电机与电气控制技术教案

第 1、2 课时

课题:

电磁学基础知识

教学目的和要求:

补充了解磁场的基本物理量以及铁磁材料的性质和磁路欧姆定律，掌握交流铁心线圈电路中的电磁关系并了解其功率损耗情况。

重点与难点:

掌握铁磁材料的性质、交流铁心线圈电路中的电磁关系及其功率损耗。

教学方法:

绘图说明，简单推正，结论分析，应用介绍，案例教学。

预复习任务:

复习前期学的《电工技术基础》相关知识。

一、磁路的基本物理量

磁场可由电流产生，用磁感线来描述。磁场的强弱可用磁感线的疏密程度来表示。磁感线可以看成是无头无尾的闭合曲线。

1)磁感线的回转方向和电流方向之间的关系遵守右手螺旋法则。

2)磁感线总是闭合的，既无起点，也无终点。

3)磁场中的磁感线不会相交，因为磁场中每一点的磁感应强度的方向都是确定的、唯一的。

1.磁通Ф

磁场中穿过某一截面积A的总磁线数称为通过该面积的磁通量，简称磁通Ф，单位WB。

磁场中穿过某一截面积A的总磁线数称为通过该面积的磁通量，简称磁通Ф，单位WB。

当线圈中通以电流后，大部分磁感线沿铁心、衔铁和工作气隙构成回路，这部分磁通称为主磁通；还有一部分磁通，没有经过气隙和衔铁，而是经空气自成回路，这部分磁通称为漏磁通。

磁通经过的闭合路径叫磁路。磁路和电路一样，分为有分支磁路和无分支磁路两种类型。

2．磁感应强度B

描述磁介质中实际的磁场强弱和方向的物理量，是矢量，用B表示。均匀磁场中，若通过与磁感线垂直的某面积A的磁通为Ф，则

B = Ф/ A

所以磁感应强度也称磁通密度，单位T

3．磁场强度H

是进行磁场计算时引进的一个物理量，电流产生磁场外，介质被磁化后还会产生附加磁场。单位安每米。

H代表电流本身产生的磁场的强弱，反映了电流的励磁能力，大小只与该电流的大小成正比，与介质的性质无关；

B代表电流所产生的以及介质被磁化所产生的总磁场的强弱，其大小不仅与电流的大小有关，还与介质的性质有关。

4．磁导率μ

磁感应强度B与磁场强度H之比，是衡量物质导磁能力的物理量。

μ = B / H

μ为导磁物质的磁导率。真空的磁导率为。铁磁材料的，例如铸钢的μ约为的1000 倍，各种硅钢片的μ约为的6000～7000 倍。

5．磁场储能

磁场能够储存能量，这些能量是在磁场建立过程中由其他能源的能量转换而来的。电机就是借助磁场储能来实现机电能量转换的。

二、磁性材料的性质

1．高导磁性

磁性物质的内部存在着很多很小的区域，称为“磁畴”，磁化前，无外磁场的作用，杂乱无章地排列，磁场互相抵消，对外界不显示磁性。

若将铁磁材料放入磁场，在外磁场的作用下，磁畴的轴线趋于一致，形成一个附加磁场，叠加在外磁场上，从而使合成磁场大为增强。

变压器和电机中的磁场是由通过线圈的电流来产生，这些线圈都是绕在磁性物质（称为铁心）上的。采用铁心后，在同样的电流下，铁心中的磁感应强度B和磁通Ф将大为增加，且比铁心外的B和Ф大很多，一方面可用较小的电流产生较强的磁场，另一方面可使绝大部分磁通集中在由磁性材料限定的空间内。

m

A/

μ

μ>>

μ

μ

μ

2．磁饱和性

如上图中：oa 段，外磁场H 较弱，H 的增加主要是与外磁场同方向的磁畴边界增大的过程，B 的增加缓慢；ab 段，外磁场H 较强，主要是磁畴沿外磁场的方向转动的过程，B 迅速增大；bc 段，可随外磁场方向转动的磁畴越来越少，H 的增加变慢，出现了磁饱和现象；cd 段，类似于真空中的情况。 3．磁滞性

磁性材料都具有保留其磁性的倾向，B 的变化总是滞后于H 的变化，称磁滞现象。当H 降为零时，保留的磁感应强度Br 称为剩磁强度，永久磁铁的磁性就是由Br 产生的。

三、磁路的欧姆定律

正如电动势作用在一定电阻的电路上产生的电流遵循欧姆定律一样，一定的磁动势作用在一定磁阻的磁路上可以产生磁通。磁通的大小同样遵循磁路的欧姆定律。

当磁路中有空气隙存在，磁路的磁阻Rm 将显著增加。 四、铁心损耗 1．磁滞损耗Ph

磁性材料被交变磁化时，磁畴之间相互摩擦，要消耗能量，对应的功率损耗 Ph = K h fB m α

V

式中α与材料的性质有关，电工钢的α为1.6——2.3，V 为铁心体积 2．涡流损耗Pe

磁性材料不仅是导磁材料，又是导电材料。在交变磁场作用下，铁心是也会产生感应电动势，从而在垂直于磁通方向的铁心平面内产生旋涡状的感应电流表，称涡流。涡流在铁心电阻上的功率损耗称涡流损耗。

H

B Br Hc 0

1

2

3

m

F R Φ=

Pe = K e d2f2B m2V

式中d为钢片厚度

第 3、4 课时

课题:

变压器的工作原理和结构

教学目的和要求:

变压器的一种机电能量转换或信号转换的电磁机械装置。要求根据电磁感应原理掌握变压器的工作原理、电力变压器的基本结构、电力变压器额定值的计算、了解电力变压器的型号及主要系列。

重点与难点:

重点是变压器的工作原理、电力变压器的额定值的计算。

难点是变压器的工作原理、电力变压器的结构。

教学方法:

以变压器的广泛应用为切入点，以图片和实物为依托，说明其工作原理。绘图说明，简单推正，结论分析，应用介绍。

预复习任务:

完成课后作业

● 变压器：是一种静止的电气设备。它是根据电磁感应的原理，将某一等级的交流电压和电流转换

成同频率的另一等级电压和电流的设备。 ● 作用：变换交流电压、变换交流电流和变换阻抗。

一、变压器的基本工作原理

变压器是在一个闭合的铁心磁路中，套上两个相互独立的、绝缘的绕组，这两个绕组之间只有磁的耦合，没有电的联系，如图1-1所示。

一次绕组（也称原绕组或初级绕组）：接交流电源；其匝数为N1；

二次绕组（也称副绕组或次级绕组）：接负载；其匝数为N 2。

当在一次绕组中加上交流电压u 1时在一、二次绕组中其感应电动势瞬时值分别为

dt

d N

e φ

1

1-= dt d N e φ

2

2-= 212121N N E E e e == （1-1） 二、变压器的应用与分类

1.变压器的应用：变压器能够变换交变电压、变换交变电流、变换阻抗。

2.变压器的种类按用途不同主要分为：

l ）电力变压器：供输配电系统中升压或降压用。

2）特殊变压器：如电炉变压器、电焊变压器和整流变压器等。 3）仅用互感器：如电压互感器与电流互感器。 4）试验变压器：高压试验用。 5）控制用变压器：控制线路中使用。 6）调压器：用来调节电压。 三、电力变压器的基本结构

电力变压器主要由铁心、绕组、绝缘套管、油箱及附件等部分组成。以油浸式电力变压器为例其基本结构如图1－2所示。

1.铁心