电机学、电机拖动相关知识(试着更新电机的相关知识,感谢指出错误)
电机学、电机拖动相关知识(萌新边学习变更新电机的相关知识,主要来自B站华科老师)华中科技大学 电机学
一、导论
1.1概述
1. 1.1电机的基本概念
电机是依据电磁感应定律和电磁力定律,由电路和磁路构成的能实现机电能量转换或信号传递与转换的装置。
电机的基本概念
注意:变压器也是电机的一种形式,能够实现能量的转换。
1.1.2. 电机的分类
按运动方式分类
按照功能进行分类
1.2铁磁材料特性
电机中,材料的特性对电机的性能也是极为重要的,因此研究电机的特性,对材料的了解也是必不可少的。
1.2.1 电机中使用的材料
① 导电材料:铜线。构成电路。
② 导磁材料:硅钢片。构成磁路。
③ 结构材料:铸铁、铸钢和钢板。承受力。
④ 绝缘材料:聚酯漆、环氧树脂、玻璃丝带等。用于导体之间和各类构件之间的绝缘处理。电机常用绝缘材料按性能划分为 A 、 E 、 B 、 F 、 H 、 C 等 6 个等级。如 B 级绝缘材料可在 130℃ 下长期使用,超过130℃ 则很快老 化,但 H 级绝缘材料允许在 180℃下长期使用。
1.2.2解释磁感应强度B,磁通量φ,磁场强度H,磁导率,磁链
这部分内容主要摘自B站中视频开关电源中的磁性元件
1 磁感应强度=单位长度的导线,放在均匀的磁场,在导线中通入单位电流,导线所受到的力的大小就可以表示磁场的强度,也就是磁感应强度。B=F/(IL)。也叫作磁通密度。
其中通电导线收到的力的判断如下图所示。由N极到S极磁场穿过左手手心,左手手指指向导线电流方向,此时大拇指方向就是通电导线所受力的方向。这也就是电机转动原理。
- 磁通量表示通过一个截面的磁力线总量
而在一般计算中,磁场基本上都是可以看做是均匀的,因此在均匀的磁场中的磁通可以直接用公式磁通=BA表示也就是(FA)/(I*L)。
3.磁导率和磁场强度
磁导率u和电阻一样都是引用的物理量,电导率是表示磁场媒介对磁的固有特性的物理量。
一般我们将空气中的磁导率u0作为基准值,相对磁导率ur表示绝对磁导率u和基准值的倍数关系。
磁场强度H表示磁场中某点的磁感应强度B和该点的绝对磁导率u的比值(注意这里是u不是u0)。
圆圈表示一根导线的截面,我们可以发现磁场强度在圆心处最小,而到线圈边缘的地方达到最大值,并且是呈现线性增长的变化过程·(中间为零是因为包围面积为零,进出的电流也为零,横坐标是面积中半径的变化)。等到了边缘后不同材料的磁导率u发生了变化,因此发生突变。注意磁场强度H并不能表示磁场的强度,磁感应强度才能表示磁场的强度。
具体如下图
注意磁场强度与媒介之间的关系,磁场强度只和电流有关系H=F/(ILu) ,之所以做到不同材料中在相同电流的情况下产生的磁场强度H是相同的,主要是因为不同材料中的磁导率u的值。
这个原理主要就是说嘛磁场都是首尾连接环形出现得的,因此矢量和都是为零。就是进去多少也会出来多少。
接下来就是安培环路定理的介绍,电流I和磁场强度H有着密切的关系,前面也曾经说过磁场强度H之和电流I有关系,和介质是没有关系的。
矢量H任意闭合曲线的积分就等于其围起来的曲线所包围的所有电流的代数和,例如电流I1和I2都在H包围圈里面,因此就是I1和I2的代数和,I3不在里面因此不参与计算。
实际案例计算磁场强度H。我们计算虚线中的磁场强度,首先是矢量H对虚线线圈求积分,可得虚线线圈周长为2πr,且在虚线线圈里面的电流I等于I乘上线圈扎数N等于IN。因此计算就可得知H=(IN)/(2πr)。
在两个电流方向相反的导线产生的磁场中,中间位置磁场最强,而两边的磁场最弱。
磁场强度随着位置的变化规律,磁场的基本概念就先介绍到这里,后面遇到了就再补充一下。
1.3 铁磁材料的磁导率
1.3.1材料的磁导率
u = B / H
单位: H/m
真空中的磁导率u0 = 4π×10-7 H/m
非铁磁材料的磁导率u ≈ u0 为常数
铁磁材料磁导率(常用uFe 表示)的特点
① uFe>> u0
②uFe 为非常数,随 B 的变化而变化
③存在磁饱和现象:当铁磁材料中的 B 达到一定的程度后,随着 H 的增加, B 的增加逐渐变慢,因此uFe 随着 H 的增加而减小。
1.3.2 磁化曲线
在外磁场 H 作用下,磁感应强度 B 将发生变化,二者之间的关系曲线称为磁化曲线,记为 B=f(H) 。我们可以看到磁导率u也随着H的变化而变化。对应上面所说,u并不是一个定值。蓝色曲线涉及磁畴的概念,就是磁场会使铁磁材料磁化,在a和b点磁化效果明显,但是在c点后面效果急速下降,这是因为大部分磁畴已经被磁场排列好了方向。我们在设计电机在bc区间最为合适。
1.3.3磁滞与磁滞损耗
磁滞回线:铁磁材料正向极化和反向极化它的BH曲线并不是重合,这个就称之为磁滞曲线。
剩磁 Br :外界磁场为零的情况下,铁磁材料还是有磁场,还可以继续吸引铁屑(这就是我们用磁铁给金属充磁后,用金属就可以充当磁铁吸引铁屑的原理)。
矫顽力 Hc:到Hc这点就是把铁磁的磁场消掉,也叫作去磁。
软磁材料:磁滞回线很窄。硅钢片、铸铁、铸钢等。
硬磁材料:磁滞回线很宽,或叫永磁材料。常用的永磁材料有钐钴( SmCo)、钕铁硼( NdFeB )等。
在不同磁感强度中在第一象限将定点连接起来的曲线。
磁滞损耗:铁磁材料在交变磁场作用下的反复磁化过程中,磁畴会不停转动,相互之间会不断摩擦,因而就要消耗一定的能量,产生功率损耗。这种损耗称为磁滞损耗。磁滞损耗 ph 的大小与磁滞回线的面积、交变磁场频率 f 和铁心体积 V 成正比。ph = f VHdB由于硅钢片的磁滞回线面积很小,而且导磁性能好。因此,大多数电机、变压器或普通电器的铁心都采用硅钢片制成的。
1.3.4 涡流与涡流损耗
涡流:铁磁材料在交变磁场中会产生呈涡旋状的感应电动势和电流产生,简称涡流。
涡流损耗:涡流在其流通路径上的等效电阻中产生的 I2R损耗称为涡流损耗。
涡流损耗 pw 与磁场交变频率f 、材料厚度 d 、最大磁感应强度 Bm 和材料的电阻率的关系:
要减少涡流损耗,首先应减小厚度 d ,其次是增加涡流回路中的电阻。电工钢片中加入适量的硅,制成硅钢片,显著提高电阻率。
1.3.5铁耗
铁耗:铁磁材料在交变磁场中,磁滞损耗和涡流损耗是同时存在。因此,在电机和变压器的计算中,当铁心内的磁场为交变磁场时,常将磁滞损耗和涡流损耗合在一起来计算,并统称为铁心损耗,简称铁耗。单位体积(重量)的铁耗 pFe。
1.3.6 谐波
铁心不饱和时,两个都是正弦波
铁心饱和时,会产生基波、三次谐波和其他高次的谐波。
当电流强制为正弦波时,会变为平顶波
考虑铁耗,就是不是线性的关系了
其中e表示电势
导体以垂直于磁感线的方向在磁场中运动,在同时垂直于磁场和运动方向的两端产生的电动势,称为动生电动势。下图说明了两种电动势产生的方法。
可以发现感应电动势滞后于磁通90°。
1.3.7 磁路基本定律及其计算方法
在某一点进去的和出来的磁通量矢量总和为零
任何一个闭合环路里面,代数和等于磁压降的代数和
1.3.8自感和互感
当导体中的电流发生变化时,它周围的磁场就随着变化,并由此产生磁通量的变化,因而在导体中就产生感应电动势,这个电动势总是阻碍导体中原来电流的变化,此电动势即自感电动势。这种现象就叫做自感现象。
当一线圈中的电流发生变化时,在临近的另一线圈中产生感应电动势,叫做互感现象。互感现象是一种常见的电磁感应现象,不仅发生于绕在同一铁芯上的两个线圈之间,而且也可以发生于任何两个相互靠近的电路之间
二、直流电机
2.1概述
左边边是直流发电机的原理右边自上而下的是磁密、一个棒单个感应电动势、两个棒两个感应电动势、经过电刷机械整流得到的直流电。
上面右图中我们可以看到两个棒产生的电压起伏不定,因此我们可以使用多个棒相互叠加得到整流效果。如下图,当导体数量大于8的时候,脉动就小于1%了。
直流电机的内部结构
用电流产生磁场
厚度小,减小涡流损耗
换向器,可以将直流和交流进行互换。
直流电机的额定值以及计算方法,注意发电机是不用考虑效率的
额定值的计算例题
2.2直流电机电枢绕组特点
此时电枢只有一个棒,相当于电势为e
鼓形电枢绕组,相当于在另一边串联了一个长棒,使得电枢增加了一倍变成2e
这边格外注意1和9都是0电动势,因此电刷a,b的位置始终与零电动势相连,因此会产生电动势差。注意换向器与电枢保持静止,电刷与主磁保持静止
2.3单叠和单波绕组
电枢接线图
电圈和换向器链接在一起,然后通过电刷实现直流
单波绕组
直流电枢绕组的特点:单叠绕组是串联的所以2a=2p,a=p,单波绕组将S极和N极相互链接所以a=1对。
2.4直流电机的磁场
空载(转子没有电流,没有磁场,只有定子有磁场的情况)
助磁还是消磁看红色磁场的方向
2.5直流电动机的基本特性
还有个基本方程,没有ppt我没加上视频链接在这里直流电机基本方程
当铜耗和空载损耗一样时效率最高,其中在并励绕组断电时会造成飞速一种常见的情况是并励电动机运行时励磁绕组开路,轻载时,而感应电动势不突变,由感应电动势经验公式E=Ce×Ψ×n,转速必须大幅上升导致飞速。以上情况若重载则会先烧坏电枢绕组,总之,电机运行时先断开励磁绕组是相当危险的。
2.6直流电机传动
电机稳定的条件
电机启动方法
三种调节转速的方法
三、交流电机
将电势相同的画在一起