《電磁場與電機(jī)》課件

電磁場與電機(jī)探索電磁理論與電機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識課程目標(biāo)和學(xué)習(xí)成果掌握電磁場基本理論理解靜電場、磁場及時變電磁場的基本規(guī)律熟悉電機(jī)工作原理掌握各類電機(jī)的結(jié)構(gòu)、特性及應(yīng)用培養(yǎng)工程實踐能力第一部分：電磁場基礎(chǔ)1靜電場理論電荷與電場、高斯定理2恒定電場電流與電流密度、歐姆定律3靜磁場理論磁場基本概念、安培定律4時變電磁場電磁感應(yīng)、麥克斯韋方程組電荷與電場電荷的基本性質(zhì)正負(fù)電荷、庫侖力、電荷守恒電場強(qiáng)度矢量量、單位：牛/庫、點電荷電場電場線電場線表示方法、電場線特性靜電場的基本定律庫侖定律F=k·q?q?/r2電場強(qiáng)度E=F/q=k·Q/r2電場疊加原理多個電荷產(chǎn)生的合成電場高斯定理及其應(yīng)用電通量概念電場線穿過面積的度量1高斯定理表述∮E·dS=Q/ε?2高斯面選擇利用對稱性簡化計算3經(jīng)典應(yīng)用球、圓柱、平板電場求解4電位與電勢電勢能電荷在電場中具有的勢能W=qV電勢單位電荷的電勢能V=W/q電勢梯度電場強(qiáng)度與電勢關(guān)系E=-?V靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)導(dǎo)體特性靜電平衡、表面電荷、等勢體電介質(zhì)極化位移、極化強(qiáng)度、電導(dǎo)率邊界條件電場切向分量、法向分量變化規(guī)律靜電場的邊值問題1邊值問題定義在給定邊界條件下求解場分布2唯一性定理邊界條件確定，解唯一3解法技術(shù)分離變量法、鏡像法、數(shù)值方法4應(yīng)用實例電容器場分布、屏蔽效應(yīng)分析靜電場的能量與力1/2能量因子靜電場能量計算中的系數(shù)CV2電容器能量儲存在電容器中的能量公式ε?E2/2能量密度單位體積中存儲的靜電能恒定電流與電流密度電流定義單位時間通過的電荷量電流密度單位面積上的電流，矢量量電流連續(xù)性方程描述電荷守恒的微分方程歐姆定律與焦耳定律第二部分：磁場理論磁場基本概念磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁通量磁場定律畢奧-薩伐爾定律、安培環(huán)路定理磁性材料磁化強(qiáng)度、磁導(dǎo)率、磁滯現(xiàn)象磁場能量磁場能量密度、自感、互感磁場的基本概念磁感應(yīng)強(qiáng)度B-單位：特斯拉(T)描述磁場強(qiáng)弱的物理量磁通量Φ=∫B·dS-單位：韋伯(Wb)穿過面積的磁感線數(shù)量磁場線表示磁場方向的曲線閉合曲線，無起點終點畢奧-薩伐爾定律直線電流圓環(huán)電流螺線管弧形導(dǎo)線其他形狀安培環(huán)路定理定理表述∮H·dl=I安培環(huán)路選擇利用對稱性選擇閉合路徑磁場計算求解各種對稱結(jié)構(gòu)的磁場分布驗證應(yīng)用無限長直導(dǎo)線、螺線管磁場磁矢勢與磁標(biāo)勢1磁矢勢A-描述磁場的輔助量2磁標(biāo)勢Um-適用于無電流區(qū)域3邊界條件界面處磁場連續(xù)性條件磁場中的物質(zhì)順磁性物質(zhì)微弱增強(qiáng)磁場，相對磁導(dǎo)率略大于1抗磁性物質(zhì)微弱減弱磁場，相對磁導(dǎo)率略小于1鐵磁性物質(zhì)顯著增強(qiáng)磁場，相對磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于1超導(dǎo)體完全排斥磁場，邁斯納效應(yīng)磁化與磁路磁化過程磁疇重排、磁矩定向磁路分析類比電路、磁阻概念工程應(yīng)用變壓器鐵芯、電機(jī)定轉(zhuǎn)子磁場的能量與力LI2/2磁場能量儲存在電感中的能量B2/2μ?能量密度單位體積中的磁場能量F=ILBsinθ洛倫茲力電流在磁場中受到的力第三部分：時變電磁場1電磁感應(yīng)法拉第定律、楞次定律2位移電流麥克斯韋補(bǔ)充電流概念3麥克斯韋方程組統(tǒng)一描述電磁現(xiàn)象的方程組4電磁波波動方程、傳播特性法拉第電磁感應(yīng)定律磁通變化磁通隨時間變化1感應(yīng)電動勢ε=-dΦ/dt楞次定律感應(yīng)電流方向阻礙磁通變化應(yīng)用實例發(fā)電機(jī)、變壓器、電磁制動位移電流位移電流定義Id=ε?·dE/dt變化電場產(chǎn)生的"電流"麥克斯韋創(chuàng)新完善安培環(huán)路定理電磁理論對稱性物理意義傳導(dǎo)電流中斷處的連接電磁波理論基礎(chǔ)麥克斯韋方程組?·D=ρ高斯電場定律?·B=0高斯磁場定律?×E=-?B/?t法拉第電磁感應(yīng)定律?×H=J+?D/?t安培-麥克斯韋定律電磁波方程波動方程推導(dǎo)從麥克斯韋方程組出發(fā)方程形式?2E=με·?2E/?t2波速計算v=1/√(με)波動性質(zhì)橫波、E⊥B⊥傳播方向平面電磁波的傳播特性波長與頻率λ=v/f=c/f√(ε?μ?)波速v=c/√(ε?μ?)波阻抗Z=E/H=√(μ/ε)能量傳輸坡印廷矢量S=E×H電磁波的反射與折射1界面條件電磁場邊界連續(xù)性條件2反射定律入射角等于反射角3折射定律斯涅爾定律n?sinθ?=n?sinθ?4反射系數(shù)描述反射波與入射波的比值第四部分：電機(jī)原理基本概念電能-機(jī)械能轉(zhuǎn)換裝置工作原理基于電磁感應(yīng)與電磁力主要類型直流電機(jī)、同步電機(jī)、異步電機(jī)應(yīng)用分析特性曲線、效率、控制方法電機(jī)的基本概念與分類按電源分類直流電機(jī)、交流電機(jī)1按工作原理電磁式、靜電式、壓電式2按運動方式旋轉(zhuǎn)電機(jī)、直線電機(jī)3按用途牽引電機(jī)、伺服電機(jī)、家用電機(jī)4電機(jī)的工作原理電能轉(zhuǎn)換輸入電能轉(zhuǎn)為機(jī)械能基于電磁理論電磁力作用安培力F=BIL磁場中導(dǎo)體受力轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生T=F×r力與半徑的矢量積直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理定子主磁極、換向極、磁路轉(zhuǎn)子電樞繞組、換向器、軸承換向系統(tǒng)換向器片、電刷、壓力彈簧直流電機(jī)的特性與應(yīng)用電樞電流轉(zhuǎn)矩效率交流電機(jī)的分類同步電機(jī)轉(zhuǎn)速與電源頻率同步異步電機(jī)轉(zhuǎn)速與電源頻率不同步單相電機(jī)單相電源供電，家用設(shè)備常見同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理定子結(jié)構(gòu)三相繞組、鐵芯槽、冷卻系統(tǒng)轉(zhuǎn)子類型凸極轉(zhuǎn)子、隱極轉(zhuǎn)子勵磁系統(tǒng)直流勵磁、無刷勵磁同步原理轉(zhuǎn)子磁場與定子旋轉(zhuǎn)磁場鎖定同步電機(jī)的特性與應(yīng)用V曲線不同勵磁電流下的功率因數(shù)變化過勵磁：感性負(fù)載補(bǔ)償功率特性功率角特性P=3UIcosφ最大功率傳輸穩(wěn)定條件主要應(yīng)用大型發(fā)電機(jī)需精確速度控制場合無功功率補(bǔ)償設(shè)備異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理異步電機(jī)的特性與應(yīng)用轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性起動轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)差率s=(ns-n)/ns，反映負(fù)載情況廣泛應(yīng)用工業(yè)設(shè)備動力、風(fēng)機(jī)水泵、家用電器調(diào)速方法變頻調(diào)速、極對數(shù)變換、轉(zhuǎn)子變阻第五部分：電機(jī)中的電磁場分析1磁場特征分析空間分布、時間變化規(guī)律2繞組與磁勢磁動勢波形、諧波分析3氣隙磁場計算解析方法、數(shù)值計算4電磁力與損耗轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生、鐵損銅損電機(jī)磁場的基本特征空間分布徑向分量、切向分量周期性變化時間變化交變磁場、旋轉(zhuǎn)磁場頻率特性諧波成分基波、高次諧波諧波影響分析電機(jī)繞組與磁勢分布繞組布置集中繞組、分布繞組磁勢波形階梯波、正弦波近似2諧波分析傅里葉分解、諧波次數(shù)繞組因數(shù)分布因數(shù)、短距因數(shù)4氣隙磁場分析電機(jī)中的電磁力與轉(zhuǎn)矩電磁力產(chǎn)生F=BIL磁場與電流相互作用轉(zhuǎn)矩計算T=Fr麥克斯韋應(yīng)力張量法轉(zhuǎn)矩波動齒槽轉(zhuǎn)矩諧波轉(zhuǎn)矩脈動轉(zhuǎn)矩電機(jī)損耗與效率3-5%鐵損磁滯損耗、渦流損耗2-3%銅損繞組電阻損耗1-2%機(jī)械損耗軸承摩擦、風(fēng)阻損耗85-95%總效率輸出功率/輸入功率電機(jī)熱分析基礎(chǔ)熱源各類損耗轉(zhuǎn)化為熱能散熱途徑對流、傳導(dǎo)、輻射溫升計算熱等效電路模型熱保護(hù)冷卻系統(tǒng)、溫度監(jiān)測第六部分：電機(jī)設(shè)計與優(yōu)化設(shè)計規(guī)范確定要求、技術(shù)指標(biāo)參數(shù)計算主尺寸、繞組設(shè)計性能分析特性預(yù)測、電磁場計算優(yōu)化方案多目標(biāo)優(yōu)化、靈敏度分析電機(jī)設(shè)計的基本步驟需求分析功率、轉(zhuǎn)速、電源、工作環(huán)境主尺寸確定D2L計算、電磁負(fù)荷選擇結(jié)構(gòu)設(shè)計繞組設(shè)計、磁路設(shè)計、冷卻系統(tǒng)驗證與修正性能計算、熱分析、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度電機(jī)參數(shù)計算方法電磁參數(shù)電感、電阻、反電動勢系數(shù)等效電路T型等效電路、參數(shù)測定方法機(jī)械參數(shù)轉(zhuǎn)動慣量、阻尼系數(shù)、摩擦因數(shù)熱參數(shù)熱阻、熱容、溫度系數(shù)電機(jī)性能預(yù)測效率功率因數(shù)溫升電機(jī)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)優(yōu)化目標(biāo)高效率、低成本、小體積、低噪聲優(yōu)化變量幾何尺寸、材料特性、繞組參數(shù)優(yōu)化算法遺傳算法、粒子群優(yōu)化、模擬退火約束條件溫升限制、起動性能、制造工藝電機(jī)仿真分析軟件介紹AnsysMaxwell電磁場有限元分析Flux多物理場耦合仿真Motor-CAD電機(jī)快速設(shè)計與熱分析第七部分：特種電機(jī)與新型電機(jī)永磁電機(jī)原理與特點工作原理永磁體提供勵磁磁場無需勵磁繞組永磁材料釤鈷、釹鐵硼、鐵氧體剩磁、矯頑力、最大磁能積優(yōu)缺點分析優(yōu)點：高效率、高功率密度缺點：成本高、退磁風(fēng)險開關(guān)磁阻電機(jī)1結(jié)構(gòu)特點雙凸極結(jié)構(gòu)、簡單繞組工作原理基于磁阻變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩應(yīng)用優(yōu)勢結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、寬調(diào)速范圍無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)特點永磁轉(zhuǎn)子、多相定子繞組電子換向電子開關(guān)代替機(jī)械換向器控制方式位置傳感器反饋、無傳感器控制性能優(yōu)勢高效率、長壽命、低噪聲線性電機(jī)基本原理旋轉(zhuǎn)電機(jī)展開的平面形式直接產(chǎn)生線性運動主要類型同步線性電機(jī)異步線性電機(jī)開關(guān)磁阻線性電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域磁懸浮列車、精密定位高速電梯、自動化生產(chǎn)線超導(dǎo)電機(jī)0Ω零電阻超導(dǎo)態(tài)下無電阻損耗-196°C臨界溫度高溫超導(dǎo)體工作溫度5-10×功率密度增益比常規(guī)電機(jī)高5-10倍99%+理論效率理論效率可超過99%第八部分：電機(jī)控制基礎(chǔ)1傳統(tǒng)控制改變電源、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電路2變頻調(diào)速PWM技術(shù)、V/f控制3矢量控制轉(zhuǎn)子磁場定向控制4智能控制模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電機(jī)調(diào)速原理電機(jī)類型調(diào)速參數(shù)調(diào)速范圍直流電機(jī)電樞電