《電機(jī)學(xué)》電子教案

1、《電機(jī)學(xué)(Electrical Machinery) 》課程簡(jiǎn)介,電機(jī)學(xué)課程的內(nèi)容電機(jī)學(xué)課程的特點(diǎn)電機(jī)學(xué)課程的學(xué)習(xí)方法電機(jī)學(xué)課程的考核方法參考書(shū)任課教師,,,,,,,,,電機(jī)學(xué)(Electrical Machinery),,,變壓器 (Transformers),交流繞組（AC Winding）,直流電機(jī)（DC Electric Machines）,電機(jī)學(xué)I和電機(jī)學(xué)II,感應(yīng)電機(jī)（Induction Machines）,同步電

2、機(jī)（Synchronous Machines）,《電機(jī)學(xué)》 (Electrical Machinery)課程的特點(diǎn),,,,一、研究的對(duì)象是實(shí)物，是一個(gè)電的、磁的、機(jī)械的綜合體。則要求：,1.要清楚機(jī)械實(shí)物的具體結(jié)構(gòu)(Construction)；2.要弄清電機(jī)內(nèi)主要電物理量和磁物理量的特性及相互關(guān)系，并能用方程式(Equation)、等效電路(Equivalent Circuit)和相量圖(Phasor Diagram)這三種

3、主要方式表示之；3.要能運(yùn)用這些特性和關(guān)系結(jié)合具體條件對(duì)電機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行初步的分析（Analysis)。 ──這就是本課程的主要任務(wù)或總的要求,二、課程前后的連貫性強(qiáng),各種電機(jī)都存在共性例如，各種電機(jī)的原理都是以電磁感應(yīng)定律和載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力作為基礎(chǔ)。則要求：學(xué)生不但要掌握前面所學(xué)的基本理論，而且在學(xué)后續(xù)內(nèi)容時(shí)要善于比較找出不同電機(jī)的共同處和不同點(diǎn)，以便更好地掌握各類電機(jī)的特點(diǎn)。,三、課程以定性分析為主 概

4、念多，理論性強(qiáng)。要求：,改變以往以套公式算題就算完成學(xué)習(xí)任務(wù)的學(xué)習(xí)方法，而把學(xué)習(xí)重點(diǎn)放在課后及時(shí)復(fù)習(xí)、鉆研教材在掌握電機(jī)中主要物理量的概念、特性及相互關(guān)系后，結(jié)合具體的條件，對(duì)電機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行分析，即認(rèn)真思考老師所布置的習(xí)題和思考題，培養(yǎng)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，并且勤于總結(jié)。,四、時(shí)空觀強(qiáng),電機(jī)內(nèi)發(fā)生的電磁過(guò)程是很復(fù)雜的，交流電流是一個(gè)時(shí)間的函數(shù)，磁場(chǎng)分布是一個(gè)空間的函數(shù)，交流電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)既是時(shí)間函數(shù)，又是空間函數(shù)。要求：

5、 具有豐富的想象力和綜合思考的能力。,《電機(jī)學(xué)》 (Electrical Machinery)課程的特點(diǎn),研究的對(duì)象是實(shí)物，是一個(gè)電的、磁的、機(jī)械的綜合體，與工程實(shí)踐聯(lián)系非常緊密。 課程前后的連貫性強(qiáng)課程以定性分析為主，概念多，理論性強(qiáng)。時(shí)空觀強(qiáng),,,,《電機(jī)學(xué)》 (Electrical Machinery)課程的學(xué)習(xí)方法,,,,掌握電機(jī)的分析方法,理解、掌握各種電機(jī)的基本概念、基本原理、重點(diǎn)和難點(diǎn),（聽(tīng)課、

6、自學(xué)、 作業(yè)和實(shí)驗(yàn)）,,總結(jié)出各種電機(jī)間的共性和個(gè)性,,基本工作原理(Fundamental Principles),結(jié)構(gòu)(Construction) ----（電路、磁路的特點(diǎn)） (The Feature of Electric and Magnetic circuit),電磁物理過(guò)程分析,（導(dǎo)體與磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生 電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電勢(shì)）,基本方程式和等效電路,內(nèi)部功率流

7、程及損耗,運(yùn)行分析,,,,,《電機(jī)學(xué)》 (Electrical Machinery)考核方法,1、平時(shí)作業(yè)及考勤 10％2、實(shí)驗(yàn)及操作 20％（操作10％）3、變壓器 20％4、交流繞組 10％5、 感應(yīng)電動(dòng)機(jī) 20％6、同步電機(jī) 20%,,,,,實(shí)驗(yàn)說(shuō)明,變壓器綜合實(shí)驗(yàn)

8、 （單相變壓器參數(shù)測(cè)定 三相變壓器極性與組別） 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)綜合實(shí)驗(yàn) 同步發(fā)電機(jī)的綜合實(shí)驗(yàn) 直流電機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)。先寫(xiě)預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，合格后，再做實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)必須完成和參加，否則不能參加考試。,,,教材及參考書(shū),1．湯蘊(yùn)璆等合編《電機(jī)學(xué)》普通高等教育“九五”國(guó)家重點(diǎn)教材 機(jī)械工業(yè)出版社 20002 ．顧繩谷主編，《電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)》（上、下冊(cè)），機(jī)械工業(yè)出版社，1

9、998，第2版3．許實(shí)章主編，《電機(jī)學(xué)》（上、下冊(cè)），機(jī)械工業(yè)出版社，1994，修訂版4． 張松林主編，《電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)習(xí)題集與實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)》，機(jī)械工業(yè)出版社， 1997 5． Stephen J.Capman McGraw-Hill Book Company,,,,任課教師,武惠芳 郭芳劉慧娟 張威 －－電氣工程學(xué)院電機(jī)與電器研究所

10、 （電氣樓203） (電話：84831）,,,,《電機(jī)學(xué)(Electrical Machinery) 》 課程簡(jiǎn)介 電機(jī)學(xué)課程的內(nèi)容 電機(jī)學(xué)課程的特點(diǎn) 電機(jī)學(xué)課程的學(xué)習(xí)方法 電機(jī)學(xué)課程的考核

11、方法 參考書(shū) 任課教師,緒論,一、電機(jī)的分類及發(fā)展概況： 二、電機(jī)的應(yīng)用： 三、電力拖動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展概況： 四、本課程的性質(zhì)和任務(wù)： 五、磁路的基本知識(shí),,,,,,,,,電機(jī)的分類及發(fā)展概況：,電機(jī)(Electrical Machinery)是以適當(dāng)?shù)挠行Р牧希▽?dǎo)電和導(dǎo)磁）構(gòu)成的能互相進(jìn)行電磁感應(yīng)的磁路和電路(Electric and Magnetic circuit)，以產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和

12、電磁功率(Electrical and magnetic Torque and Power) ，達(dá)到轉(zhuǎn)換能量(Energy )形式的目的。電機(jī)是一種機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的裝置變壓器是一種電能傳遞裝置,,,,一般分類： 靜止電機(jī)—— 變壓器 電機(jī) { 直流電機(jī) 旋轉(zhuǎn)電機(jī){ 同步電機(jī)

13、 交流電機(jī){ 異步電機(jī) （感應(yīng)電機(jī)） 電機(jī)是一種機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的裝置 變壓器是一種電能傳遞裝置,,,,按功能分,將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能－－發(fā)電機(jī)(Generators)將電能轉(zhuǎn)換

14、為機(jī)械能－－電動(dòng)機(jī)(Motors)不以功率傳遞為主要職能，而在電氣機(jī)械系統(tǒng)中起調(diào)節(jié)、放大和控制作用 ──微型控制電機(jī)將一種形式的電能轉(zhuǎn)化為另一種形式的電能 ──變壓器、變流機(jī)、變頻機(jī)、移相器其共同的特點(diǎn)是： 根據(jù)電磁感應(yīng)定律和電磁力定律進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。,電機(jī)的發(fā)展,,電動(dòng)機(jī)代替蒸汽機(jī),電機(jī)初步定型電機(jī)理論形成

15、電機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算發(fā)展,性能好、運(yùn)行可靠、體積小單機(jī)容量的重量輕,高可靠性、高精度、快速相應(yīng)的控制電機(jī),功率電子學(xué)等學(xué)科的滲透使電機(jī)學(xué)得到了新的發(fā)展,,,,電機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史和發(fā)展趨勢(shì)電機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史可分為兩個(gè)時(shí)期 初級(jí)發(fā)展時(shí)期,從發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象開(kāi)始到十九世紀(jì)末和本世紀(jì)初各種電機(jī)的基本型式已經(jīng)具備為止?？煞譃樗膫€(gè)階段：1、電磁感應(yīng)定律的發(fā)現(xiàn)： 十八世紀(jì)中葉開(kāi)始了第一次世界工業(yè)革命。主要是以機(jī)器大生產(chǎn)代替工場(chǎng)手工

16、業(yè)。主要標(biāo)志是蒸汽機(jī)的廣泛使用。但由于蒸汽動(dòng)力在輸送和管理上的不便，不能滿足生產(chǎn)力發(fā)展的需要，迫使人們尋找新的能源和動(dòng)力。在此時(shí)代背景下，電磁學(xué)得到了興起和發(fā)展。 1821年，法拉第表演了電流位于磁場(chǎng)中產(chǎn)生機(jī)械力的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)的作用原理，不久制造了原始型式的電動(dòng)機(jī)。 1824年，阿果拉發(fā)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，1831年，法拉第提出了電磁感應(yīng)定律，1832年，出現(xiàn)了原始型式的發(fā)電機(jī)。,2、直流電機(jī)的發(fā)展： 電能的最早

17、應(yīng)用是供給照明和電化學(xué)工業(yè)的需要，所以最初發(fā)展的電機(jī)是直流電機(jī)。 1845年，用電磁鐵代替了永久磁鐵。 1867年，制成了自勵(lì)發(fā)電機(jī)。 1882年，建成了第一條直流輸電線路。 遠(yuǎn)距離輸電需提高單機(jī)容量及運(yùn)行電壓，使其發(fā)展受到了限制。3、單相交流電的應(yīng)用： 1876年交流電應(yīng)用于照明裝置，不久有了原始型式的同步發(fā)電機(jī)和變壓器。,4、三相交流電的應(yīng)用： 在單相交流電源供電的情況下，單相交流電動(dòng)

18、機(jī)無(wú)法自行起動(dòng)。 不久，兩相電流能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的原理被發(fā)現(xiàn)，1885年制成了兩相交流異步電機(jī)的模型。 1889年，多里沃─多勃羅沃爾斯基提出了三相制的建議并設(shè)計(jì)和制造了第一臺(tái)三相變壓器和三相異步電動(dòng)機(jī)。至1897年，建成了第一個(gè)三相交流輸電系統(tǒng)。 交流三相制發(fā)電廠的迅速發(fā)展，使高速運(yùn)轉(zhuǎn)的汽輪發(fā)電機(jī)代替了蒸汽機(jī)為原動(dòng)機(jī)的發(fā)電機(jī)，把社會(huì)生產(chǎn)力推進(jìn)到電力時(shí)代，第二次技術(shù)革命。,近代發(fā)展及今后發(fā)展的主要趨勢(shì),從本世紀(jì)初直

19、到現(xiàn)在及將來(lái)。1、單機(jī)容量不斷提高； 單機(jī)容量大，單位容量的用料省、損耗小、 造加低；同時(shí)電站機(jī)組少，工作人員少， 廠房面積小，可節(jié)約基建投資及維護(hù)費(fèi)用。2、重量的不斷減輕和外形尺寸的不斷縮??；3、應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大； 特定用途電機(jī)：潛水電機(jī)、防爆電機(jī)、 船舶電機(jī)、紡織電機(jī)、礦用電機(jī)等。,電機(jī)初步定型。 建立了電機(jī)理論， 電機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算等得到發(fā)展。

20、要求性能良好、運(yùn)行可靠、單機(jī)容量 重量 輕、體積小等。 而且發(fā)展出高可靠性、高精度、 快速相應(yīng)的控制電機(jī)， 控制電機(jī)已成為電機(jī)學(xué)科的一個(gè)獨(dú)立分支。功率電子學(xué)等學(xué)科的滲透， 使電機(jī)學(xué)得到了新的發(fā)展。

21、 如開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)等。,我國(guó)電機(jī)制造業(yè)發(fā)展簡(jiǎn)況： 解放前：200kW發(fā)電機(jī)、2000kVA變壓器。 解放后：發(fā)展迅速，1955年：10000kW的水輪發(fā)電機(jī)；1956年：12000kW的汽輪發(fā)電機(jī)；1958～1960年：72500kW的水輪發(fā)電機(jī)，100MW的雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)；1959年：220kV、120000kVA的三相變壓器，6300kW的異步電動(dòng)機(jī)和4500kW的直流電動(dòng)機(jī)；1972年：

22、300MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)，360000KVA變壓器。目前已能制造600MW。值得一提的是1958年我國(guó)制成了世界上第一臺(tái)用于生產(chǎn)的雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)（12000kW）為電機(jī)制造工業(yè)繼續(xù)發(fā)展開(kāi)辟了一條新的道路。,我國(guó)從仿制進(jìn)入 自行試驗(yàn)研究和自行設(shè)計(jì)， 建立了自己的電機(jī)工業(yè)體系， 統(tǒng)一的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一的電機(jī)

23、 和變壓器系列， 能制造成套的大、 中型火力和水力發(fā)電設(shè)備。,,,,,電機(jī)的應(yīng)用,,專業(yè)基礎(chǔ)課一座橋梁：工科大學(xué)公共基礎(chǔ)課和專業(yè)技術(shù)課之間。,,,,作業(yè)、實(shí)驗(yàn)： 一定數(shù)量的作業(yè)和4個(gè)設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)：變壓器綜合實(shí)驗(yàn) 三相異步電動(dòng)機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)同步發(fā)電機(jī)的綜合實(shí)驗(yàn)

24、 直流電機(jī)綜合實(shí)驗(yàn),任務(wù)：掌握變壓器和交、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理 和運(yùn)行性能，并對(duì)電機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行初步的分析提供基礎(chǔ)知識(shí)：《自動(dòng)控制系統(tǒng)》、《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》、《控制電機(jī)》、《變頻調(diào)速》及電力系統(tǒng)相關(guān)課程。,課程性質(zhì)、任務(wù)：,磁路基本知識(shí),一、常用物理量二、鐵磁材料的性質(zhì)三、常用基本電磁定律四、電磁感應(yīng)定律,,,一、常用物理量：,1、磁感應(yīng)強(qiáng)度 (magnetic flux density)

25、 （向量） 單位：特斯拉，T，或高斯。 描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱和磁場(chǎng)方向的物理量。 磁力線是閉合曲線，其方向與產(chǎn)生磁場(chǎng)的 電流的方向滿足右手螺旋關(guān)系。,,,,2、磁通(magnetic flux)φ： 單位：韋伯，Wｂ 表征磁介質(zhì)或真空中磁場(chǎng)分布的物理量。 穿過(guò)某一截面的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的通量。

26、 電機(jī)的每極磁通，即穿過(guò)每個(gè)磁極橫截面的全部磁通，是設(shè)計(jì)、計(jì)算電機(jī)的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。特別：在均勻磁場(chǎng)中，若 與 垂直，則Φ ＝BS。,,,3、磁場(chǎng)強(qiáng)度(magnetic field int

27、ensity) （向量） 單位：安匝/米，At/ｍ． 是描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的輔助物理量。 在電機(jī)和變壓器中常常使用該物理量。 它與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系： ＝μ ， μ為磁導(dǎo)率(permeability)，單位為H/ｍ， ＝4π×10－7亨/米 （真空） 非磁性物質(zhì)的μ為常數(shù)；鐵磁材料的 μ比真空

28、的 大數(shù)十至數(shù)千倍。 如鑄鋼的 μ 約為 的1000倍； 各種硅鋼片的μ 約為 的6000～7000倍。,,,,4、磁勢(shì)(magnetomotive force MMF)F： （磁壓降，磁動(dòng)勢(shì)） 單位：安匝 , At 。 F＝NI 線圈匝數(shù)與勵(lì)磁電流之積。,5、磁阻(reluct

29、ance of the magnetic circuit)： 單位為：1/亨 或 At/Wb ＝L／μｓ Ｌ為磁路長(zhǎng)度，ｓ為磁路橫截面積。,6、磁導(dǎo) ＝1/ 單位為：亨。

30、 7、磁鏈 (flux linkage)ψ： ψ＝N φ ，線圈所交鏈的磁通。,二、鐵磁材材料的性質(zhì) (磁化、磁滯和損耗）1、起始磁化曲線： 非鐵磁材料的 B與H成正比， 是線性關(guān)系。 在鐵磁材料中 B與H的關(guān)系 為非線性的,,,,,,2、磁滯回線

31、 Bｒ?yàn)槭Ｓ啻鸥袘?yīng)強(qiáng)度。Hc 稱為矯頑力,,,,,3、基本磁化曲線,4、鐵心損耗：指磁滯損耗和渦流損耗。（1）磁滯損耗 分析表明，磁滯損耗與磁場(chǎng)的交變頻率、鐵心的體積V和磁滯回線所包圍的面積成正比。實(shí)驗(yàn)證明，磁滯回線所包圍的面積與Bm的n次方成正比，故 （2）渦流損耗 當(dāng)通過(guò)鐵心的磁通隨時(shí)間變化時(shí)，鐵心中將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并引起環(huán)流。這些環(huán)流在鐵心內(nèi)部圍繞磁通做旋渦狀流動(dòng)

32、，故稱為渦流，渦流在鐵心中引起的損耗為渦流損耗,,,,分析表明，頻率越高，磁通密度越大，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就越大，渦流損耗也就越大；而鐵心的電阻越大，渦流所流過(guò)的路徑越長(zhǎng)，渦流損耗就越小。對(duì)于由硅鋼片疊成的鐵心，經(jīng)推導(dǎo)可知，渦流損耗為,,三、常用基本電磁定律：1、全電流定律(Ampere’s law)：空間ｎ根載流導(dǎo)體，電流分別為I1，I2，I3；沿任一閉合路徑ｌ， 的線積分等于閉合路徑所包圍的導(dǎo)體電流代數(shù)和。

33、 應(yīng)用到磁路中，作用在磁路上的總磁勢(shì)等于各段磁路的磁壓降之和。即：,2、電磁感應(yīng)定律(electromagnetic induction)： ——(Faraday’s law)匝數(shù)為N的線圈在磁場(chǎng)中，若與線圈交鏈的磁通Ф發(fā)生變化時(shí)，線圈感應(yīng)出電勢(shì)(emf)，稱為電磁感應(yīng)。ｅ的正方向與Ф的正方向符合右手螺旋法則

34、 (Lenz’s law)。含義：電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電勢(shì)與線圈匝數(shù)和 磁通的變化率成正比。負(fù)號(hào)：感應(yīng)電勢(shì)作用下線圈內(nèi)流過(guò)電流， 該電流產(chǎn)生的Ф逆著原Ф變化。,,,,①、變壓器電勢(shì)(emf)： 線圈與磁場(chǎng)相對(duì)靜止，只有Ф 變化。②、運(yùn)動(dòng)電勢(shì)(motio

35、nal emf)： 磁場(chǎng)恒定，線圈與磁場(chǎng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起Ф變化。 當(dāng)磁力線，導(dǎo)體，運(yùn)動(dòng)方向三者互相垂直時(shí)，,3、自感電勢(shì)：與線圈的自感和電流變化率成正比。線圈中有電流流過(guò)，產(chǎn)生與線圈自己交鏈的Ф，若電流變化，Ф變化，因而感應(yīng)出電勢(shì)。(self-inductance)自感 ，即單位電流產(chǎn)生的磁鏈。單位為：亨,4、互感電勢(shì)： 線圈1、2，1中有電流流過(guò)并變化時(shí)

36、，產(chǎn)生交鏈2的磁通變化，在2中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。 空心線圈 ，M為線圈1和2之間的互感系數(shù)，單位：亨。同理，線圈2中電流也可在1中感應(yīng)電勢(shì)：

37、 M的大小與兩線圈匝數(shù)的乘積 和互感磁通所經(jīng)磁路的磁導(dǎo)成(mutual inductance) 正比。,,,,5、電磁力定律：