将不能正常工作。航空电机的工作条件机械过载：◆■⑴振动：活塞式发动机的振动频率2kHz■

⑵冲击：飞机在着陆时，常出现1Hz左右的颠波冲击，小型飞机冲击过载可达4g～6g，大型飞机可达10g。航空电机的工作条件机械过载：◆■⑵冲击：飞机在着陆时，常出现1Hz左右的颠波冲击■

⑶恒加速度：主要在飞机爬高、转弯、俯冲等特技飞行时较为严重。歼击机可达9g，持续两分钟，轰炸机为4g，可持续20min，导弹发射时，可达5g～20g，但持续时间极短。■影响：主要是给电机加上一个附加力矩，引起间隙分配改变与变形。对电机零部件的机械强度与结构上应作足够的考虑。航空电机的工作条件机械过载：◆■⑶恒加速度：主要在飞机爬高、转弯、俯冲等特技飞行时较环境温度：范围：-55℃～+60℃冲击值：100～120℃大气压力：40倍变化湿度：考核标准：40℃时，湿度95±3%大气成分：臭氧、霉菌、盐雾、沙尘等机械过载：振动、冲击、恒加速度等◆◆◆◆◆航空电机的工作条件环境温度：范围：-55℃～+60℃冲击值：100～120℃造成的问题：■绝缘、电气性能变坏;■散热和冷却问题;■直流电机换向困难。◆航空电机的工作条件造成的问题：■绝缘、电气性能变坏;■散热和冷却问题;五、航空电机的特点满足一定功率下，体积小，重量轻，工作可靠；重量功率比较小，寿命短（地面电机寿命一般为几十年）;转速变化范围大，结构和运行情况特殊；制作工艺复杂、选材优质、造价昂贵。◆◆◆◆航空电机的特点五、航空电机的特点满足一定功率下，体积小，重量轻，工作可靠；表2-2航空发电机相对重量航空电机的特点表2-2航空发电机相对重量航空电机的特点表2-3航空电机与地面电机技术数据对照航空电机的特点表2-3航空电机与地面电机技术数据对照航空电机的特点六、航空电机的基本技术要求电压：■

低压直流发电机：28.5V,负极搭铁，单线制■

交流发电机：115/200V◆■

高压直流发电机：270V◆频率：400Hz◆

相数：一般为三相四线制（中线搭铁）。航空电机的基本技术要求包括额定数据、工作条件、试验和验收方法等其它数据。六、航空电机的基本技术要求电压：■低压直流发电机：28.5表2-6我国航空电机基本技术要求航空电机的基本技术要求表2-6我国航空电机基本技术要求航空电机的基本技术要求表2-7航空发电机的技术数据航空电机的基本技术要求表2-7航空发电机的技术数据航空电机的基本技术要求七、国产航空电机介绍及发展趋势发展趋势：◆低压直流电源系统变速变频交流电源系统（VSVF）恒速恒频交流电源系统（CSCF）变速恒频交流电源系统（VSCF）高压直流电源系统国产航空电机介绍及发展趋势七、国产航空电机介绍及发展趋势发展趋势：◆低压直流电源系统变■

低压直流电源系统■

高压直流电源系统■

恒频交流电源系统（恒速恒频、变速恒频）■

变频交流电源系统(主)电源系统一般分类：◆国产航空电机介绍及发展趋势■低压直流电源系统(主)电源系统一般分类：◆国产航空电机

自1914年以来，28V低压直流电源系统，一直沿用至今。发电机容量一般为3kW、6kW、9kW、12kW、18kW。

系统主要由直流发电机、调压器、控制保护器等组成。低压直流电源系统

◆国产航空电机介绍及发展趋势自1914年以来，28V低压直流电源系统，一直沿用至

容易实现不中断供电，供电安全可靠；方便实现电力控制和操纵；起动/发电一体可以减轻设备总重量；电压低，体积小、较安全可靠；整体维护性较好，全周期维护费用不高。低压直流电源系统主要优点

◆国产航空电机介绍及发展趋势容易实现不中断供电，供电安全可靠；低压直流电源系统主要优点单机最大容量受到限制；发电机冷却问题难解决；供电系统重量大；变换设备笨重，效率低。低压直流电源系统主要缺点

◆国产航空电机介绍及发展趋势单机最大容量受到限制；低压直流电源系统主要缺点◆国产航空■1946年美国发明恒速传动装置，开辟了航空恒速恒频交流电源的时代。其额定电压为115/200V、频率为400Hz。■恒频交流发电机容量一般为20、30、60、90、120、150kVA。恒速恒频交流电源系统◆国产航空电机介绍及发展趋势■1946年美国发明恒速传动装置，开辟了航空恒速恒频交流电工作环境温度高，过载能力强。恒速恒频交流电源系统主要优点

◆恒速传动装置生产制造、使用维护困难；变换效率较低，约70%，品质难于进一步提高；难于实现起动/发电一体。恒速恒频交流电源系统主要缺点

◆国产航空电机介绍及发展趋势工作环境温度高，过载能力强。恒速恒频交流电源系统主要优点■上世纪70年代中期，首先在战斗机上得到应用；80年代后，用于民用飞机上。变速恒频交流电源系统◆■如F/A-18、F-16C/D、F-20战斗机，A-4、AV-8B攻击机，“湾流”Ⅲ／Ⅳ行政飞机，波音737-400飞机。国产航空电机介绍及发展趋势■上世纪70年代中期，首先在战斗机上得到应用；80年代后，允许工作环境温度低；承受过载和短路能力差。变速恒频交流电源系统主要优点

◆电能质量和电能转换效率高；旋转部件少，可靠性高；结构灵活性大；能实现无刷起动/发电一体。变速恒频交流电源系统主要缺点

◆国产航空电机介绍及发展趋势允许工作环境温度低；承受过载和短路能力差。变速恒频交流电源从国外研制的最新型飞机看，有两个发展方向：(1)变频交流电源系统：民用客机

Boeing787：主电源4台250kVA变频起动发电机；

A380：主电源4台150kVA变频发电机。电源系统最新发展方向◆国产航空电机介绍及发展趋势(2)高压直流电源系统：战斗机主电源2台65kW高压直流发电机；主电源1台250kW高压直流起动发电机。从国外研制的最新型飞机看，有两个发展方向：电源系统最新发展方变频交流电源系统◆■结构简单可靠；■重量轻、体积小；■成本低、维护费用少；■电能转换效率高；■易于构成变频交流起动发电系统。最早在飞机上使用的交流电源系统。变频交流电源系统主要优点：◆国产航空电机介绍及发展趋势变频交流电源系统主要缺点：■

频率变化范围大。◆变频交流电源系统◆■结构简单可靠；■高压直流电源系统◆■工作可靠；

■重量轻；■连续供电；■效率高；■安全。270V高压直流将是今后战斗机电源的主要发展方向。高压直流电源系统主要优点：◆国产航空电机介绍及发展趋势高压直流电源系统◆■工作可靠；■重量轻；2◆■内装式开关磁阻起动发电机；■高性能组合动力装置；■高功率密度负载管理中心；■高温、高能电力电子技术；■超级电容、燃料电池等。高压直流电源系统关键技术：国产航空电机介绍及发展趋势◆■内装式开关磁阻起动发电机；高压直流电源系统关键技术：

低压直流在不断改进和完善；恒速恒频系统已得到广泛应用；变速恒频和高压直流系统发展趋势；变频交流系统在大飞机上开始应用；混合电源则根据用户的需要取舍。◆结论国产航空电机介绍及发展趋势低压直流在不断改进和完善；◆结论国产航空电机介绍及发展趋八、课程主要内容

电磁基础知识航空变压器交流电机的绕组、磁势与电势航空异步电机航空同步电机航空直流电机课程主要内容八、课程主要内容电磁基础知识课程主要内容◆

必修、核心专业基础课

电气工程及其自动化、自动化航空机电工程课程性质、地位课程主要内容◆必修、核心专业基础课电气工程及其自动化、自动化高等数学电路基础工程数学大学物理飞机供电系统控制电机与电器飞机机电控制惯性导航系统运动控制系统飞行控制系统课程主要内容高等数学电路基础工程数学大学物理飞机供电系统控制电机与电器飞■知道航空电机在飞行器及其各系统中的地位和作用、发展动态、最新研究成果和理论；■理解航空电机的结构组成、工作原理及其基本运行理论；◆总体目标要求课程主要内容■知道航空电机在飞行器及其各系统中的地位和作用、发展动态■掌握电磁运动的分析方法、航空电机的特性测试和基本的使用维护维修技术；■具备应用航空电机学知识解决航空电气系统工程实际问题的基本能力。◆总体目标要求课程主要内容■掌握电磁运动的分析方法、航空电机的特性测试和基本的使用九、学习方法分析方法：◆学习方法九、学习方法分析方法：◆学习方法基本方法和理论实验和实物解剖◆◆九、学习方法学习方法基本方法和理论实验和实物解剖◆◆九、学习方法学习方法回篇目录基础知识

几个基本磁物理量之间的关系；基本电磁定律磁化的过程及磁滞损耗；涡流及涡流损耗。电机学中的基本电磁理论回篇目录基础知识几个基本磁物理量之间的关系；电机学中

掌握电路的基本物理量和基本定律及其在电机学中的主要应用特点；巩固电磁理论基本知识；掌握基本电磁理论在航空电机理论中的应用。电机学中的基本电磁理论教学目的及教学思路掌握电路的基本物理量和基本定律及其在电机学中的主要应用特点一、几个基本电磁量之间的关系

电和磁是电机理论的两个基本组成元素；

电在电机中以路的形式存在；磁在电机中以场的形式存在（磁场），但在一般的分析计算中，常把磁场简化为磁路来处理。一、几个基本电磁量之间的关系一、几个基本电磁量之间的关系电和磁是电机理论的两个基本组一、几个基本电磁量之间的关系

磁感应强度磁通量磁场强度磁链、电感与电抗电磁力与电磁力矩

（一）磁的基本物理量一、几个基本电磁量之间的关系一、几个基本电磁量之间的关系磁感应强度（一）磁的基本物

磁感应强度（二）基本物理量的定义

是表示磁场强弱的一个物理量，符号是，单位是T，它是一个矢量。

磁场的强弱可由位于该磁场中的载流导体所受的电磁力来反映。一、几个基本电磁量之间的关系磁感应强度（二）基本物理量的定义是表示磁场强弱的一个

当载流导体元dl与磁力线相垂直时，作用在该导体上的电磁力dF可表示为:

IBdldF=

在电机中，气隙中的磁感应强度约为0.4T～0.8T；铁芯中的磁感应强度约为1T～1.8T。一、几个基本电磁量之间的关系

磁感应强度（二）基本物理量的定义当载流导体元dl与磁力线相垂直时，作用在该导体上的电磁力d一、几个基本电磁量之间的关系

磁通（二）基本物理量的定义

磁感应强度描述的只是空间每一点的磁场，如果要描述一个给定面上的磁场，就要引入另外一个物理量，叫磁通量，简称磁通，用Φ表示，单位是Wb。一、几个基本电磁量之间的关系磁通（二）基本物理量的定一、几个基本电磁量之间的关系（二）基本物理量的定义

如果在匀强磁场中有一个与磁场方向垂直的平面，面积为S，则通过该平面的磁通量为：RFBS/==F

当平面与磁场方向不垂直时，通过该平面的磁通量为：qcosBS=F为面积S的法线与的夹角。q

磁通一、几个基本电磁量之间的关系（二）基本物理量的定义如果一、几个基本电磁量之间的关系（二）基本物理量的定义

通过任意曲面的磁通量为：òò==FSSdSBdqfcos

dS为曲面的单元面积，其面积分为通过曲面的磁通量。

故，如果取dS垂直于该点处磁感应强度，则，说明某点的磁感应强度就是该点的磁通密度，故磁感应强度又叫磁通密度。1cos=q

磁通一、几个基本电磁量之间的关系（二）基本物理量的定义通过一、几个基本电磁量之间的关系（二）基本物理量的定义

对于看不见的磁场，可用假想的磁力线表示B和Φ的大小。规定磁力线上每一点的切线方向就是B的方向，同时规定通过磁场某点处垂直于的单位面积上的磁力线数目等于该点磁感应强度B的大小。显然：磁场强的地方，磁感应强度大，磁力线密，单位面积内的磁通一定也多；反之亦然。

磁通一、几个基本电磁量之间的关系（二）基本物理量的定义对于一、几个基本电磁量之间的关系

磁场强度（二）基本物理量的定义

表征磁场性质的另一个物理量是磁场强度，它也是一个矢量，用表示，单位是A/m

。一、几个基本电磁量之间的关系磁场强度（二）基本物理量一、几个基本电磁量之间的关系

磁场强度（二）基本物理量的定义

磁场的两个基本物理量与之间的存在下列关系：

μ为磁导率，由磁场该点处的介质性质决定，单位是H/ｍ。μ的数值随介质的性质不同变化很大，真空中的磁导率μ0很小。在电机中应用的介质，其磁导率也因材料的不同而不同。一、几个基本电磁量之间的关系磁场强度（二）基本物理量一、几个基本电磁量之间的关系

磁链、电感与感抗（二）基本物理量的定义

电机中的线圈中流过电流i将产生磁势F，在电机中产生磁通f

,穿过线圈的磁通将形成磁链Ψ，单位为Wb。一、几个基本电磁量之间的关系磁链、电感与感抗（二）一、几个基本电磁量之间的关系

磁链、电感与感抗（二）基本物理量的定义

设线圈匝数为N，流过电流I,产生的磁势为F，匝链线圈的磁通为

f

，形成的磁链为Ψ，则INF.=Â=FfILN.=.=fy2NIINNINILL=L===fy一、几个基本电磁量之间的关系磁链、电感与感抗（二）一、几个基本电磁量之间的关系

磁链、电感与感抗（二）基本物理量的定义222NffLLXL===ppw

当线圈中流过角频率为的交流电时，线圈中存在感抗X为：w一、几个基本电磁量之间的关系磁链、电感与感抗（二）一、几个基本电磁量之间的关系

电磁力与电磁转矩（二）基本物理量的定义

载流导体在匀强磁场中受到电磁力的作用，该电磁力为：Blif=一、几个基本电磁量之间的关系电磁力与电磁转矩（二）基本一、几个基本电磁量之间的关系（二）基本物理量的定义

如果有一刚性面积为S的矩形载流线圈位于磁感应强度为B的匀强磁场中，线圈中的电流为I，磁场作用于载流线圈的电磁力矩为：jsinBISM=

是线圈平面的法线方向与磁感应强度方向之间的夹角，规定线圈平面的法线方向与电流方向成右手螺旋关系。

j

电磁力与电磁转矩一、几个基本电磁量之间的关系（二）基本物理量的定义如果一、几个基本电磁量之间的关系（三）基本物理量之间的关系

磁感应强度描述的是空间点的磁场，磁通描述的是一个给定面上的磁场，H与磁介质无关。一、几个基本电磁量之间的关系（三）基本物理量之间的关系二、磁化的过程及磁滞损耗

电机中的铁磁材料主要是铁、钢及其合金，如镍钢、镍铬钢、铁钴合金等。将这些材料放入磁场后，磁场将显著增强，铁磁材料呈现很强的磁性，这种现象称为铁磁材料的磁化。电机学中的基本电磁理论二、磁化的过程及磁滞损耗电机中的铁磁材料主要是铁、钢及其二、磁化的过程及磁滞损耗

铁磁材料能增强外界磁场的原因，是由于在铁磁材料的内部存在着很多微小的天然磁化区，叫磁畴。

磁畴用小磁铁来代表。在铁磁材料未放入磁场以前，这些磁畴杂乱无章排列，各磁畴的轴线方向不一致，磁效应互相抵消，故对外不显磁性。二、磁化的过程及磁滞损耗铁磁材料能增强外界磁场的原因，是由二、磁化的过程及磁滞损耗

当铁磁材料放入磁场后，在外磁场的作用下，磁畴的方向渐趋一致，形成一个附加磁场，与外磁场相迭加，从而使磁场大为增强。二、磁化的过程及磁滞损耗当铁磁材料放入磁场后，在外磁场的作

将当铁磁材料在-Hm～+Hm之间反复进行磁化，最后得到对称于原点的封闭曲线。H增加时，磁化过程沿defa进行。当H减小时，磁化过程沿abcd进行。

二、磁化的过程及磁滞损耗将当铁磁材料在-Hm～+Hm之间反复进行磁化，最后得到对称

从磁化过程可以看出，B的变化总是落后于H的变化，这种现象称为磁滞。闭合曲线称为磁滞回线。Bm越大，磁滞回线面积越大。二、磁化的过程及磁滞损耗从磁化过程可以看出，B的变化总是落后于H的变化，这种现象称

当H下降到零时，B并不下降到零。因为外磁场虽然消失了，但磁畴还不能恢复到原来状态，还保留一定的磁性，称为剩磁。去掉剩磁所必须加的反向磁势（oc段或of段）称矫顽力。

二、磁化的过程及磁滞损耗当H下降到零时，B并不下降到零。因为外磁场虽然消失了，但磁三、涡流及涡流损耗

当通过铁芯中的磁通交变时，根据电磁感应定律，铁芯内部将产生感应电势和电流。这些电流在铁芯内部围绕磁通呈旋涡状流动，故称为涡流。电机学中的基本电磁理论

涡流在铁芯中流动造成能量损耗，这种损耗就称为涡流损耗。此外，涡流还有去磁作用，这些都是不利的。三、涡流及涡流损耗当通过铁芯中的磁通交变时，根据电磁感应三、涡流及涡流损耗

为了减少涡流的影响，可以在钢材中加入少量的硅以增加铁芯材料的电阻率；不采用整快的铁芯，而采用互相绝缘的由许多薄硅钢片叠起来的铁芯，以使涡流所流经的路径变长，从而大大减少涡流。电机学中的基本电磁理论三、涡流及涡流损耗为了减少涡流的影响，可以在钢材中加入少

变压器及电机的铁芯都是采用厚度为0.35mm或0.5mm的硅钢片制造。磁滞和涡流损耗都是电机铁芯中产生的损耗，通常将它们总称为铁损，正比于磁通密度的平方及磁通交变频率f的1.2～1.3次方。电机学中的基本电磁理论变压器及电机的铁芯都是采用厚度为0.35mm或0.5mm的四、基本电磁定律

Faraday’sLawofElectromagneticInduction(法)

Kirchhoff’sVoltageandCurrentLaw（基尔霍夫）

Ampere’sLawofAll-current（安培环路定律）

Thelawofconservationofenergy(能量守恒定律)

基