东南大学《电机内的电磁场》课件--绪论

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东南大学《电机内的电磁场》课件第三章

东南大学《电机内的电磁场》课件第三章

hi ∂u ∂u )i , j ( F ) ( )i , j = ( ∂x ∂x hi + hi +1 hi +1 ∂u +( )i , j ( B ) ∂x hi + hi +1
Central Difference
• That is
hi ∂u )i , j = ui +1, j ( ∂x hi +1 ( hi + hi +1 ) hi +1 hi +1 − hi + ui , j − ui −1, j hi hi +1 hi ( hi + hi +1 )
Matrix Equation

− 4 −1 −1 −1 − 4 −1 −1 − 4 −1 −1 −1 −1 − 4 −1 −1 − 4 −1 u1 − ( Φ1 + Φ4 ) u − Φ 1 2 −1 u3 − ( Φ1 + Φ2 ) = u4 − ( Φ3 + Φ4 ) −1 u5 − Φ3 − 4 u6 − ( Φ2 + Φ3 )
Second Order Difference

∆ f ( x ) ∆f ( x + h ) − ∆f ( x ) = 2 2 ( ∆x ) h
2
Difference Grid

y
x
Approximation of Derivative

N(i,j+1) ki+1 ki hi B W(i-1,j) F P(i,j) S(i,j-1) hi+1 E(i+1,j)

电机学 东南大学课件 第一章

电机学 东南大学课件 第一章

在同样大小的电流作用下,铁芯线圈的磁通比空心线圈的 在同样大小的电流作用下, 磁通大得多
安培环路定律(全电流定律) 安培环路定律
∫ Hdl = ∑ I
l k =1
n
k
磁场强度矢量H沿任一闭合路径的线积分等于穿过该 闭合路径的限定面积中流过电流的代数和。且积分回 路的绕行方向和产生该磁场的电流方向符合右手螺旋 定则
磁路的欧姆定律
磁路基本定律
磁路的基尔霍夫第一定律

流入磁路节点的磁通的代数和应等于零
Φ c − Φ y1 − Φ y 2 = 0
磁路的基尔霍夫第二定律

沿着任一闭合回路,其总磁压等于总磁势
∑U = ∑ I
i
k
磁化曲线
饱和区 不同的磁性材料有 不同的磁导率 同一材料当其磁通 密度不同时,亦有 不同的磁导率
2.电机的近代发展及趋势
单机容量不断增加——机组容量大时,单位容量的用料 (省)、损耗(小)、造价(低) 如汽轮发电机:
1900 1920 1937空气冷却 氢气冷却 5MVA 25MVA 100MVA 150MVA 1956水内冷 1960 目前 208MVA 320MVA >1000MVA
中小型电机技术与经济指标不断改进 新的设计方法(CAD)、工艺、材料、测试手段 应用范围扩大
e=Blv
电磁力
载流导体位于磁场中时,导体上受到力Fe
发电机(电动机) 发电机(电动机)基本作用原理
i -> Fe -> v 电动机
发电机 v -> e -> i
电机可逆性原理
如在电机轴上外施机械功率,通过电机导体在磁场中 作用产生感应电势可输出电功率;如在电机电路中从 电源输入电功率,则载流导体在磁场作用下可使电机 旋转而输出机械功率。 任何电机既可以作为发电机运行, 任何电机既可以作为发电机运行,又可以作为电动机 运行 不论用作发电机或电动机, 不论用作发电机或电动机,感应电势和电磁力都同时 作用于导体。 作用于导体。

东南大学《电磁场与电磁波》课件10

东南大学《电磁场与电磁波》课件10

a
2k z l 2 p p kz l
12/24/2012
m kx , a
n ky b
Lab of Photonics & Optical Communications SEU, China

分布式谐振腔等效电路
k k k
2 2 x 2 y 2
2 z 2 2
Q
G0
谐振腔研究的思路框图
Lab of Photonics & Optical Communications SEU, China 12/24/2012
一、谐振频率0
谐振腔中谐振频率 0 ( 或 f0) 和谐振 波长 0 是最基本参数,但是要注意 0 是 不变量,而0则与媒质r0有关。 在一个封闭系统中,电能与磁能相 等称之为谐振。谐振腔的规律同样服从 Maxwell 方程组,可导出 Helmholtz 方程。
- 差别:电磁辐射,空间电磁振荡源
Lab of Photonics & Optical Communications SEU, China
12/24/2012
Lab of Photonics & Optical Communications SEU, China
12/24/2012
Lab of Photonics & Optical Communications SEU, China
1 1 2al 2 , 101 2 a l a2 l 2
12/24/2012

Lab of Photonics & Optical Communications SEU, China
已知,金属波导TE10模中

东南大学电磁场与波课件Students_EMFW07

东南大学电磁场与波课件Students_EMFW07

Solution:
Example x7-2
(p.28 in Chinese reference book) Determine the power dissipation of a long, straight conducting wire ( of radius a, length l and conductivity σ ) that carries a direct current I, by using Poynting vector on its surface. Solution:
varying loop in B rotating circular plate in B
Example 7-4 rotating loop in B
7.3 Maxwell’s Equations
Self-Study Example 7-5
Displacement current
7.4 Potential Functions
in high-frequency applications
Wave Equations
Example x7-5
In sea water σ= 4 (S/m) and εr = 81. Find the complex permittivitys in sea water at f = 1kHz and f = 1GHz, respectively. Solution:
6. Complex Poynting Vector
av : average
Complex Expression
Example 7-6 Example x7-3
Self-study
Find complex expressions for following fields:

东南大学《电机内的电磁场》课件第一章

东南大学《电机内的电磁场》课件第一章

× A
And
A
Uniqueness of a Vector
Considering
× f ≡ 0 B = × A = × ( A + f ) = × A'
Uniqueness of a Vector
Gauge
A = Arbitrary value
For simplicity ( Coulomb gauge)
– 无限薄电流片
H1t H 2 t = lim Jh = K
h→ 0
That is
H1t H 2 t = K
Interface Conditions (3)
For electric field
E1t = E 2 t
And
J1n = J 2 n
D1n D2 n = ρ s
Interface Conditions: A?
Interface Conditions (1)
Flux continuity law
B1n = B2 n A1t = A2 t
Interface Conditions (2)
Ampere law
H1t t H2t dl
J h
Interface Conditions (2)
Ampere law
( H1t H 2 t )dl = dl lim Jh
h→ 0
Interface Conditions (2)
If J is finite
H1t H 2 t = lim Jh = 0
h→ 0
That is
H1t = H 2 t
Interface Conditions (2)
If J is infinite and Jh=K

电机学课件(东南大学)

电机学课件(东南大学)
升压变压器 电网 发电机 汽轮机/水轮机
第一节
降压变压器
电动机
燃煤
水力
绪论…
第一节
现代工农业生产中需要大量的电动机
机械 冶金 化学 轻纺 交通运输 农业 特定用途的要求: 防爆,防腐蚀(石油,煤矿) 防尘,防潮(轻纺) 防碱酸(化工)
绪论…
特定性能的要求
不同容量(几mW~几千MW) 不同电压 不同启动性能 不同调速性能
电:能量的一种形式 电机:能量转换的一种装置 19世纪初 奥斯特、法拉第发现电磁感应现象
电机和电力工业的研究开发开始起步
绪论…
电能的优越性
第一节
大量生产 集中管理 远距离传输 自动控制
电机工业的地位
电力工业 工矿企业 国防 农业 交通运输 日常生活
电力工业以电机制造业的发展为基础
发电与用电过程
绪论…
第五节 电机的制造材料
材料的功用:导电,导磁 ,绝缘,散 热和机械支撑
绪论…
导电材料:铜和铝
第五节
20oc时铜的电阻率为17.24×10-9 Ω.m 20oc时铝的电阻率为28.2×10-9 Ω.m
集电环的材料:黄铜,青铜和钢
绪论…
导磁材料:
钢铁
第五节
电工钢片:含硅,电阻大,导磁率高,可 减小铁芯中的涡流损耗 标准厚度0.35, 0.5, 1mm, 高频时0.2, 0.15,0.1mm
绪论…
第四节
磁通:通过磁场某一面积的磁感应线数, 穿过一平面的磁通 φ = BS cos θ 穿过任意曲面的磁通
φ=
n
∫ B cos θ ds = ∫ Bds
s s
B
θ
S
绪论…
第四节

东南大学电磁场课件chap3

东南大学电磁场课件chap3

东南⼤学电磁场课件chap3第三章恒定磁场第三章恒定磁场Steady Magnetic Field恒定磁场基本⽅程?分界⾯上的衔接条件序磁感应强度磁通连续性原理?安培环路定律磁⽮位及边值问题磁位及边值问题镜像法电感磁场能量与⼒磁路Introduction3.0序导体中通有直流电流时,在导体内部和它周围的媒质中,不仅有电场还有不随时间变化的磁场,称为恒定磁场。

恒定磁场的知识结构。

恒定磁场和静电场是性质完全不同的两种场,但在分析⽅法上却有许多共同之处。

学习本章时,注意类⽐法的应⽤。

磁⽮位(A )边值问题解析法数值法有限差分法有限元法分离变量法镜像法电感的计算磁场能量及⼒磁路及其计算基本实验定律(安培⼒定律)磁感应强度(B )(毕奥—沙伐定律)H 的旋度基本⽅程 B 的散度磁位( )m 分界⾯衔接条件本章要求深刻理解磁感应强度、磁通、磁化、磁场强度的概念。

掌握恒定磁场的基本⽅程和分界⾯衔接条件。

了解磁位及其边值问题。

熟练掌握磁场、电感、能量与⼒的各种计算⽅法。

了解磁路及其计算⽅法。

3.1.1 安培⼒定律(Ampere’s Force Law )=l l R RI I '2''0)d (d π4e l l F µ两个载流回路之间的作⽤⼒F3.1 磁感应强度Magnetic Flux Density图3.1.1 两载流回路间的相互作⽤⼒式中,为真空中的磁导率µ0'-'-?=l I 30)(d π4r r r r l µ磁场⼒B l e l l F ?=??=l l l R I RI µI d )d π4(d '2'0电场⼒E eF q RV q R V ='=?')d π41(20ρε定义:磁感应强度=l R R I 2'0d π4e l B µ单位T (Wb/m 2)3.1.2 毕奥—沙伐定律、磁感应强度( Biot-Savart Law and Magnetic Flux Density )⼒= 受⼒电荷电场强度⼒= 受⼒电流磁感应强度毕奥-沙伐定律适⽤于⽆限⼤均匀媒质。

东南大学《电机内的电磁场》课件第二章

东南大学《电机内的电磁场》课件第二章

A, φ A
A, φ ψ
非导 体区
导体区
Complex Magnetic Scalar Potential
In non-conducting region
& = ψ & H
Complex Magnetic Vector Potential
In conducting region or nonconducting region
Boundary Conditions
In Field Quantity
B1n = B2 n H1t H 2 t = K
E1t = E 2 t J1n = J 2 n D1n D2 n =
Boundary Conditions: A
In potential
B1n = B2 n
A = 0
Chapter 2
Basic Theory of Time Varying Field
似稳场
Low frequency
× H = J
× E = B / t B = 0
Sinusoidal 似稳场
Low frequency,and sinusoidally varying
& e jωt + jB e jωt + kB e jωt ) & & B = Re( iBx y z & e jωt ) = Re( B
Electric Vector PotentialMagnetic Scalar Potential
导体区
T , ψ T, A
非导 体区
Electric Vector Potential
In Conducting region
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Two Forms of Maxwell’s Equations
• Integral form
– Describe EMF in a space region
• Differential form
– Describe EMF of some space point
• Integral form=Differential form+boundary conditions
• Scalars
– ρ…电荷密度 charge density C/m3
EMF Laws (1)
• 全电流定律(Total current law)
∇ × H = J c + ∂D / ∂t = J
H ⋅ dl = ∫ ( J c + ∂D / ∂t ) ⋅ ds ∫
l s
– ∇ … Hamilton operator
– Basic theory of magnetostatic field – Basic theory of time varying field
• Numerical Method of EMF
– Mathematic foundation of numerical methods – 有限差分法(Finite Difference Method, FDM) – 有限单元法(Finite Element Method, FEM)
S2
B2
EMF Laws (4)
• 高斯定律(Gauss law)
D ⋅ ds = ∫ ρdv ∫
s v
∇⋅ D = ρ
EMF Laws (5)
• 电流连续性定律(Current continuity law)
∇⋅J = 0 J ⋅ ds = 0 ∫
s
Maxwell’s Equations
• Maxwell’s equations ---Basic equations
Research Objects of EMF in EM
• • • • Magnetic field in air-gap Magnetic field in iron-core Leakage field in the ends of EM Leakage field in slot and between salient poles • Magnetic field in solid rotors
Sort of EMF in EM
• Magnetostatic field • Time varying field
– Low frequency , neglecting displacement current 似稳场
Analysis Methods for EMF
• Analytical method
– Analysis of EMF is the key to design, analyze and optimize all kinds of EMs
Importance of the Course(2)
• This course is one of the courses for Master’s degree
– JC,conducting current – JD,displacement current – JD is neglectable
EMF in Electrical Devices
• If field quantities are sinusoidal
ωD ε = 2πf J D / JC = σ σE
• Accurate description of EM phenomenon
– Describe complex EM phenomenon in nature with simple formulae
• Great theoretical discovery
– Know the nature and change the world – One of the most important theoretical discoveries of human being
Lectures and Examination
• Lectures
– 3 hours lecture each week,10~13 weeks totally
• Examination
– Read papers and write a report on numerical analysis of electromagnetic fields in electrical machines – Workpaper in team group
In Electrical Machines
• B is more important than E
B
E
– When f<1010, JD/JC<10-7 in metals
Maxwell’s Equations in Low Frequency
∇ × H = Jc ∇ × E = −∂B / ∂t ∇⋅B = 0 ∇⋅D = 0
Curl of Vector
i ∂ ∇×H = ∂x Hx j ∂ ∂y Hy k ∂ ∂z Hz
Energy Density in Air
• Emax=3×106 V/m
We = 39.8J / m
• B=1T
5
2
Wm = 3.98 × 10 J / m
2
Energy of Fields
• Electric field
1 2 We = εE 2
• Magnetic field
1 2 W m = µH 2
∂H z ∂H y ∂H x ∂H z =( − − )i + ( )j ∂x ∂y ∂z ∂z ∂H y ∂H x )k +( − ∂y ∂x
Divergence of Vector
∂B x ∂B y ∂Bz + + ∇⋅B = ∂z ∂x ∂y
Gradient of Scalar
∂φ ∂φ ∂φ ∇φ = i+ j+ k ∂x ∂y ∂z
EMF Laws (3)
• 磁通连续性定律(Magnetic flux continuity law)
∇⋅B = 0 B ⋅ ds = 0 ∫
s
EMF Laws (3)
• 磁通连续性定律(Magnetic flux continuity law)
S1 S2
B1
S1
B1 ⋅ ds = ∫ B2 ⋅ ds ∫
Importance of the Course(1)
• EMF is the key of energy conversion in electrical machines
– Performance of EM depends on the distribution of EMF
• Parameter、loss、electromagnetic force
– Laws (1)~(4) – (1)and (3) determine the ∇× and ∇⋅ of magnetic field – (2 ) and (4) determine the ∇× and ∇⋅ of electric field
Constitutive Relations
• 本构方程
– 分离变量法, 复变函数法
• 图解(diagrammatize)方法 • 模拟法 • Numerical method
– FDM、FEM、边界单元法BEM、棱边 元法Edge Element、积分方程法IEM
Status of EMF Analysis
• Two dimensional problems基本解决
Transformation between the two forms
• Gauss theorem
∇ ⋅ Adv = ∫ A ⋅ ds ∫
v s
• Stocks theorem
(∇ × A) ⋅ ds = ∫ A ⋅ dl ∫
s l
EMF in Electrical Devices
• Low frequency
H…磁场强度 magnetic intensity A/m B…磁感应强度 magnetic flux density T E…电场强度 electric field intensity V/m J…电流密度 current density A/m2 D…电位移 electric displacement/ electric flux density C/m2
B = µ H J = σ E D = εE
– µ,磁导率 permeability 4π×10-7 H/m – σ,电导率 conductivity – ε,电容率/介电常数,permittivity /primary electric constant 8.85 ×10-12 F/m
Significance of Maxwell’s Equations
– 模型、程序简单,已大量应用于工程
• Three dimensional problems有所应用
– 恒定磁场问题难度不算大 – 似稳电磁场有一定困难 – 瞬变电磁场难度较大 – 模型、程序复杂,工程应用困难
• Vectors
– – – – –
Quantities of EMF and Their Units
Text Books and References
• Text book
– 汤蕴璆《电机内的电磁场》73.211
• References
– – – – 胡之光《电机电磁场分析与计算》73.117/5 陈丕璋《电机电磁场理论与计算》73.117/18 盛剑霓《工程电磁场数值分析》 73.117/43 俞宏生《工程电磁场 Laws (1)
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