电机学-绪论课件

绪论0 0 绪论绪论0.1 电机学发展简史电机学发展简史0.2 电机在国民经济中的作用电机在国民经济中的作用0.3 本课程主要任务本课程主要任务0 绪论0.1 电机学发展简史0.2 电机在国民经济中的绪论0.1 0.1 电机学发展简史电机学发展简史一、直流电机的产生与形成一、直流电机的产生与形成1820年年奥斯特奥斯特发现了发现了电流磁效应电流磁效应。随后随后安培安培通过总结电流在磁场中所受机械力的情通过总结电流在磁场中所受机械力的情况建立了况建立了安培定律安培定律。0.1 电机学发展简史一、直流电机的产生与形成1820年奥斯绪论1821 年年 9 月，英国物理学家月，英国物理学家法拉第法拉第发现通电的导线发现通电的导线能绕永久磁铁旋转以及磁体绕载流导体的运动，第一能绕永久磁铁旋转以及磁体绕载流导体的运动，第一次实现了电磁运动向机械运动的转换，其原理如下图。次实现了电磁运动向机械运动的转换，其原理如下图。1821 年 9 月，英国物理学家法拉第发现通电的导线能绕永绪论1822年年,法国的法国的阿拉戈阿拉戈.盖盖.吕萨克吕萨克发明电磁铁发明电磁铁,即用电即用电流通过绕线的方法使其中铁块磁化。流通过绕线的方法使其中铁块磁化。1826年年,德国德国G.S.欧姆欧姆提出电路实验定律提出电路实验定律-欧姆定律。欧姆定律。1831年年,法拉第法拉第利用电磁感应发明了世界上第一台真利用电磁感应发明了世界上第一台真正意义上的电机正意义上的电机-法拉第圆盘发电机法拉第圆盘发电机,如图示。如图示。1822年,法国的阿拉戈.盖.吕萨克发明电磁铁,即用电流通过绪论同年夏天，同年夏天，亨利亨利对法拉第的电动机模型进行了改进，对法拉第的电动机模型进行了改进，制作了一个简单的装置制作了一个简单的装置(振荡电动机振荡电动机),如图。如图。振荡电机其重要意义其重要意义:第一次展示了由磁极排斥和吸引产生的第一次展示了由磁极排斥和吸引产生的连续运动，是电磁铁在电动机中的真正应用。连续运动，是电磁铁在电动机中的真正应用。同年夏天，亨利对法拉第的电动机模型进行了改进，制作了一个简单绪论1832年年，斯斯特特金金发发明明了了换换向向器器,据据此此对对亨亨利利的的振振荡荡电电动动机机进进行行改改进进，并并制制成成世世界界上上第第一一台台能能产产生生连连续续运运动动的的旋旋转转电电动动机机，其其原原理理如如右右图图4。后后来来他他还还制制作作了了一一个个并并励直流电动机。励直流电动机。图 4 斯特金的旋转电动机原理示意图 1832年，斯特金发明了换向器,据此对亨利的振荡电动机进行改绪论1832年年，法法国国A.H.皮皮克克西西在在巴巴黎黎公公开开了了一一台台永永久久磁磁铁铁型型旋旋转转式式交交流流发发电电机机,如如图图5。一一年年后后，他他在在发发电电机机上上安安装装整整流流子子，将将交交流流电电变变为为直直流流电。电。图5 皮克西发明的永久磁铁型旋转式交流发电机1832年，法国A.H.皮克西在巴黎公开了一台永久磁铁型旋转绪论1832年年，俄俄籍籍德德国国人人H.F.E.楞楞次次提提出出“电电动动机机发发电电机机”原理原理-楞次定律楞次定律证证明明发发电电机机和和电电动动机机是是可可逆的逆的但但1870年年以以前前，直直流流发发电电机与电动机一直独立发展着机与电动机一直独立发展着1832年，俄籍德国人H.F.E.楞次提出“电动机发电机”绪论1834年年,德德国国的的雅雅可可比比制制成成一一种种简简单单的的装装置置:在在两两个个U型型电电磁磁铁铁中中间间,装装一一六六臂臂轮轮,每每臂臂带带两两根根棒棒型型磁磁铁铁,通通电电后后,棒棒型型磁磁铁铁与与U型型磁磁铁铁之之间间产产生生相相互互吸吸引引和和排排斥斥作作用用,带带动动轮轮轴轴转动转动,如图如图6。图6 雅可比的电动机1834年,德国的雅可比制成一种简单的装置:在两个U型电磁铁绪论1845年年,英英国国惠惠斯斯通通用用电电磁磁铁铁代代替替永永久久磁磁铁铁,并并取取得得专利权。这是增强发电机输出功率的一个重要措施。专利权。这是增强发电机输出功率的一个重要措施。1857年年,惠斯通惠斯通发明自激电磁铁型发电机。发明自激电磁铁型发电机。1866年年,西西门门子子的的创创始始人人维维尔尔纳纳.冯冯.西西门门子子制制成成直直流流自自激激、并并激激式式直直流流发发电电机机。1867年年在在巴巴黎黎世世界界博博览览会会上上展展出出第第一一批批样样机机。西西门门子子首首次次完完成成把把机机械械能能转转换换成成为为电电能能的的发发明明，从从而而开开始始了了19世世纪纪晚晚期期“强强电电”技术时代。技术时代。1845年,英国惠斯通用电磁铁代替永久磁铁,并取得专利权。这绪论1870年年格格拉拉姆姆(18261901)将将T形形电电枢枢绕绕组组改改为为环环形形电电枢枢绕绕组组,发发明明了了直直流流发发电电机机,在在设设计计上上,直直流流发发电电机机和电动机很相似。和电动机很相似。后后来来,格格拉拉姆姆证证明明向向直直流流发发电电机机输输入入电电流流,其其转转子子会会象象电电动动机机一一样样旋旋转转。于于是是,这这种种格格拉拉姆姆型型电电动动机机大大量量制造出来。效率也不断提高。制造出来。效率也不断提高。1870年格拉姆(18261901)将T形电枢绕组改为环形绪论与与此此同同时时,西西门门子子接接着着制制造造更更好好的的发发电电机机,并并着着手手研研究究由由电电动动机机驱驱动动的的车车辆辆,于于是是西西门门子子公公司司制制成成了了世世界界电车电车。1879年年,在在柏柏林林工工业业展展览览会会上上,西西门门子子公公司司不不冒冒烟烟的的电电车车赢赢得得观观众众的的一一片片喝喝彩彩。西西门门子子电电机机车车当当时时只只有有3马力。马力。后后来来美美国国发发明明大大王王爱爱迪迪生生试试验验的的电电机机车车已已达达12-15马马力力。但但当当时时的的电电动动机机全全是是直直流流电电机机，只只限限于于驱驱动动电车。电车。与此同时,西门子接着制造更好的发电机,并着手研究由电动机驱动绪论1873年年,英国的英国的詹詹麦克斯韦麦克斯韦完成了经典电磁理论基础完成了经典电磁理论基础电和磁电和磁，提出了著名的麦克斯韦方程。，提出了著名的麦克斯韦方程。1875年年,比利时比利时Z.T.格拉姆格拉姆将改造后的发电机安装在将改造后的发电机安装在法国巴黎北火车站发电厂，是世界第一座火电厂。法国巴黎北火车站发电厂，是世界第一座火电厂。1880年，年，爱迪生爱迪生观察到用叠片铁芯可以减少温升和观察到用叠片铁芯可以减少温升和能耗。能耗。1880年，年，霍普金森霍普金森确立了磁路的欧姆定律。确立了磁路的欧姆定律。1873年,英国的詹麦克斯韦完成了经典电磁理论基础电和磁绪论1882年，德国将年，德国将米斯巴哈水电站米斯巴哈水电站发出的发出的2千瓦直流电千瓦直流电通过通过57千米千米 15002000伏电线输送到慕尼黑，证明直伏电线输送到慕尼黑，证明直流远距离输电的可能性。流远距离输电的可能性。这一方面成为直流电机发展中的大事，促进它们的这一方面成为直流电机发展中的大事，促进它们的广泛利用，另一方面暴露出直流电在传输中的缺点：广泛利用，另一方面暴露出直流电在传输中的缺点：电压越高，电能的传输损失越小，但高压直流发电机电压越高，电能的传输损失越小，但高压直流发电机困难较大，而且单机容量越大，换向也越困难，换向困难较大，而且单机容量越大，换向也越困难，换向器上的火花使电机工作不稳定。器上的火花使电机工作不稳定。由于那时由于那时直流换流技术还未出现直流换流技术还未出现，人们把目光投向，人们把目光投向交流电机交流电机。1882年，德国将米斯巴哈水电站发出的2千瓦直流电通过57千绪论二、交流电机的产生与形成二、交流电机的产生与形成1824年年,法国人法国人阿拉果阿拉果在转动悬挂着的磁针时发现其在转动悬挂着的磁针时发现其外围环上受到机械力。次年，他重复这一实验时，发外围环上受到机械力。次年，他重复这一实验时，发现外围环的转动又使磁针偏转。这些实验导致后来感现外围环的转动又使磁针偏转。这些实验导致后来感应电机的出现。应电机的出现。1888年年,美国发明家美国发明家特斯拉特斯拉发明了发明了交流电动机交流电动机。它是。它是根据电磁感应原理制成根据电磁感应原理制成,又称感应电动机又称感应电动机,其结构简单其结构简单,使用交流电使用交流电,无需整流。无火花无需整流。无火花,因此被广泛应用于工业因此被广泛应用于工业和家庭电器中。和家庭电器中。二、交流电机的产生与形成1824年,法国人阿拉果在转动悬挂着绪论1876年年,雅布洛奇科夫雅布洛奇科夫用交流发电机为其用交流发电机为其“电烛电烛”供电，是交流电用于照明的开始。不久出现了原始型供电，是交流电用于照明的开始。不久出现了原始型式的同步发电机和变压器。式的同步发电机和变压器。1879年年,英国人英国人拜依莱拜依莱用依次变动四个磁极上的励磁用依次变动四个磁极上的励磁电流得到电流得到旋转磁场旋转磁场。1882-1885年年,匈牙利工程师匈牙利工程师代里代里等等3人首创变压器。人首创变压器。1885年年,费拉里斯费拉里斯提出两相交流感应电动机的模型。提出两相交流感应电动机的模型。1876年,雅布洛奇科夫用交流发电机为其“电烛”供电绪论1886年年，美美国国的的特特斯斯拉拉(N.Tesla,18561943)也也制制成成两两相相绕绕线线式式交交流流异异步步电电动动机机模模型型,1888年年他他又又在在意意大大利利科科学学院院提提出出利利用用交交流流电电产产生生旋旋转转磁磁场场的的论论文文。他他在在爱爱迪迪生生公公司司工工作作，但但由由于于爱爱迪迪生生坚坚持持只只搞搞直直流流方方式式，因因此此他他就就把把两两相相交交流流发发电电机机和和电电动动机机的专利权卖给了的专利权卖给了西屋公司西屋公司。1886年，美国的特斯拉(N.Tesla,18561943绪论1889年年,多多利利沃沃-多多布布罗罗沃沃利利斯斯基基提提出出了了三三相相制制并并制制成成鼠笼式交流异步电动机。鼠笼式交流异步电动机。1889年年,西西屋屋公公司司在在俄俄勒勒冈冈州州建建设设了了发发电电厂厂，1892年年成功地将成功地将15000伏电压送到了皮茨菲尔德。伏电压送到了皮茨菲尔德。1890年年,德德国国人人米米夏夏埃埃尔尔冯冯多多里里沃沃一一多多勃勃鲁鲁沃沃尔尔斯斯基基制成一架三相电流变压器。制成一架三相电流变压器。1889年,多利沃-多布罗沃利斯基提出了三相制并制成鼠笼式交绪论1891年年,慕慕尼尼黑黑人人奥奥斯斯卡卡冯冯米米勒勒在在法法兰兰克克福福世世界界电电气气博博览览会会上上宣宣布布:他他与与多多里里沃沃合合作作架架设设的的从从劳劳芬芬到到法法兰兰克克福福的的三三相相交交流流输输电电电电路路，可可把把300*735.5W 55伏伏三三相相交交流流发发电电机机的的电电流流经经三三相相变变压压器器提提高高到到万万伏伏,顺顺利利通通电电输输运运175千千米米,从从此此三三相相交交流流电电机机很很快快代代替替了了工工业业上上的的直流电机。直流电机。三三相相制制优优点点十十分分明明显显:材材料料可可靠靠,结结构构简简单单,性性能能好好,效效率率高高,用用铜铜省省,在在电电力力驱驱动动方方面面又又有有重重大大效效益益。从从此此,各各种各样的电机迅速发展起来。种各样的电机迅速发展起来。1891年,慕尼黑人奥斯卡冯米勒在法兰克福世界电气博览会绪论1896年年，特特斯斯拉拉的的两两相相交交流流发发电电机机在在尼尼亚亚拉拉发发电电厂厂开开始始劳劳动动营营运运，3750KW，5000V的的交交流流电电一一直直送送到到40公里外的布法罗市。公里外的布法罗市。1902年年瑞瑞典典工工程程师师丹丹尼尼尔尔森森首首先先提提出出同同步步电电动动机机构构想。想。近代交流电机、直流电机迅速发展，种类繁多。近代交流电机、直流电机迅速发展，种类繁多。1896年，特斯拉的两相交流发电机在尼亚拉发电厂开始劳动营运绪论0.2 0.2 电机在国民经济中的作用电机在国民经济中的作用一、电机的作用一、电机的作用 电能是现代最主要的能源，电机是与电能的产电能是现代最主要的能源，电机是与电能的产生、传输和使用紧密相关的能量转换机械。生、传输和使用紧密相关的能量转换机械。电动机具有以下优点：电动机具有以下优点：（1）电机的效率高，运行经济；）电机的效率高，运行经济；（2）电能的传输和分配比较方便；）电能的传输和分配比较方便；（3）电能容易控制。）电能容易控制。0.2 电机在国民经济中的作用一、电机的作用 电能是现代最绪论二、电机的用途二、电机的用途 能源系统的关键设备能源系统的关键设备 电能电能电机电机 发电发电输电输电用电用电 各领域中有特殊要求的动力装置各领域中有特殊要求的动力装置电机的用途很多，可用于动力、发电、检测等。电机的用途很多，可用于动力、发电、检测等。伺服驱动装置伺服驱动装置 传感检测装置传感检测装置二、电机的用途 能源系统的关键设备 各领域中有特绪论动力动力动力动力用于榨汁机、搅拌机、切肉机及其它小家电等用于榨汁机、搅拌机、切肉机及其它小家电等防爆型三相异步电动机防爆型三相异步电动机动力用于榨汁机、搅拌机、切肉机及其它小家电等防爆型三相异步电绪论动力动力动力动力动力绪论用于手机、寻呼机、高级玩具、医疗设备等用于手机、寻呼机、高级玩具、医疗设备等动力动力动力动力用于手机、寻呼机、高级玩具、医疗设备等动力绪论用于CD、立体声耳机、DVD唱机用于盒式磁带录音机用于石油钻井用于玩具、相机、石英钟打点器、旅行电吹风动力动力动力动力用于CD、立体声耳机、DVD唱机用于盒式磁带录音机用于石油钻绪论电机在汽车上的应用实例刮水器用电动机刮水器用电动机调压式刮水器臂用电机调压式刮水器臂用电机起动电动机起动电动机电动速度表用电动机电动速度表用电动机座椅自动调节用电动机座椅自动调节用电动机前照灯矫正装置用电动机前照灯矫正装置用电动机转向联动雾灯用电动机转向联动雾灯用电动机怠速控制用步进电机怠速控制用步进电机空气悬架系统用步进电机空气悬架系统用步进电机电机在汽车上的应用实例刮水器用电动机绪论发电发电发电发电哈尔滨电机厂生产的交直流发电机发电哈尔滨电机厂生产的交直流发电机绪论汽轮发电机发电发电发电发电汽轮发电机发电绪论国产300MW汽轮发电机发电发电发电发电 国产300MW汽轮发电机发电绪论国产200MW汽轮发电机定子发电发电发电发电国产200MW汽轮发电机定子发电绪论水轮发电机发电发电发电发电水轮发电机发电绪论现场运行的水轮发电机发电发电发电发电现场运行的水轮发电机发电绪论汽车发电机柴油发电机组发电发电发电发电汽车发电机柴油发电机组发电绪论20kV/500kV(220kV)500kV(220kV)/110kV 110kV/35kV 35kV/10kV 10kV/380V输配电环节。为把发电厂的电力输送到四面八方用户，需将发电机输出的20kV左右的电压升高。在我国，一般升高到220kV或500kV。为了输送一定大小的功率，采用高电压，甚至特高压。变压器变压器变压器变压器20kV/500kV(220kV)输配电环节。为把发电厂的电绪论连接发电机与电网的升压变压器连接发电机的封闭母线与电网相连的高压出线端连接发电机与电网的升压变压器连接发电机的封闭母线与电网相连的绪论电力变压器电力变压器绪论我国目前实际应用情况我国目前实际应用情况 汽发：主流机型600MW 700MW水发,三峡电站 500kV输电线路以及相应的变压器 500kV直流输电，西电东送运行中 400MW燃气轮机联合循环机组 引进建设 600MW核电机组 各种电动汽车我国目前实际应用情况 汽发：主流机型600MW 700绪论若按功能进行分类，可分为：发电机，电动机，变压器，控制电机。（1）发电机：将机械能转化为电能；（2）电动机：将电能转化为机械能；（3）变压器：将电能变换为不同电压等级的电能；（4）控制电机：作为控制系统中的元件。如测速发电机、自整角机等。三、电机的分类三、电机的分类 若按功能进行分类，可分为：发电机，电动机，变压器，控制电机。绪论电机静止电机-变压器直线电机旋转电机直流电机交流电机控制电机感应电机同步电机直线感应电机直线同步电机特种电机超声波电机静电电机仿生电机三、电机的分类三、电机的分类 按结构及励磁分类：电机静止电机-变压器直线电机旋转电机直流电机交流电机控制电绪论感应电机同步电机感应电机同步电机绪论四、电机发展趋势 超大型电机 超微型电机 超高速电机 特低速电机单台电动机功率1600千瓦；向家坝水电站单台发电机80万千瓦直径比头发还细，仅有70微米，主要用于医疗超高速离心机一般都采用先进的无刷电机，转速高达3万转每分钟中科院国家天文台研制的大型天文望远镜驱动电机75天才转一周四、电机发展趋势 超大型电机 超微型电机 超高绪论五、当前研究、开发与创新热点 精确模型研究 新能源技术（核电，太阳能发电、风力发电，波浪发电，高速“电、热、冷”三联供机组）机电一体化(电机、电力电子与微电子结合)特殊新用途（电磁发射，纳米电机）永磁无刷电动机 电机系统节能技术五、当前研究、开发与创新热点 精确模型研究 新能源技术绪论新能源技术-核能发电在建和规划中的：u广东阳江核电站,u浙江南部的三门核电站u辽宁红沿河核电站u浙江嘉兴的秦山核电站u广东深圳的大亚湾核电站u江苏连云港的田湾核电站u广东大亚湾的岭澳核电站 新能源技术-核能发电在建和规划中的：浙江嘉兴的秦山核绪论新能源技术-太阳能发电 新能源技术-太阳能发电绪论新能源技术-风力发电江苏如东风力发电场湖北九宫山风电场 新能源技术-风力发电江苏如东风力发电场 湖北九宫山风绪论波浪能电站外景波浪能电站内景新能源技术-波浪发电波浪能电站外景 波浪能电站内景 新能源技术-波浪发电绪论压气机压气机燃气轮机燃气轮机发电机发电机排气利用型冷温水机排气利用型冷温水机燃料室燃料室电力负荷电力负荷采暖负荷采暖负荷制冷负荷制冷负荷进进气气排气排气进气进气热水负荷热水负荷新能源技术-高速“电、热、冷”三联供机组压气机燃气轮机发电机排气利用型冷温水机燃料室电力负荷采暖负荷绪论如果用正在发展的新型永磁无刷电动机代替普通电动机,效果如下：电冰箱：1000万台/年，电量少15%洗衣机：1100万台，噪音降低10分贝，节省电能50%，节水20%永磁无刷电机技术氢能燃料电池汽车是未来汽车的发展方向，其核心驱动装置依然是永磁无刷电机 如果用正在发展的新型永磁无刷电动机代替普通电动机,效果如下：绪论精密直线电机特种电机技术上海磁悬浮（直线电机驱动）精密直线电机 特种电机技术上海磁悬浮（直线电机驱动）绪论电机系统节能技术体现在两个方面：电机本身节能，与之匹配的系统节能。电机应用普遍，量大面广，是用电耗能大户，也是最具节能潜力的产业，是国家节能减排的重要对象。2008年IEC发布的IEC60034-30单速三相笼型感应电动机的能效分级标准指出：提高电机系统的效率是节能工程关注的重点，通过系统优化其节能潜力可达3060 电机系统节能技术体现在两个方面：电机本身节能，与之匹配的系绪论电机系统节能技术 截止2008年底，我国电动机总装机容量为12亿千瓦以上，占总用电量的60以上，约用电2.06万亿千瓦时，折合标煤831亿吨以上。但我国电机系统运行效率比国外先进水平低2530，如果能改造现有电机系统的一半，使之平均提高运行效率25，与2008年统计比，则可年节约用电2575亿千瓦时以上，折合标煤104亿吨以上，还将节约建电站的投资和相应配套设施的投资，大大减少温室气体排放。电机系统节能技术 截止2008年底，我国电动机总装机容量为绪论五、我校电机与电器学科研究情况电机与电器省级重点学科“直线电机与现代驱动”省级创新型科技团队已完成国家自然科学基金2项，省级各类基金20项 目前在研课题：国家自然科学基金1项 国际合作项目2项（香港ASM公司、南非）省自然科学基金、重大攻关、杰出人才基金10项 校级博士基金、青年基金5项 经费总额度480万元。五、我校电机与电器学科研究情况电机与电器省级重点学科 绪论HPU永磁直线电机驱动的水平运输系统HPU永磁直线电机驱动的水平运输系统绪论直线同步电机直线同步电机驱动的无绳提升系统直线同步电机直线同步电机驱动的无绳提升系统绪论电机学-绪论课件绪论0.3 0.3 本课程主要任务本课程主要任务课程主要内容：课程主要内容：变压器变压器 直流电机直流电机 感应电机感应电机 同步电机同步电机学习方法学习方法:积极思考，多做练习积极思考，多做练习 前后关联，掌握体系前后关联，掌握体系 联系实际，创新设计联系实际，创新设计0.3 本课程主要任务课程主要内容：变压器学习方法:绪论本章结束！本章结束！