电机学课件
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电机学课件清华大学
由转矩公式可知： (1)产生转矩的条件：必须有励磁磁通和电枢电流。 (2)改变电机旋转的方向：改变电枢电流的方向或者
改变磁通的方向。
二、 转矩平衡关系
电磁转矩T为驱动转矩，在电机运行时，必须和外 加负载和空载损耗的阻转矩相平衡，即
T TL T0
TL： 负载转矩 T0 ：空载转矩
转矩平衡过程：当负载转矩（TL）发生变化时， 通过电机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁
其中 n0
U
K
Φ
E
，n
KT
Ra
K
Φ
E
2
T
n
nn0n0'0''
（
Rf
增减 加小
）
TL
T
因为：
n0
1
Φ
，
n
1
Φ2
所以：磁通减小以后特性上移，而且斜率增加。
n n0 n
其中 n0
U
K
Φ
E
，n
KT
Ra
K
Φ
E
2
T
调速过程: U一定,则
Rf
E
Ia
Ia
E
n
最后达到新的平衡 T =TL
T
暂时 T > TL
(2)若忽略绕组中的电阻Ra，则
U
E
K
Φn，
E
可见，当外加电压一定时，电机转速和磁通成反
比，通过改变 可调速。
7.2.4 电磁转矩
一、电磁转矩 T KTΦI a
KT：与线圈的结构有关的常数 （与线圈大小，磁极的对数等有关）
：线圈所处位置的磁通
Ia：电枢绕组中的电流
单位： （韦伯），Ia（安培），T（牛顿•米）
改变磁通的方向。
二、 转矩平衡关系
电磁转矩T为驱动转矩，在电机运行时，必须和外 加负载和空载损耗的阻转矩相平衡，即
T TL T0
TL： 负载转矩 T0 ：空载转矩
转矩平衡过程：当负载转矩（TL）发生变化时， 通过电机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁
其中 n0
U
K
Φ
E
，n
KT
Ra
K
Φ
E
2
T
n
nn0n0'0''
（
Rf
增减 加小
）
TL
T
因为：
n0
1
Φ
，
n
1
Φ2
所以：磁通减小以后特性上移，而且斜率增加。
n n0 n
其中 n0
U
K
Φ
E
，n
KT
Ra
K
Φ
E
2
T
调速过程: U一定,则
Rf
E
Ia
Ia
E
n
最后达到新的平衡 T =TL
T
暂时 T > TL
(2)若忽略绕组中的电阻Ra，则
U
E
K
Φn，
E
可见，当外加电压一定时，电机转速和磁通成反
比，通过改变 可调速。
7.2.4 电磁转矩
一、电磁转矩 T KTΦI a
KT：与线圈的结构有关的常数 （与线圈大小，磁极的对数等有关）
：线圈所处位置的磁通
Ia：电枢绕组中的电流
单位： （韦伯），Ia（安培），T（牛顿•米）
电机基础PPT课件
电机的轴承与转子
轴承
轴承是电机中用于支撑转子的部件，通常由润滑油润滑，以减少摩擦和磨损。 轴承的种类和规格根据电机的类型和应用而有所不同。
转子
转子是电机中的可旋转部分，通常由金属材料制成。转子装在轴承上，并由轴 承支撑和旋转。转子中包含了电机的绕组和铁芯，这些元件共同作用产生磁场 和驱动力。
04
在电机中，电能通过电流在磁 场中产生转矩，驱பைடு நூலகம்转子旋转， 将电能转换为机械能。
同时，在电机运行过程中，部 分电能会以热能的形式散失， 这是电机能量转换不可避免的 损失。
03
CHAPTER
电机的基本结构
电机的外壳与支撑结构
电机外壳
电机外壳是电机的外部结构，通常由 钢板制成，用于保护电机内部元件免 受外部环境的影响。外壳还起到支撑 和固定电机的作用。
支撑结构
电机的支撑结构包括底座、轴承座等 部件，用于支撑电机的重量并确保电 机在运行时的稳定性。
电机的绕组与铁芯
绕组
绕组是电机的一个重要组成部分，由绝缘导线绕制而成，通 常缠绕在电机的铁芯上。绕组的作用是产生磁场，从而驱动 电机的转子旋转。
铁芯
铁芯是电机中的另一个重要组成部分，通常由硅钢片叠压而 成。铁芯的作用是导磁，帮助绕组产生更强的磁场。
步提升。
02
CHAPTER
电机的基本原理
电机的工作原理
电机的工作原理基于电磁感应定律和安培环路定律，通过磁场和电流相互作用产生 转矩，使电机旋转。
电机内部主要包括定子和转子两部分，定子产生固定磁场，转子在定子中旋转，产 生感应电流，感应电流与定子磁场相互作用产生转矩，驱动电机旋转。
电机的旋转方向取决于电流的相序和方向，通过改变电流的相序或方向可以改变电 机的旋转方向。
电机学课件
2.铁磁0材4料的1磁07导H率/m 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
铁磁材料的特性
在外磁场的作用下，铁磁材料内部的磁筹重 新排列，使得内部磁效应不能抵消，因而在 宏观上对外显示磁性。
铁磁材料的特性
铁磁材料磁化过程
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）
Rm1
l1
1 A1
Rm3
l3
3 A 3
F 1 F 2 N 1 i 1 N 2 i 2 H 1 l 1 H 2 l 2 1 R m 1 2 R m 2
F N iH lR m
磁路基本定律及计算方法
磁路与电路的主要区别
电路 电阻率恒定 电压、电流线性 不存在饱和现象
磁路 导磁率变化 磁势、磁通非线性 有磁路饱和
铁磁材料的特性
2.磁滞与磁滞损耗
磁滞损耗： phKhfBmV P18~19
铁磁材料的特性
3.涡流与涡流损耗
pw
K2
f 2d2Bm2V
12
铁磁材料的特性
4.交流铁心损耗
pFe p1/505f0Bm 2
公式中各量纲见P20
律磁 路 基 本 定
磁路基本定律及计算方法
欧姆定律
l/N (Ai)R FmmF
发电机、变压器
电能的生产、传输和分配 电
电动机
驱动生产机械和装置 机
控制系统和智能化装置的重要元件
控制电机
电机中的基本电磁定律
1.全电流定律
lHdlI
lH d l l'H d lI I 1 I2 I3
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
铁磁材料的特性
在外磁场的作用下，铁磁材料内部的磁筹重 新排列，使得内部磁效应不能抵消，因而在 宏观上对外显示磁性。
铁磁材料的特性
铁磁材料磁化过程
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）
Rm1
l1
1 A1
Rm3
l3
3 A 3
F 1 F 2 N 1 i 1 N 2 i 2 H 1 l 1 H 2 l 2 1 R m 1 2 R m 2
F N iH lR m
磁路基本定律及计算方法
磁路与电路的主要区别
电路 电阻率恒定 电压、电流线性 不存在饱和现象
磁路 导磁率变化 磁势、磁通非线性 有磁路饱和
铁磁材料的特性
2.磁滞与磁滞损耗
磁滞损耗： phKhfBmV P18~19
铁磁材料的特性
3.涡流与涡流损耗
pw
K2
f 2d2Bm2V
12
铁磁材料的特性
4.交流铁心损耗
pFe p1/505f0Bm 2
公式中各量纲见P20
律磁 路 基 本 定
磁路基本定律及计算方法
欧姆定律
l/N (Ai)R FmmF
发电机、变压器
电能的生产、传输和分配 电
电动机
驱动生产机械和装置 机
控制系统和智能化装置的重要元件
控制电机
电机中的基本电磁定律
1.全电流定律
lHdlI
lH d l l'H d lI I 1 I2 I3
电机学课件
第0章 绪论
电能是现代社会的最主要能源，电能主要由发电机产生， 电能是现代社会的最主要能源，电能主要由发电机产生， 它主要实现以下四种能量的转换： 它主要实现以下四种能量的转换： 化石能转化为电能－火力发电机； 化石能转化为电能－火力发电机； 水能转化为电能－水力发电机； 水能转化为电能－水力发电机； 核能转化为电能－核力发电机； 核能转化为电能－核力发电机； 转化为电能 风能转化为电能－风力发电机。 风能转化为电能－风力发电机。
第0章 绪论
§0.3 电力拖动控制系统的组成
电力拖动控制系统是用电动机来拖动生产机械运行的系统。 电力拖动控制系统是用电动机来拖动生产机械运行的系统。 包括：电动机、电源、控制设备、传动机构和生产机械四个部分。 包括：电动机、电源、控制设备、传动机构和生产机械四个部分。 它们之间的关系如下 电源
控制设备
第0章 绪论
第0章 绪论
电动机： 电动机：
第0章 绪论
手机震动电动机
第0章 绪论
电动自行车所用的无刷直流电动机
第0章 绪论
4 电机是控制系统和智能化装置的重要元件（控制电机） 电机是控制系统和智能化装置的重要元件（控制电机）
作为控制系统中的执行元件、检测元件和解算元件。 作为控制系统中的执行元件、检测元件和解算元件。 如：伺服电机、测速发动机、自整角机和旋转变压器等。 伺服电机、测速发动机、自整角机和旋转变压器等。
第0章 绪论
§0.2 电机的分类
1 按结构形式及电磁感应方式分 变压器 电机 旋转电机 交流电机 同步电机 直流电机 异步电机
第0章 绪论
2 按功能分
(1) 发电机：把机械能转换成电能。 发电机：把机械能转换成电能。 (2) 电动机：把电能转换成机械能。 电动机：把电能转换成机械能。 (3) 变压器：改变电源电压。 变压器：改变电源电压。 (4) 控制电机：作为控制系统的控制元件或执行元件。 控制电机：作为控制系统的控制元件或执行元件。
《电机学》课件 第一章
2. 本课程与电力行业的紧密联系
a 对于电力系统自动化专业的技术人员，必然要从事电力系统 稳定性的研究，则首先要了解各电气设备的特性； b 对于从事电气工程自动化专业的技术人员，要搞清楚所控 制的对象及其各类电动机的特性，才能搞好自动控制
1-1 概述
三、学习《电机学》的什么内容
• •
电机的原理、结构、特性和应用 直流电机、变压器、异步电机、 同步电机
3、电磁力定律
载流导体在磁场中要受到力的作用—电磁力
F Bli
左手定则
1-3 基本电磁定律
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，又可以作 为电动机运行。 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。
1-2 磁路及磁路定律
•
2、磁路的欧姆定律
H dl Hl Ni
B /A Ni F m F L /( A ) R m
H B/
1-2 磁路及磁路定律
3、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。
1-4 铁磁材料及特性
2、铁磁材料
•
软磁材料--磁滞回线窄，HC及Br小
•
•
硬磁材料--磁滞回线宽，HC及Br大
HC及Br大，难退磁---永磁材料
1-4 铁磁材料及特性
1-4 铁磁材料及特性
1-4 铁磁材料及特性
《电机学课件》PPT课件
• 难点：电磁关系，磁动势，旋转磁场。
• 使用教材：胡虔生、胡敏强、杜炎生合编《电 机学》，中国电力出版社
• 参考书：汪国梁主编《电机学》
05.12.2020
.
12
《电机学》（二）课程简介
• 课程名称： 中文名称：电机学（二） • 英文名称：Electrical Machinery （Part 2） • 教学对象：电气工程类专业、本科 • 课程定位：《电机学》是本专业的一门主要技
• 使用教材：胡虔生、胡敏强、杜炎生合编《电 机学》，中国电力出版社
•
Stephen J.Chapman, Electric Machinery
Fundamentals, McGRAW-HILL International
Editions
• 参考书：汪国梁主编《电机学》 返回
05.12.2020
.
15
变压器图片、图形、动画
变压器的空载运行 变压器运行特性 三绕组变压器 三绕组变压器向量图 变压器外特性 TR三次谐波磁通路径 YYN变压器组中性点浮动 三相变压器组铁芯磁通波形 相量图
变压器参数测定 变压器暂态运行 自耦变压器 互感器 对称分量合成 变压器并联运行 T形电路 三相变压器
05.12.2020
术基础课，定位为：
* 电气工程的基础 * 电力系统的核心
• 课程特点：课程特点是概念多、理论性强，与 工程联系密切。
05.12.2020
.
13
《电机学》（二）课程简介
主要内容：本课程主要讲述：同步电机的结构， 工作原理、运行等到方面的内容。具体为：
❖同步电机的基本理论与运行特性 ❖同步发电机在大电网上运行 ❖同步发电机不对称运行 ❖同步发电机的突然短路。
• 使用教材：胡虔生、胡敏强、杜炎生合编《电 机学》，中国电力出版社
• 参考书：汪国梁主编《电机学》
05.12.2020
.
12
《电机学》（二）课程简介
• 课程名称： 中文名称：电机学（二） • 英文名称：Electrical Machinery （Part 2） • 教学对象：电气工程类专业、本科 • 课程定位：《电机学》是本专业的一门主要技
• 使用教材：胡虔生、胡敏强、杜炎生合编《电 机学》，中国电力出版社
•
Stephen J.Chapman, Electric Machinery
Fundamentals, McGRAW-HILL International
Editions
• 参考书：汪国梁主编《电机学》 返回
05.12.2020
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15
变压器图片、图形、动画
变压器的空载运行 变压器运行特性 三绕组变压器 三绕组变压器向量图 变压器外特性 TR三次谐波磁通路径 YYN变压器组中性点浮动 三相变压器组铁芯磁通波形 相量图
变压器参数测定 变压器暂态运行 自耦变压器 互感器 对称分量合成 变压器并联运行 T形电路 三相变压器
05.12.2020
术基础课，定位为：
* 电气工程的基础 * 电力系统的核心
• 课程特点：课程特点是概念多、理论性强，与 工程联系密切。
05.12.2020
.
13
《电机学》（二）课程简介
主要内容：本课程主要讲述：同步电机的结构， 工作原理、运行等到方面的内容。具体为：
❖同步电机的基本理论与运行特性 ❖同步发电机在大电网上运行 ❖同步发电机不对称运行 ❖同步发电机的突然短路。
电机学课件
n
根据 n-T 公式 画出特性曲线
nnN0
n
TN
T
当 T时n ，但由于他励电动机的电枢电阻Ra很小， 所以在负载变化时， 转速 n 的变化不大，属硬机械
特性。
学习交流PPT
18
二、 串励电动机的机械特性
串励的特点：励磁线圈的电流和电枢线圈的电流相同。
设磁通和电流成正比，即 =K Ia ,则
E KEΦn KE KΦIan T KTΦIa KT KΦIa2 n
11
电刷
FE
+
N IE
U
F
I
–
S
换向片
根据右手定则知，E和原通入的电流方向相反， 其大小为：
EKEn
KE：与电机结构有关的常数
：磁通
n：电动机转速
单位： （韦伯），学习n交（流P转PT /每分），E（伏）
12
二、 电枢绕组中电压的平衡关系
因为E与通入的电流方向相反，所以叫反电势。
UEIaRa
学习交流PPT
2
7.2.1 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。
直流电机的优点：
（1）调速性能好:调速范围广，易于平滑调节。 （2）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。 （3）易于控制。
应用：
（1）轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等 调速范围大的大型设备。
（2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。
（3）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具
学习交流PPT
3
7.2.2 工作原理
一、 工作原理
电刷
+ U
N I
电机学基础知识PPT课件
2021年5月27日星期四
11
第11页/共45页
电机与电力拖动的发展概况
2．电力拖动的发展概况 最初电动机拖动代替了蒸汽或水力的拖动； 当时电动机拖动生产机械的方式是通过天轴来实
现的，称为“成组拖动”。 即由一台电动机拖动一组生产机械，从电动机到
各种生产机械的能量传送以及在各生产机械之间的能 量分配完全用机械的方式，靠天轴及机械传动来实现。
2021年5月27日星期四
10
第10页/共45页
电机与电力拖动的发展概况
随着自动控制系统和计算机装置的发展，在一般旋 转电机的理论基础上，又发展了许多种可靠性，高 精度、快速响应的控制电机，成为电机学科的一个 独立的分支。
我国的电机工业在建国以来发生了巨大的变化。现 在已建立了自己的工业体系，有统一的国家标准、 统一的电机、变压器系列，能生产成套的大、小型 火力和水力发电设备，基本上能生产满足国民经济 生产需要的各种电机。
2021年5月27日星期四
1
第1页/共45页
电机与电力拖动的发展概况
二、按运动方式及电源性质分类
静止电机-----------------变压器
电机
直流发电机 直流电机
直流电动机
旋转电机
异步电机 异步电动机
交流电机
异步发电机
同步发电机 同步电机
同步电动机
控制电机
2021年5月27日星期四
2
第2页/共45页
1.2.1 磁场的基本物理量 一、磁感应强度
磁感应强度B
表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。
磁感应强度B的方向
与电流的方向之间符合右手螺旋定则。
磁感应强度B的大小
B
F Il
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极 对 第一对极 第二对极
相 带 a c’ b a’ c b’ 1,2 3,4 5,6 7,8 9,10 11,12 13,14 15,16 17,18 19,20 21,22 23,24
例如：相数m＝3，极数2p
＝4，槽数Z＝24
Z • 每极每相槽数q＝ 2 pm＝2
p * 360 槽距角＝ Z =30°
•电磁力作用在转子上将产生电磁转矩，并驱动转子旋转。
•根据以上电磁感应原理，异步电动机也叫感应电动机。
第二节
交流绕组
交流绕组的基本概念
交流绕组：指同步电机的电枢绕组和异步电机的定 子、转子绕组 绕组：按一定规律排列和连接的线圈的总称 ①要求磁势和电势的波形为正弦波形； ②要求磁势和电势三相对称，三相电压对称； ③电力系统都有统一的标准频率，我国规定工业标准 频率为50Hz。 在一定的导体数下，获得较大的基波电势和基 波磁势。
术语5：极距τ
相邻两磁极对应位置两点之间的圆周距离 几何尺寸——每极所对应的定子内圆弧长 D 2p 设D为定子内圆直径。 Z 槽数表示极距： 2p 即基波磁场每极所对应的槽数
术语6：节距 y (跨距)
表示元件的宽度。元件放在槽内，其宽度可用 元件两边所跨越的槽数表示。
分析工具：槽导体电势星形图
把电枢上各槽内导体按正弦规律变化的电势分别用矢量表示，构成 一辐射星形图
相距360度电角 度，导体电势 时间上同相位
一、三相单层绕组 单层——每槽中只放置一层元件边，元件数等 于槽数的一半，无需层间绝缘，结构和嵌线较 简单 单层绕组只适用于10kW以下的小型异步电动 机，其极对数通常是p＝l,2,3,4 单层绕组通常有链式、交叉式和同心式等三种 不同排列方式
三相电势对称
二、三相异步电机（如图6—2）
电磁过程（图例）
•异步电动机定子上有三相对称的交流绕组；
•三相对称交流绕组通入三相对称交流电流时，将在电机气隙空间产 生旋转磁场； •转子绕组的导体处于旋转磁场中；
•转子导体切割磁力线，并产生感应电势，判断感应电势方向。
•转子导体通过端环自成闭路，并通过感应电流。 •感应电流与旋转磁场相互作用产生电磁力，判断电磁力的方向。
第二篇 交流电机的共同问题
第六章 交流电机的绕ຫໍສະໝຸດ 及其感应电动势第一节 旋转电机的基本作用原理
交流电机：产生或使用交流电能的旋转电机。 两大类： 同步电机——速度等于同步速 异步电机——速度不等于同步速
同步速——旋转磁场的转速
一、三相同步电机
（磁极对数p=1)
定子、转子、空气隙
术语2：相带 为了三相绕组对称，在每个极面下每相绕 组应占有相等的范围——相带。 每个极对应于180°电角度，如电机有m相， 180 则每个相带占有 电角度。三相电机 m＝ m 3，其相带为60°，按60 °相带排列的绕 组称为60°相带绕组。
60°相带绕组
把每对极所对应的定子槽等分为六个等分。依次 称为a、c'、b、a'、c、b'相带，各相绕组放在各 自的相带范围内
单层绕组：构造方法和步骤
•分极分相: 将总槽数按给定的极数均匀分开（N,S极相邻分布）并标记假设的感应电势方向。 将每个极的槽数按三相均匀分开。三相在空间错开120电角度。
•连线圈和线圈组：
将一对极域内属于同一相的某两个圈边连成一个线圈（共有q个线圈，为什么？） 将一对极域内属于同一相的q个线圈连成一个线圈组（共有多少个线圈组？） 以上连接应符合电势相加原则 •连相绕组： 将属于同一相的p个线圈组连成一相绕组，并标记首尾端。 串联与并联，电势相加原则。 •连三相绕组： 将三个构造好的单相绕组连成完整的三相绕组 △接法或者Y接法。
术语3：每极每相槽数q
每个极面下每相占有的槽数。已知总槽数Z、极对 数p和相数m为，则
Z q 2 pm
q>1——分布绕组 整数槽绕组——q为整数 分数槽绕组——q为分数
术语4：槽距角 相邻两槽之间的电角度 已知总槽数Z、极对数p p * 360° = Z
圆周的电角度
转子绕组通以直流电流形成分布 磁场，匝链定子上的各相绕组 定子上嵌放有对称的三相绕组a-x、 b-y、c-z
对称是指各相绕组的匝数相等，空间位置彼此 相距120°
设磁场在气隙中按正弦分布
设转子以恒定速度旋转 定子绕组中所匝链的磁通按 正弦规律变化，其感应电势 按正弦规律变化。 由于各相匝数相等，从而各 相电势的大小相等，由于各 相绕组空间分布彼此相距 120°，从而三相电势时间 相位差120°——满足了三 相电势对称要求。
•
• 极距=Z/2p=24/4=6
说明：
属于a相8个槽，即l、2、7、8、13、14、19、20 根据槽导体电势星形图，按电势相加原则构成元件，每个 元件都是整距，y=τ=6槽，即每元件的跨距为6个槽，同为 单层，每相每对极可以连接成一个元件组。 2对极，每相2个元件组，1—7—2—8，13一19一14—20。 元件组之间可串联或并联形成不同并联支路数 单层绕组每相有p个元件组，如串联方式连接，则并联支 路a＝1
元件(线圈）
术语1：电角度
磁场每转过一对磁极，电势变化一个周期，称为 （一个周期） 360°电角度。在电机中 一对磁极 所对应的角度定义为 360°电角度 。（几何上， 把一圆周所对应的角度定义为 360°机械角度。） 磁极对数为p 圆周机械角度为360° 电角度为 p*360 °
交流绕组的构成原则
均匀原则：每个极域内的槽数（线圈数）要相等，各 相绕组在每个极域内所占的槽数应相等 •每极槽数用极距τ表示 •每极每相槽数 对称原则：三相绕组的结构完全一样，但在电机的圆 周空间互相错开120电角度。 •如槽距角为α，则相邻两相错开的槽数为120/α。 电势相加原则：线圈两个圈边的感应电势应该相加； 线圈与线圈之间的连接也应符合这一原则。 •如线圈的一个边在N极下，另一个应在S极下。