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1、电 机 学第3版,汤蕴璆 罗应立 梁艳萍 编著,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,绪论,电机在国民经济中的作用电机发展简史我国电机工业发展概况电机的分析方法本课程的任务课程特点和学习方法建议,电机在国民经济中的作用,电机是一种机电能量转换或信号转换的电磁机械装置。就能量转换的功能来看，电机可分为发电机和电动机两大类。,发电机用以把机械能转换为电能。在发电站中，通过原动机先把各类一次能源蕴藏的能量转换为机械能，然后通过发电机把机械能转换为电能，再经输、配电网络送往各种场合供公众使用。,电动机把电能转换为机械能，用来驱动各种用途的生产机械和装置，满足不同的需求。,电力变压器则是将一种交流电压、
2、电流转换成同频率的另一种电压、电流的静止电器。,电机在国民经济中的作用,由于一次能源形态的不同，可以制成不同类型的发电机。,利用水力资源，和水轮机配合，可制成水轮发电机；利用煤、石油等能源的热能，和锅炉、汽轮机配合，可制成汽轮发电机。此外，还有利用风能、原子能等能源的各类发电机。,电机在国民经济中的作用,电动机作为动力设备，已广泛应用于机械行业的工作母机，冶金行业的高炉、转炉、平炉和轧钢机，交通运输行业中的电车、电力机车，各类企业中的鼓风、起吊、运输传送，农业中的电力排灌、农副产品加工，以及医疗器械、家用电器等各行各业，大至冶金企业使用的高达上万千瓦的电动机，小至小功率电动机、乃至几瓦的微电动
3、机。在各类动力机械中，电动机的容量已超过总容量的60%。,电机在国民经济中的作用,根据应用场合的要求和电源的不同，电动机有直流电动机、交流同步电动机、交流感应电动机，以及满足不同需求的特种电动机。20世纪70年代以后，由于大功率电力电子器件、微电子器件、变频技术以及计算机技术取得的一系列进展，还研制出多种调速性能优良、效率较高、能满足不同要求的交流电动机调速系统，和由变频器供电的一体化电机。,电机在国民经济中的作用,就信号转换功能的控制电机而言，大体上有测速电机、伺服电机、旋转变压器和自整角机等几种，这些电机主要用于自动控制系统中作为检测、执行、随动和解算元件，例如机床加工的自动控制，舰船方向
4、舵的自动控制，大炮和雷达的自动定位，飞机的飞行控制，计算机、自动记录仪表运行的控制等。这类电机通常为微型电机，对精度和快速响应的要求较高。,电机在国民经济中的作用,在电力工业中，发电机是生产电能的主要设备；变压器是变电站输、配电线路中对电压进行变换的主要设备；在机械、冶金、纺织、煤炭、石油、化工、交通运输和家用电器等行业中，电动机是各种生产机械的主要动力设备；在国防和民用的各种自动控制系统中，控制电机是重要和不可缺少的元件。,电机在国民经济的各个领域中起着极其重要的作用。,我国电机工业发展概况,从仿制阶段到自行设计阶段一直到研究、创新阶段，经过50年的努力，我国已经建立起自己的电机工业体系，有
5、了统一的国家标准和统一的产品系列，建立了全国性的研究实验基地和研究、工程技术人员队伍。,在大型交、直流电机方面，研制成功25000kW的直流电动机，4700kW的直流发电机和42MW的同步电动机。,在大型发电设备方面，研制出300MW和600MW的水氢氢冷汽轮发电机，300MW的双水内冷和全氢冷汽轮发电机，650MW的核电机组；还相继研制出125MW、250MW、300MW、550MW和700MW的水轮发电机。,电力变压器的最大容量已做到840MVA，电压最高为750kV。,我国电机工业发展概况,在中、小型和微型电机方面，已开发和制成125个系列、上千个品种、几千个规格的各种电机。在特殊电机方
6、面，由于新的永磁材料的出现，制成了许多高效节能、维护简单的永磁电机。由于电机和电力电子装置、单片微型计算机相结合，出现了各种性能和形态迥异的“一体化电机”。,上述各种类型的电机，除满足我国生产和生活领域中的各种不同需求外，尚有部分出口。,电机的分析方法,1电机的分析步骤,(1)电机内部物理情况的分析,运动方程是磁动势方程(磁链方程)、电压方程和转矩方程的总称。导出运动方程就是把电机内所发生的电磁过程、机电过程和动力学过程，利用电磁学和动力学的基本定律，用数学方程的形式将其表达出来，这是第二步。这一步也称为“建立数学模型”。,首先是弄清电机的基本结构和主要部件的功能，再根据电机的磁路和电路，分析
7、空载和负载时电机内部的磁场，初步弄清这种电机的工作原理，这是第一步。这一步实质上就是“建立物理模型”。,(2)导出电机的运动方程,电机的分析方法,(3)求解运动方程,根据运动方程和求解问题的性质(是稳态还是瞬态，是对称还是不对称运行等等)，选择运动方程的解法，求出解析解或数值解。,(4)结果分析,通过对解答的分析，确定所需的运行性能(特性)和主要运行数据，如过载能力、稳定性、效率、电压变化率、速度变化率等，以满足解决某一问题的需要。,电机的分析方法,2运动方程的导出方法,(1)主磁通-漏磁通法,把电机内的磁通按其作用和分布，分成主磁通和漏磁通，然后用电磁感应定律和基尔霍夫定律列出各个绕组的电压
8、方程，用电磁力定律和牛顿第二定律列出转子的转矩方程。此法广泛应用于各种交、直流电机的稳态分析，优点是物理概念清楚，推导比较简单、直观；缺点是不能直接用于瞬态和动态分析。,电机的分析方法,(2)动态电路法,把电机作为一组动态电路来对待，把定、转子之间的电磁关系用一组时变的自感和互感系数来表达，即L=L(),M=M(),为转子的转角。导出的电压方程是含有时变系数的微分方程，转矩方程则是非线性方程。此法的优点是适用范围较广，既可用以分析稳态问题，也可用以分析瞬态和动态问题；缺点是推导过程比较复杂，物理概念不易立即看清。,课程特点和学习方法建议,本课程既有较强的理论性，又有工程性，研究时以各个机种(变
9、压器，直流电机，感应电机，同步电机，控制电机)为对象，这与以前的基础课是不同的。另外，分析各种电机的原理和运行时，不但涉及电压、电流随时间的变化，还要涉及磁动势和磁场在空间的分布和变化；不但涉及定、转子绕组间的电磁耦合关系和机电关系，还要涉及转子与原动机(或机械负载)之间的动力学关系；总之涉及面较广，综合性较强。,课程特点,课程特点和学习方法建议,学习方法建议,(1)首先要弄清各种电机的基本结构(包括铁心、绕组、换向器、集电环等结构)，主要部件的作用和构成。为此，需要到电机实验室(展览室)或电机厂实地参观，对实物建立初步印象。对于直流电枢绕组，进行一次习题课或集体答疑是有益的。,(2)在分析电
10、机和变压器的空载和负载运行时，要注意主磁场、电枢（二次绕组）磁场和漏磁场在电机内是如何分布的，合成磁场是如何形成的，各种磁通的作用是如何表达的，做到概念清楚；对磁场的分布，头脑中要有物理图画。,课程特点和学习方法建议,(3)注意推导基本公式(电动势公式，电磁转矩公式，磁动势公式)和基本方程时有哪些假定，使推导得以合理简化；推导时应用了哪些基本电磁定律和力学定律，哪些原理、理论和方法。重要的公式和方程要自己独立地推导一遍，找出其中的关键点。总之，在基本理论、基本方法和基本概念上，要花大气力去钻研。,(4)注意建立等效电路时要经过哪几步，每一步的含义和必要性。,课程特点和学习方法建议,(5)学习交
11、流绕组的磁动势时，一方面要注意其空间分布，另一方面还要注意其随时间而变化的规律；要注意单相和三相绕组磁动势的合成和分解，并在头脑中形成物理图画。适当的多媒体辅助教学，对理解这部分内容有一定帮助。,(6)弄清发电机和电动机的各种特性有什么用途，它们是哪些变量之间的函数关系，这些特性是在什么条件下导出的，各有什么特点。,课程特点和学习方法建议,(7)科学实验是研究电机的一种重要方法，所以要重视实验。实验要23人一组，自己动手去做，并在理论联系实际的基础上，认真写出实验报告。,(8)要经过听课、课后复习、做习题、再复习，做实验、写实验报告、再复习，从理论到实践、从实践到理论的多次反复，才能逐步掌握课程内容，使学到的知识逐步巩固起来。,
