电机与电力拖动课件-第1章

第1章电机基础知识1.1电机的发展历史及其应用1.2学习电机课程应具备的理论知识1.3课程特点及学习方法

内容导学

图1-1所示的设备均是电机家族中的重要成员,它们都是通过电磁感应原理来工作的,在电力系统中起着重要作用。图1-1电机实物

知识目标

▶了解电机的发展历史及其应用;

▶掌握电机的基本类型和基本电磁定律;

▶了解“电机与电力拖动”课程的学习方法。

能力目标

▶能辨识常见电机的类型;

▶能指出各种电机在系统中的作用;

▶能应用基本电磁定律分析电机的一些问题。

1.1电机的发展历史及其应用

1.电机的发展历史与现状

1831年法拉第提出了电磁感应定律,为电机的诞生奠定了理论基础;1888年,美国的特斯拉发明了两相交流异步电动机;1889年,俄国电工学家多里沃多勃罗沃尔斯基提出三相制,并设计和制造了第一台三相变压器和三相鼠笼式异步电动机。20世纪下半叶,信息技术的发展激发了第三次产业革命,自动化、智能化时代随之到来,电机驱动系统与伺服系统不断发展和完善。

2.电机的分类

电机在电力系统和自动控制系统中有着广泛的应用,其种类繁多。根据电机的用途和结构特点,可分为以下类型:

另外,自动控制和测量系统中应用的电机统称为控制电机,它们是上述电机的特殊形式。

3.电机的应用

电机是电能之间或者和其他形式的能量进行转换的电磁机械装置,用来实现电能的生产、传输、分配和控制。

1.2学习电机课程应具备的理论知识

一、磁场及导磁材料1.磁场电机中的磁场多是由电流产生的。磁场常用磁感应强度B(或称磁通密度)及磁通量Ф等参数表示。

1)磁场方向的判断方法

磁场的分布和形成磁场的电流及周围介质有关。一段载流直导线和载流线圈在空气介质中的磁场分布如图1-2所示。磁场的方向可以用右手定则判断。

(1)判断直导线磁场方向:右手握住直导线,大拇指指向电流方向,其余4个手指所握的方向为磁场的方向。

(2)判断线圈磁场方向:右手握住线圈,4个手指的握向为电流的方向,拇指的指向为穿过线圈的磁场的方向。图1-2载流导体在空气介质中的磁场分布

2)安培全电流定律

磁场强度矢量在磁场中沿任一闭合路径的线积分,等于经过该闭合路径的所有电流的代数和,这就是安培全电流定律(也称安培环路定律),其公式如下:

3)磁路的欧姆定律

根据安培全电流定律,一个N匝的电机线圈流过电流I时,有

式中,F为磁动势,单位为安匝,F=NI;磁路分成k段。

磁通和磁动势的关系为

其中,Rm为磁路的磁阻,即

式中,l为磁路的长度;μ为磁路的磁导率;s为磁路截面积。

2.导磁材料

电机的工作原理基于电磁感应,因此在电机里既有磁路,又有电路。磁路要采用导磁性能好的铁磁材料。这些铁磁材料的特点如下:

1)高导磁性

铁磁材料指的是铁、钴、镍以及它们的合金。它们的磁导率μFe比真空的大几千倍(真空的磁导率μ0=4π×10–7H/m)。在同样大小的励磁电流作用下,铁心线圈产生的磁通比空心线圈的磁通大很多。铁磁材料之所以有高导磁性能,是由于铁磁材料内部存在着很多很小的强烈磁化的自发磁化区域,相当于一块块小磁铁,称为磁畴。

2)磁饱和现象及剩磁

铁磁材料的磁化曲线如图1-3所示。在外磁场的不断强化作用下,顺着外磁场方向排列的磁畴不断增加,合成磁场增强,如图1-3曲线bc段所示,磁场增强较快。当磁场增强到一定的程度后,磁畴都与外磁场的方向一致,这时所产生的磁场达到最强,合成磁场的增强程度减慢,这就是磁路的磁饱和现象,如图1-3曲线cd段所示。图1-3铁磁材料的磁化曲线

3)磁滞损耗和涡流损耗

磁畴排列紧密,磁化过程中会产生摩擦。在交变磁场的作用下,磁畴不断翻转,磁畴之间不停地互相摩擦产生的能量消耗称为磁滞损耗。

在交变磁通的作用下,铁磁材料内的感应电动势产生感应电流,在铁心内部围绕磁通呈旋涡状分布(称为涡流),将导致铁心中的电阻产生涡流损耗。

磁滞损耗与涡流损耗合在一起,总称为铁损耗,其大小和磁场强度等因素有关。

二、基本电磁定律

1.电磁感应定律

电磁感应定律是变压器和发电机的工作原理。

1)感应电动势

由物理知识可知,穿过一个N匝线圈的磁通随时间

发生变化时,线圈内会产生感应电动势,如图1-4所示。

当感应电动势的正方向与磁通的正方向符合右手螺旋关系(即右手的大拇指指向磁通的正方向,其余4个手指指向电动势的正方向)时,感应电动势计算式为图1-4线圈感应电动势的产生

(1)自感电动势。

线圈中电流随时间变化而在线圈内感应的电动势称为自感电动势。其计算式为

其中,ψ=Li,则自感电动势为

式中,L为自感系数,单位为H。

(2)互感电动势。

图1-5所示为两个耦合线圈中自感及互感电动势的产生,当线圈1内有电流i1流过时,它产生的磁通也穿过线圈2。如果i1随时间交变,就会产生交变磁通,线圈2中就会产生感应电动势。这种由另外一个耦合线圈引起的电动势称为互感电动势,用eM表示,有

式中,M为两线圈的互感系数,简称互感,单位为H。图1-5自感及互感电动势的产生

2)切割电动势

切割电动势是发电机的工作原理。由物理知识可知,导体在磁场中运动时,切割磁力线产生感应电动势。其感应电动势e=Blv,其中,l为导体的有效长度;B为磁感应强度,v为导体相对切割速度。用右手定则可判定切割电动势的方向,如图1-6所示。图1-6切割电动势的方向

2.电磁力定律

电磁力定律是电动机的工作原理。载流导体在磁场中会受到力的作用,由于这种力是磁场和电流相互作用产生的,因此称为电磁力。磁场与载流导体互相垂直时,导体的电磁力计算式为f=Bli,其中,l为导体的有效长度,B为磁感应强度,i为导体中的电流。电磁力的方向可用左手定则来确定,如图1-7所示。图1-7电磁力的方向

1.3课程特点及学习方法

“电机与电力拖动”是一门专业基础课,主要介绍各种电机的结构、原理和电力拖动,为后续专业课学习奠定必要的基础。该课程具有较强的理论性和实践性。电机是一个电、磁、机械综合体,学习该课程应具备电路、磁路的基本知识及机械结构的基本识图能力。

学习中首先要抓住普遍规律,无论是电机还是变压器,都是在讲完结构和工作原理之后再讨论基本电磁关系,分析出基本方程及对应的等效电路和相量图,然后再研究其运行特性和工作特性;其次还应注意分辨各种电机的不同点,用比较的方法进行总结,以实现对所学知识的融会贯通;另外,通过对比中华人民共和国成立前电机发展举步维艰和成立后电机蓬勃发展,来培养自己对科学的兴趣,激发创新意识和民族自豪感,树立为实现中华民族伟大复兴而奋斗的远大志向。

小结

电机经历了从直