电机学 电机的定义电机的分类及作用电机中的基本电磁关系电机中的铁磁材料特性磁路基本定律及计算方法电机的机电能量转换过程7 总结 使用中的变压器 水轮发电机 电动机 汽轮发电机组 返回 返回 返回 变压器电动势 变压器电动势的方向可根据楞次定律来判断 运动电动势 1 所有非导磁材料的磁导率均为常数 接近真空磁导率2 铁磁材料的磁导率远大于非导磁材料的磁导率3 铁磁材料的磁导率在较大范围内变化 铁磁材料是非线性的 H m oa段 H较弱 B缓慢增加 ab段 H较强 B迅速增加 bc段 H继续加强 B增加变慢 饱和段 c 段 H继续加强 B增加缓慢 深度饱和段 P18 19 公式中各量纲见P20 磁路基本定律 欧姆定律 磁路的欧姆定律 磁阻 磁导 磁路的基尔霍夫第一定律 定律内容 穿出 或进入 任一闭和面的总磁通量恒等于零 或者说 进入任一闭合面的磁通量恒等于穿出该闭合面的磁通量 这就是磁通连续性定律 磁路的基尔霍夫第二定律 定律内容 沿任何闭合磁路的总磁动势恒等于各段磁路磁位降的代数和 磁路和电路的比拟仅是一种数学形式上的类似 而不是物理本质的相似 求 励磁磁动势F2 P33 P34 电磁转矩和电磁功率在机电能量转换中起重要用 而它们都是通过气隙磁场的作用而产生 总结 第一节磁路的基本定律 机电能量转换的媒介是磁场 磁场的路径称为磁路 在工程中 通常将磁场问题简化为磁路问题 电机是进行机电能量转换的装置 一 磁场的几个常用量 磁感应强度 又称磁通密度 B 表征磁场强弱及方向的物理量 单位 Wb m2 磁通量 垂直穿过某截面积的磁力线总和 单位 Wb 磁场强度H 计算磁场时引用的物理量 B H 单位 A m 磁通所通过的路径称为磁路 二 磁路的概念 三 磁路的基本定律 1 安培环路定律 沿任何一条闭合回线L 磁场强度H的线积分等于该闭合回线所包围的电流的代数和 如果在均匀磁场中 沿着回线L磁场强度H处处相等 则 2 磁路的欧姆定律 作用在磁路上的磁动势F等于磁路内的磁通量 乘以磁阻Rm 磁通量 等于磁通密度乘以面积 磁场强度等于磁通密度除以磁导率 于是 3 磁路的基尔霍夫定律 1 磁路的基尔霍夫电流定律 或 2 磁路的基尔霍夫电压定律 磁路和电路有相似之处 却要注意有以下几点差别 1 电路中有电流I时 就有功率损耗 而在直流磁路中 维持一定磁通量 铁心中没有功率损耗 2 电路中的电流全部在导线中流动 而在磁路中 总有一部分漏磁通 3 电路中导体的电阻率在一定的温度下是恒定的 而磁路中铁心的导磁率随着饱和程度而有所变化 4 对于线性电路 计算时可以用叠加原理 而在磁路中 B和H之间的关系为非线性 因此计算时不可以用叠加原理 第二节常用铁磁材料及其特性 一 铁磁物质的磁化 在外磁场的作用下 磁畴顺着外磁场方向转向 排列整齐 显示出磁性 二 磁化曲线和磁滞回线 1 起始磁化曲线 将一块未磁化的铁磁材料进行磁化 当磁场强度H由零逐渐增加时 磁通密度B将随之增加 用B f H 描述的曲线就称为起始磁化曲线 2 磁滞回线 剩磁 当H从零增加到Hm时 B相应地从零增加到Bm 然后再逐渐减小H B值将沿曲线ab下降 当H 0时 B值并不等于零 而是Br 这就是剩磁 磁滞回线 当H在Hm和 Hm之间反复变化时 呈现磁滞现象的B H闭合曲线 称为磁滞回线 3 基本磁化曲线 对同一铁磁材料 选择不同的Hm反复磁化 得到不同的磁滞回线 将各条回线的顶点连接起来 所得曲线称为基本磁化曲线 三 铁磁材料 1 软磁材料 2 硬磁材料 四 铁心损耗 1 磁滞损耗 材料被交流磁场反复磁化 磁畴相互摩擦而消耗的能量 2 涡流损耗 铁心内部由于涡流在铁心电阻上产生的热能损耗 3 铁心损耗 磁滞损耗和涡流损耗之和 第三节直流磁路的计算 磁路计算正问题 给定磁通量 计算所需的励磁磁动势 磁路计算逆问题 给定励磁磁势 计算磁路内的磁通量 磁路计算正问题的步骤 1 将磁路按材料性质和不同截面尺寸分段 2 计算各段磁路的有效截面积Ak和平均长度lk 3 计算各段磁路的平均磁通密度Ak Bk k Ak 4 根据Bk求出对应的Hk 5 计算各段磁位降Hklk 最后求出F Hklk 磁路计算逆问题 因为磁路为非线性的 用试探法 第四节交流磁路的特点 交流磁路除了会在铁心中产生损耗外 还有以下两个效应 1 磁通量随时间变化 在励磁线圈中产生感应电动势 2 磁饱和现象会导致电流 磁通和电动势波形畸变 本章作业 1 1 1 7 本章主要讨论直流电机的基本结构和工作原理 讨论直流电机的磁场分布 感应电动势 电磁转矩 电枢反应及影响 从应用角度分析直流发电机的运行特性和直流电动机的工作特性 第二章直流电机 2 1概述 与异步电动机相比 直流电动机的结构复杂 使用和维护不如异步机方便 而且要使用直流电源 2 1 1直流电机的主要结构 2 1直流电机的基本工作原理和结构 主磁极 换向磁极 电刷装置 机座 端盖 电枢铁心 电枢绕组 换向器 转轴 轴承 直流电机 具体结构参看P46 2 1 2直流电机的工作原理 2 1直流电机的基本工作原理和结构 一 直流发电机工作原理 右图为直流发电机的物理模型 N S为定子磁极 abcd是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈 线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或电枢 线圈的首末端a d连接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上 转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动的电刷进行的 2 1 2直流电机的工作原理 2 1直流电机的基本工作原理和结构 一 直流发电机工作原理 当原动机驱动电机转子逆时针旋转后 如右图 电刷A接触的导体总是位于N极下 和电刷B接触的导体总是位于S极下 2 1 2直流电机的工作原理 2 1直流电机的基本工作原理和结构 一 直流发电机工作原理 可见 和电刷A接触的导体总是位于N极下 和电刷B接触的导体总是位于S极下 因此电刷A的极性总是正的 电刷B的极性总是负的 在电刷A B两端可获得直流电动势 实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈 线圈分布在电枢铁心表面的不同位置 按照一定的规律连接起来 构成电机的电枢绕组 磁极也是根据需要N S极交替旋转多对 2 1 2直流电动机的工作原理 2 1直流电机的基本工作原理和结构 二 直流电动机工作原理 把电刷A B接到直流电源上 电刷A接正极 电刷B接负极 此时电枢线圈中将电流流过 如右图 直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械 在磁场作用下 N极性下导体ab受力方向从右向左 S极下导体cd受力方向从左向右 该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩 当电磁转矩大于阻转矩时 电机转子逆时针方向旋转 2 1 2直流电动机的工作原理 2 1直流电机的基本工作原理和结构 二 直流电动机工作原理 原N极性下导体ab转到S极下 受力方向从左向右 原S极下导体cd转到N极下 受力方向从右向左 该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩 线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转 当电枢旋转到右图所示位置时 同直流发电机相同 实际的直流电动机的电枢并非单一线圈 磁极也并非一对 2 1 3直流电机的铭牌数据 2 1直流电机的基本工作原理和结构 2 1 3直流电机的铭牌数据 2 1直流电机的基本工作原理和结构 此外 电机铭牌上还标有其它数据 如励磁电压 出厂日期 出厂编号等 电机运行时 所有物理量与额定值相同 电机运行于额定状态 电机的运行电流小于额定电流 欠载运行 运行电流大于额定电流 过载运行 长期欠载运行将造成电机浪费 而长期过载运行会缩短电机的使用寿命 电机最好运行于额定状态或额定状态附近 此时电机的运行效率 工作性能等比较好 空载时直流电机的磁场 提前介绍 P62 2 2 1直流枢绕组基本知识 2 2直流电机的电枢绕组简介 元件 构成绕组的线圈称为绕组元件 分单匝和多匝两种 元件的首末端 每一个元件均引出两根线与换向片相连 其中一根称为首端 另一根称为末端 极距 相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离 用表示 叠绕组 指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前一个元件端接部分 整个绕组成折叠式前进 波绕组 指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联起来 象波浪式的前进 2 2 1直流枢绕组基本知识 2 2直流电机的电枢绕组简介 合成节距 连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离 第一节距 一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离 第二节距 连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下层边与第二个元件的上层边间的距离 单叠绕组 单波绕组 yk yk 单叠绕组元件的连接 2 2 2单叠绕组 2 2直流电机的电枢绕组简介 单叠绕组的特点是相邻元件 线圈 相互叠压 合成节距与换向节距均为1 即 单叠绕组的展开图是把放在铁心槽里 构成绕组的所有元件取出来画在一张图里 展示元件相互间的电气连接关系及主磁极 换向片 电刷间的相对位置关系 2 2 2单叠绕组 2 2直流电机的电枢绕组简介 根据单叠绕组的展开图可以得到绕组的并联支路电路图 下图 单叠绕组的的特点 1 同一主磁极下的元件串联成一条支路 主磁极数与支路数相同 2 电刷数等于主磁极数 电刷间电动势等于并联支路电动势 3 电枢电流等于各支路电流之和 参看P59 2 3直流电机的磁场 2 3 1 2 3 2直流电机的空载磁场 右图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图 当励磁绕组的串联匝数为 流过电流为 每极的励磁磁动势为 详细参见P62 2 3 2直流电机的空载磁场 直流电机中 主磁通是主要的 它能在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩 而漏磁通没有这个作用 它只是增加主磁极磁路的饱和程度 在数量上 漏磁通比主磁通小得多 大约是主磁通的20 空载时 励磁磁动势主要消耗在气隙上 当忽略铁磁材料的磁阻时 主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的大小和形状 磁极中心及附近的气隙小且均匀 磁通密度较大且基本为常数 靠近极尖处 气隙逐渐变大 磁通密度减小 极尖以外 气隙明显增大 磁通密度显著减少 在磁极之间的几何中性线处 气隙磁通密度为零 无齿电枢表面的气隙磁密分布 直流电机的化曲线 为了感应电动势或产生电磁转矩 直流电机气隙中需要有一定量的每极磁通 空载时 气隙磁通与空载磁动势或空载励磁电流的关系 称为直流电机的空载磁化特性 如右图所示 为了经济 合理地利用材料 一般直流电机额定运行时 额定磁通设定在图中A点 即在磁化特性曲线开始进入饱和区的位置 2 3 3直流电机的电枢磁场 直流电机带上负载后 电枢绕组中有电流 电枢电流产生的磁动势称为电枢磁动势 电枢磁动势的出现使电机的磁场发生变化 右图为一台电刷放在几何中性线的两极直流电机的电枢磁场分布情况 假设励磁电流为零 只有电枢电流 由图可见电枢磁动势产生的气隙磁场在空间的分布情况 电枢磁动势为交轴磁动势 2 3 3直流电机负载时的负载磁场 2 3直流电机的电枢反应 如果认为直流电机电枢上有无穷多整距元件分布 则电枢磁动势在气隙圆周方向空间分布呈三角波 如图中所示 由于主磁极下气隙长度基本不变 而两个主磁极之间 气隙长度增加得很快 致使电枢磁动势产生的气隙磁通密度为对称的马鞍型 如图中所示 2 3 4直流电机的电枢反应 2 3直流电机的电枢反应 当励磁绕组中有励磁电流 电机带上负载后 气隙中的磁场是励磁磁动势与电枢磁动势共同作用的结果 电枢磁场对气隙磁场的影响称为电枢反应 电枢反应与电刷的位置有关 1 当电刷在几何中性线上时 将主磁场分布和电枢磁场分布叠加 可得到负载后电机的磁场分布情况 如图 a 所示 2 3 4直流电机的电枢反应 2 3直流电机的电枢反应 主磁场的磁通密度分布曲线 电枢磁场磁通密度分布曲线 两条曲线逐点叠加后得到负载时气隙磁场的磁通密度分布曲线 2 3 4直流电机的电枢反应 2 3直流电机的电枢反应 由图可知 电刷在几何中性线时的电枢反应的特点 2 对主磁场起去磁作用 1 使气隙磁场发生畸变 空载时电机的物理中性线与几何中性线重合 负载后由于电枢反应的影响 每一个磁极下 一半磁场被增强 一