姜卫东
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 57

姜卫东 PowerPoint PPT Presentation


  • 103 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

姜卫东. 合肥工业大学电气与自动化工程学院 博士、博士后 主要研究方向:特种电机设计与控制、电磁场理论及应用、电力电子变流技术 南区教育部光伏系统工程研究中心 203 室 [email protected] 0551 - 2901428 - 8033. 绪 论. 什么是电机? 电机学中所说的电机,是指依靠 电磁感应 作用而运行的电气设备,用于机械能和电能之间的转换、不同形式电能之间的变换、或者信号的传递与转换。. 电机在国民经济中的运用.

Download Presentation

姜卫东

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


3554318

姜卫东

  • 合肥工业大学电气与自动化工程学院

  • 博士、博士后

  • 主要研究方向:特种电机设计与控制、电磁场理论及应用、电力电子变流技术

  • 南区教育部光伏系统工程研究中心203室

  • [email protected]

  • 0551-2901428-8033


3554318

绪 论

  • 什么是电机?

    电机学中所说的电机,是指依靠电磁感应作用而运行的电气设备,用于机械能和电能之间的转换、不同形式电能之间的变换、或者信号的传递与转换。


3554318

电机在国民经济中的运用

电机是完成多种能量形式转换的有效工具,而电能又是最容易实现传输、变换的能量形式,可以说,如果没有电机就没有现代工业,下面就电能的产生、传输和利用等多个方面来说明电机在国民经济中的作用。


3554318

完整的发电、传输、用电系统


3554318

电能的产生

  • 若电机用于将其它形式的能量转换为电能,则被称为发电机(Generator),它主要实现以下三种能量的转换:

  • 水能转化为电能-水力发电机;

  • 化石能转化为电能-火力发电机;

  • 风能转化为电能-风力发电机。


3554318

葛洲坝水利枢纽工程


3554318

三峡电站


3554318

三峡水力发电机组


3554318

  • 三峡电站的水轮发电机-全球最大的水轮发电机


3554318

火力发电厂


3554318

火力发电机组


3554318

丹麦Vesta公司生产的风力发电机组


3554318

电能的传输、变换

  • 电能的传输和变化离不开电机。要传输一定的电能,为了减小传输线上的损耗,希望电压越高越好,而用户用电则为低压电。因此在电能的传输中必须使用变压器。

  • 电能的变换包括幅值、频率、相位以及交直流形式上的变换。


3554318

大型电力变压器(保定天威生产)


3554318

配电变压器


3554318

电路板上所使用的低压高频变压器


3554318

电能的利用

  • 电能的利用主要是指将电能转换为所需的能量形式,其中最为主要的就是将电能转换为机械能。要求在转换过程中(1)、转换效率高;(2)、可靠性高。

  • 往往在能量转换的同时也能对运动进行控制,这就引入了一个新的研究分支-电力传动。

  • 相对而言,电机这一概念往往是指电动机。


3554318

哈尔滨电机厂生产的1MW电机


3554318

手机震动电机


3554318

电动自行车所用的无刷直流电机


Magnetic circuit

第一章 磁路Magnetic Circuit

研究磁路的必要性:

电机是以磁场为介质进行机电能量转换的装置。

两个简单的物理事实:

1、变化的磁场会产生电场——由磁生电——机械能向电能转换;

2、通电导体会在磁场中受力——电能向机械能的转换。

在工程中,通常将磁场问题简化为磁路问题。


3554318

第一节 磁路的基本定律

一 磁场的基本常用量

  • 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

真实的物理量,反映了该点处的磁特性

  • 磁通量Φ——垂直穿过某截面积的磁力线总和。

    单位:Wb

磁感应强度的积分值,描述了磁场的总体特性

  • 磁场强度H——计算磁场时引用的物理量。

    B=μH,单位:A/m

磁感应强度与该点磁导率的乘积,反映了建立该点磁场的源


3554318

B、H、Φ之间的关系

产生磁场的电流建立

磁势F

各点处产生磁场强度H

B=μH

各点处产生磁场感应强度B

对磁感应强度积分获得Φ


3554318

二 磁路

  • 与电流流过的路径称为电路一样,磁通所通过的路径称为磁路。

  • 电流只能从导体中通过,但是磁通可以在任意介质中通过,磁通可以分为两部分。

  • 主磁通:由于铁心的导磁性能比空气要好得多(磁导率大),所以绝大部分磁通将在铁心内通过,这部分磁通称为主磁通。

  • 漏磁通:围绕载流线圈、部分铁心和铁心周围的空间,还存在少量分散的磁通,这部分磁通称为漏磁通。


3554318

三 磁路的基本定律

1 安培环路定律

磁场强度H沿任何一条闭合回线L的线积分,等于L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

在均匀分段均匀的磁场中,安培环路定律的表达式为


3554318

2、磁路的欧姆定律

推导过程:以等截面无分支闭合铁心磁路为例:

线圈N匝,电流i,铁心截面为A,磁路平均长度为l,磁导率为u

磁通与磁密关系为

磁场强度与励磁磁势的关系为


3554318

3、磁路的基尔霍夫定律

(1)磁路的基尔霍夫电流定律(第一定律)


3554318

A

i

N

磁路的基尔霍夫电流定律


3554318

(2)磁路的基尔霍夫电压定律


3554318

磁路和电路的几点差别:

1(功率损耗问题)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 (磁路非理想)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(磁路的饱和性)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 (磁路的非线性)在线性电路中,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。


3554318

第二节 常用铁磁材料及其特性

一、铁磁物质的磁化

(A)未磁化

外加磁场

H

(B)磁化

磁畴及磁化


3554318

磁畴受磁场力而转动


3554318

思考

未磁化时,铁磁材料的磁畴是无序排列的,对外不表现磁性。

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。

(1)外磁场;(2)磁畴;(3)排列顺序

电机中为什么选用铁磁材料作为磁路的主要部分?

从两个方面解释:

(1)提高电机效率

(2)减小电机体积

电机中常用的铁磁材料的磁导率

μFe=(2000-6000) μFe


3554318

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。


3554318

d

由于外磁场较弱,磁畴不会产生大规模偏转,磁通密度增加不快。

c

B

外磁场增强,磁畴产生大规模偏转,磁通密度增加较快。

b

拐点、膝点

磁畴全部偏转,磁化曲线基本成为与非铁磁材料B=uH平行的曲线。

a

外磁场继续增加,大部分磁畴已完成偏转,B值增加变得缓慢。

在各种电机、变压器的主磁路中,为了获得较大的磁通,但又不过分的增大励磁电流,通常把铁心内工作点的B选择在膝点附近。

H

铁磁材料的起始磁化曲线


3554318

2、磁滞回线

下面考虑两个问题,(1)磁化后磁性材料去掉外磁场;(2)对磁化后的磁性材料进行反向磁化。

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。

B

a

b

H


3554318

B

a

矫顽力——要使B值为零,必须加上相应的反向磁场,此反向磁场强度称为矫顽力Hc。

b

H

c


3554318

B

a

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。

b

c

f

H

e

d

铁磁材料的磁滞回线


3554318

电工钢片实际测试的磁滞回线


3554318

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。

基本磁化曲线和起始磁化曲线差别很小,磁路计算时使用的磁化曲线都是基本磁化曲线。


3554318

基本磁化曲线

B

H

基本磁化曲线


3554318

三、铁磁材料

1、软磁材料:磁滞回线较窄,剩磁和矫顽力都较小的材料,常用的软磁材料有电工硅钢、铸铁、铸钢等。可用来制造电机、变压器的铁心。

2、硬磁材料(永磁材料):剩磁和矫顽力都较大的材料。包括铝镍钴、铁氧体、稀土钴、钕铁硼等。


3554318

单位:千高斯

内禀退磁曲线

退磁曲线

永磁材料(钕铁硼)退磁曲线(第二象限)

单位:千奥斯特


3554318

硅钢片(WHY-50,0.5mm)磁滞回线


3554318

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。


3554318

硅钢片中的涡流

B

返回


3554318

变压器中的涡流分布情况(Infolytica 软件计算)


3554318

第三节 直流磁路的计算

磁路计算正问题-已知磁路中的量,求解磁路源的问题

给定磁通量,计算所需的励磁磁动势(励磁电流)

磁路计算逆问题-已知磁路的源(磁动势),求解磁路中的量的问题

给定励磁磁势,计算磁路内的磁通量


3554318

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Bk,Bk=Φk/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。


3554318

一、简单串联磁路

[例1-2] 铁心由铸钢和空气隙构成,截面积AFe=0.0009 m2,磁路平均长度lFe=0.3m,气隙长度δ=5×10-4m,求该磁路获得磁通量Φ=0.0009Wb时所需的励磁磁动势。


3554318

解:(1)将磁路分为铁心和气隙两个部分;

(2)计算每一段磁路的面积与长度;

(3)计算每一段磁路的平均磁密;

(4)计算每一段磁路的磁场强度,铁磁材料通过查基本磁化曲线获得;

(5)计算各段内的磁位降,算出所需的励磁磁动势

F=HFelFe+Hδlδ=655A


3554318

二、简单并联磁路

[例1-3] 铁心由DR530硅钢片构成,铁心柱和铁轭截面积AFe=0.0004m2,磁路平均长度lFe=0.05m,气隙长度

δ1=δ2=2.5×10-3m,励磁线圈匝数N1=N2=1000匝。不计漏磁通,试求在气隙中产生磁通密度Bδ=1.211T时,所需的励磁电流。


3554318

解:

中间磁路长度:

两边磁路长度:

气隙磁位降:

中间铁心磁位降:

查磁化曲线:


3554318

两边铁心磁通密度和磁位降:

查磁化曲线:

总磁动势和励磁电流为:


3554318

第四节 交流磁路的特点

应从以下几个方面分析交流磁路的特点:

(1)损耗特点:涡流损耗和磁滞损耗;

(2)感应电动势:磁通量随时间变化,在励磁线圈中产生感应电动势;

(3)波形畸变:磁饱和现象会导致电流、磁通和电动势波形畸变。


3554318

第一章 结束


  • Login