1、电工电子技术项目化教程电工电子技术项目化教程项目3 磁路与电机任务任务3.1 3.1 磁路与变压器磁路与变压器任务任务3.2 3.2 电机电机任务任务3.1 3.1 磁路与变压器磁路与变压器一、任务引入一、任务引入任务任务3.1 磁路与变压器磁路与变压器 随着我国工业的不断发展，电磁吸盘在工业生产中的使用越来越广泛，电磁吸盘是一种利用电磁原理，通过使内部线圈通电产生磁力，经过导磁面板，将接触在面板表面的工件紧紧吸住，线圈断电，磁力消失实现退磁，取下工件的原理而生产的一种机床附件产品。电磁吸盘主要应用在磨床、FYMC系列电磁磨刀机、龙门铣床、龙门刨床等铁质工件加工时的工件固定。矩形电磁吸盘系平面
2、磨床或铣床的磁力工作台，用以吸附各类导磁工件，实现工件的定位和磨削加工，如图3-1所示。该系列吸盘吸力均匀，定位可靠，操作方便，可直接安装在平面磨床或铣床上使用，是一种理想的磁力夹具。矩形电磁吸盘两侧有吊装螺孔，如图3-2所示，在安装时拧入T形螺钉即可吊装，接通机床上的直流电源和地线，然后将吸盘上平面精磨一次，以保证上平面对底面的平行度。在吸附工件时，只要搭接相邻的两个磁极，可获得足够的定位吸力，即可进行磨削加工。任务任务3.1 3.1 磁路与变压器磁路与变压器图3-1 平面磨床 图3-2 磨床上的矩形电磁铁任务任务3.1 3.1 磁路与变压器磁路与变压器二、教学目标二、教学目标知识目标：知识
3、目标：了解磁路的概念与磁路欧姆定律；理解铁磁材料的性能；掌握变压器的结构和作用。能力目标：能力目标：能够根据磁路欧姆定律分析简单的磁路；能够识别变压器的铭牌数据；能够正确应用变压器的变压、变流、变阻抗作用。素质目标素质目标:培养独立思考，勇于探索的精神和能力；培养分析问题和解决问题的能力。任务任务3.1 3.1 磁路与变压器磁路与变压器三、相关知识三、相关知识（一）磁路基本知识（一）磁路基本知识 在电工设备中，常采用导磁性能良好的铁磁材料做成一定形状的铁芯，给绕在铁芯上的线圈通以较小的电流，就会在铁芯中产生很强的磁场。铁磁材料的磁路如图3-3所示。常用于描述磁场的物理量有以下几个：图3-3 铁
4、磁材料的理想磁路 磁感应强度B：在磁场中垂直于磁场方向的通电导线所受电磁力F与电流I和导线有效长度L乘积的比值,即为该处的磁感应强度。)/(ILFB 磁通?：磁感应强度和与它垂直方向的某一截面积S的乘积，称为通过该面积的磁通BS 任务任务3.1 3.1 磁路与变压器磁路与变压器HB 磁场强度H：计算导磁物质中的磁场时，引入辅助物理量磁场强度H，它与磁感应强度B的关系为（二）磁路欧姆定律（二）磁路欧姆定律mRFSlNISlNI上式在形式上与电路的欧姆定律（I=E/R）相似，称为磁路欧姆定律。任务任务3.1 3.1 磁路与变压器磁路与变压器（三）铁磁材料（三）铁磁材料 根据导磁性能的不同，自然界的
5、物质可分为两大类：一类称为铁磁材料，如铁、钢、镍、钴及其合金和铁氧体等材料，这类材料的导磁性能好，磁导率很高；另一类为非铁磁材料，如铝、铜、纸、空气等，这类材料的导磁性能差，磁导率很低。非铁磁材料的相对磁导率大多接近于1，铁磁材料的相对磁导率可达几百、几千,甚至几万，是制造变压器、电机、电器等各种电工设备的主要材料。铁磁材料的磁性能主要包括高导磁性、磁饱和性和磁滞性。任务任务3.1 3.1 磁路与变压器磁路与变压器1.高导磁性高导磁性（a）磁化前 （b）磁化后图3-4 铁磁材料的磁化2.磁饱和性和磁滞性磁饱和性和磁滞性图3-5 磁化曲线图3-6 磁滞回线任务任务3.1 3.1 磁路与变压器磁路
6、与变压器4.功率损耗功率损耗 交流铁芯线圈电路中，除了在线圈电阻上有功率损耗外，铁芯中也会有功率损耗。线圈上损耗的功率称为铜损，铁芯中损耗的功率称为铁损。（四）变压器的基本结构（四）变压器的基本结构变压器虽然种类很多，形状不同，但基本结构相同，都是由铁芯和线圈组成。1.铁芯铁芯 铁芯构成变压器的磁路部分。变压器的铁芯大多用0.350.5 mm厚的硅钢片交错叠装而成，叠装之前，硅钢片上还需涂一层绝缘漆。交错叠装即将每层硅钢片的接缝错开，这样可以减小铁芯中的磁滞和涡流损耗。任务任务3.1 3.1 磁路与变压器磁路与变压器2.线圈线圈 线圈（绕组）是变压器的电路部分，绕组通常用绝缘的铜线或铝线绕制，
7、其中与电源相连的绕组称为原绕组（又称原边或初级）；与负载相连的绕组称为副绕组（又称副边或次级）。按铁芯和绕组的组合结构，通常把变压器分为芯式和壳式两种。图3-7 芯式变压器图 3-8 壳式变压器任务任务3.1 3.1 磁路与变压器磁路与变压器图3-9 变压器空载运行（五）变压器的作用（五）变压器的作用 图3-9是一台单相变压器的空载运行原理图。它有两个绕组，为了分析方便，将原绕组和副绕组分别画在两边，其中原绕组的匝数为N1，副绕组的匝数为N2。1.电压变换作用（变压器空载运行）电压变换作用（变压器空载运行）KNNNfNfEEUUmm21212120144.444.4 变压器空载运行时，原、副绕
8、组上电压的比值等于两者的匝数比，这个比值K称为变压器的变压比或变比。任务任务3.1 3.1 磁路与变压器磁路与变压器2.电流变换作用（变压器负载运行）电流变换作用（变压器负载运行）图3-10 变压器负载运行KNNII11221 负载运行时，其原绕组和副绕组电流有效值之比近似等于它们的匝数比的倒数，即变比的倒数，这就是变压器的电流变换作用。3.阻抗变换作用阻抗变换作用变压器电路 等效电路图3-11 变压器阻抗变换LLZKIUKIKKUIUZ222222111任务任务3.1 3.1 磁路与变压器磁路与变压器 变压器副边的负载阻抗 反映到变压器原边的等效阻抗是 ，即扩大 倍，这就是变压器的阻抗变换作
9、用。ZZKZL22K变压器的阻抗变换作用常应用于电子电路中。（六）变压器的额定数据（六）变压器的额定数据 每台变压器的上面都装有一块铭牌，上面标明该设备的型号、主要额定数据和使用方法等信息。1.变压器的型号变压器的型号任务任务3.1 3.1 磁路与变压器磁路与变压器）三绕组（双绕组不表示不表示）有载调压（无激励调压）铝绕组（铜绕组不表示特殊标注SZL油浸自冷式不表示强迫油导向循环强迫油循环水冷式风冷式；冷却方式DPSF示升压）位表示降压，在末位表自耦变压器（在型号首三相单相相数OSD）高压绕组的电压等级（kV）额定容量（kVA设计序号（下角标）任务任务3.1 3.1 磁路与变压器磁路与变压器2
10、.变压器的额定参数变压器的额定参数（1）额定电压：原边绕组上的额定电压规定了变压器原边应加的电源电压，当原边加额定电压、副边开路时的空载电压为副边的额定电压，对于三相变压器，额定电压是指线电压。（2）额定电流：指变压器在额定容量情况下，各绕组允许长期通过的线电流，单位为A。（3）额定容量：指变压器在额定工作条件下输出能力的保证值，是变压器的额定视在功率，为变压器副边绕组的额定电压和额定电流的乘积。由于双绕组变压器效率高，通常将原、副边的额定容量设计成相等的。（4）额定频率：我国规定额定频率50Hz。（5）短路电压：指一边绕组短路，另一边绕组中流过额定电流时所加的电压，一般以额定电压的百分数表示
11、。它反映了变压器在通过额定电流时的漏阻抗压降情况，所以也称为阻抗电压。任务任务3.1 3.1 磁路与变压器磁路与变压器四、知识拓展四、知识拓展 在汽车的汽油发动机中，气缸内的可燃混合气体是由高压电火花点燃的，用以产生电火花的设备就是发电机的点火系统，其中点火线圈是汽车点火系统中的一个组成部件，在汽车点火系统中与其它部件配合，将电源供给的低压转换为高压。（a）点火线圈结构图 （b）点火电路图3-13 开磁路点火线圈任务任务3.1 3.1 磁路与变压器磁路与变压器 传统的点火线圈内部结构和电路如图3-13所示，主要由铁芯、一次绕组、二次绕组、壳体及其附加电阻组成。点火线圈的铁芯导磁性能良好，用相互
12、绝缘的高导磁率硅钢片叠压而成，以减少涡流损耗。一次绕组通过的电流较大，导线较粗，圈数较少，二次绕组的导线较细，圈数较多。一次绕组通过电流较大，为了便于散热，将其分层绕在外侧，在一次绕组与外壳之间加有数层导磁钢套，用以减少磁路磁阻。传统的点火线圈的磁路上下部分是从空气中通过的，因此漏磁较多，这种点火线圈叫做开磁路点火线圈。与之相对的是闭磁路点火线圈，它的结构与开磁路点火线圈不同，在日字形的铁芯内，绕有一次绕组，在一次绕组外面绕有二次绕组，这种点火线圈漏磁少，能量转换效率高；点火线圈体积小，结构紧凑。任务任务3.2 3.2 电机电机一、任务引入一、任务引入任务任务3.2 电机电机 汽车上的车窗都是
13、由电机带动，自动升降，驾驶员或者乘客利用开关，控制车窗玻璃的升降，其操作简单，安全可靠。电动车窗系统由车窗、车窗玻璃升降器、电动机、继电器、开关等部分组成。所有车窗控制系统开关都有两套，一套通常安装在左前门上，为主开关，由司机控制每个车窗的升降；另一套分别装在每个车门中部，为分开关，可由乘客分别控制相应的车窗。动力部分主要由直流电动机提供，其外形如图3-14（a）所示。这种电动机的控制电路如图3-14（b）所示。当车窗向上移动时，触点2、4接通，电流流通路径为：电源正极124电机785接地端，电机正转；当车窗向下移动时，触点6、8接通，电流流通路径为：电源正极168电机435接地端，电机反转。
14、任务任务3.1 3.1 磁路与变压器磁路与变压器（a）车床电机外形图 （b）控制电路图图3-14 汽车电动车窗控制器任务任务3.2 3.2 电机电机二、教学目标二、教学目标知识目标：知识目标：掌握三相异步电动机的转动原理；了解三相异步电动机起动、调速、反转、制动方法；知道直流电机的结构和工作原理。能力目标：能力目标：能够使用三相异步电动机；能够使用直流电动机。素质目标素质目标:培养对实际问题进行抽象和分析的能力；强化科学的问题分析能力；增强独立思考，勇于探索的精神和能力。任务任务3.2 3.2 电机电机三、相关知识三、相关知识（一）三相异步电动机（一）三相异步电动机1.三相异步电动机的结构三相
15、异步电动机的结构 三相异步电动机的种类很多，但各类三相异步电动机的基本结构是相同的，它们都由定子和转子这两大基本部分组成，在定子和转子之间有一定的气隙，如图3-15所示。（1）定子：异步电机的定子部分包括定子铁芯和定子绕组。图3.15 三相异步电动机结构图任务任务3.2 3.2 电机电机定子铁芯：定子铁芯是电机主磁路的一部分，由两边都涂有绝缘漆、厚度为0.5mm或0.35mm的硅钢片冲槽叠装而成。定子绕组：定子绕组构成了电机的电路部分。三相绕组由三个彼此独立的绕组组成，每个绕组即为一相，每个绕组在空间上相差12O度。并根据要求可以接成星形或三角形。(a)星形连接 (b)三角形连接图3-16 定
16、子绕组的连接（2）转子：异步电机的转子也是由转子铁芯和转子绕组构成。（3）气隙：异步电机定子和转子之间的气隙很小，一般只有0.22mm，气隙的大小，对异步电机的运行性能影响很大，任务任务3.2 3.2 电机电机2.三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的工作原理（1）转动原理 三相异步电动机的定子铁心中放入三相定子绕 组，接入三相对称电源。空间相差120 角的三相绕组，通入对称三相电流时，产生的是一对磁极的旋转磁场，磁场的旋转方向与绕组中电流的相序一致。如果电流的相序为U-V-W-U，则旋转磁场为顺时针方向。如果改变流入三相绕组的电流相序,就能改变旋转磁场的旋转方向，三相异步电动机的旋转方向也
17、就跟着改变。图3-167 三相异步电动机的转动原理 把三相异步电动机的三根线任意调换两根与电源相接，电动机旋转方向反向。任务任务3.2 3.2 电机电机（2）转差率同步转速与转子的转速之差与同步转速之比，称为异步电动机的转差率11nnns0 s sN=0.01 0.053.三相异步电动机的起动三相异步电动机的起动 起动过程:电动机接通电源后，转速由零增至稳定运行状态的过程。任务任务3.2 3.2 电机电机起动转矩大起动电流小起动时间短 转子绕组的功率因数低，起动转矩不大。直接起动降压起动 起动电流是额定电流的6 7倍。任务任务3.2 3.2 电机电机4.三相异步电动机的调速三相异步电动机的调速
18、 所谓调速，是指人为改变电动机的转速，在现代工业生产中，需要电动机具有优良的调速性能。异步电动机的转速表达式为：)1(60)1(11spfsnn变频调速（笼型电动机）变极调速（笼型电动机）变转差率调速（绕线型电动机）任务任务3.2 3.2 电机电机5.三相异步电动机的制动三相异步电动机的制动能耗制动：制动时，切断电动机的交流电源，电动机两相定子绕组通入直流电。反接制动：通过改变定子绕组上所加电源的相序来实现。任务任务3.2 3.2 电机电机（三）（三）直流电动机直流电动机1.直流电动机的基本结构直流电动机的基本结构图3-18 直流电动机结构图任务任务3.2 3.2 电机电机（1）定子部分 定子
19、的作用是产生磁场和作为电机的机械支架。定子主要由主磁极、换向极、电刷装置、机座、端盖和轴承等部件组成。（2）转子部分 转子的作用是感应电动势并产生电磁转矩，以实现电能到机械能的转换。它包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等。2.直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理任务任务3.2 3.2 电机电机(a)导体ab在N极下 (b)导体cd在N极下图3-19 直流电动机工作原理图 若把电刷A，B接到直流电源上，电刷A接电源的正极，电刷B接电源的负极，此时在转子线圈中将有电流流过，两线圈边ab、cd将受到电磁力的作用。导体所受电磁力的方向用左手定则确定。在图3-19（a）的瞬间，导体ab受力方
20、向为从右向左，而导体cd受力方向为从左向右，该电磁力与转子半径的乘积为电磁转矩，该转矩的方向为逆时针，当电磁转矩大于阻力转矩时，线圈按逆时针方向旋转。任务任务3.2 3.2 电机电机 当转子旋转到图3-19（b）所示的位置时，导体cd受力方向变为从右向左；而导体ab受力方向变为从左向右，该转矩的方向仍为逆时针方向，线圈在此转矩作用下继续按逆时针方向旋转。3.直流电动机的励磁方式直流电动机的励磁方式(a)他励 (b)并励 (c)串励 (d)复励 图3-1820 直流电动机的励磁方式任务任务3.2 3.2 电机电机4.直流电动机的起动和反转直流电动机的起动和反转（1）他励直流电动机的起动 一般对直
21、流电动机的起动有如下要求：起动转矩足够大，以便带动负载，缩短起动时间；起动电流要限制在一定的范围内；起动设备操作方便，起动时间短，运行可靠，成本低廉。（2）他励直流电动机的反转通常直流电动机的反转实现方法有两种：改变励磁电流方向：保持电枢两端电压极性不变，将励磁绕组反接，使励磁电流反向，从而改变旋转方向。改变电枢电压极性：保持励磁绕组两端的电压极性不变，将电枢绕组反接，从而改变旋转方向。任务任务3.2 3.2 电机电机四、知识拓展四、知识拓展/Y（一）三相异步电动机的（一）三相异步电动机的 连接连接 星形接法就是把三相绕组的尾端连在一起，由三个首端去接电源，如图3-23（a）所示。三角形接法是
22、将一相绕组的首端与另一相的尾端相连，依次循环连接，形成一个三角形，再将三角形的顶点接电源，如图3-23（b）所示。(a)星型接线图 （b）三角型接线图图3-23 异步电动机星-三角接线图任务任务3.2 3.2 电机电机（二）三相异步电动机的正反转（二）三相异步电动机的正反转(a)正转接线图 （b）反转接线图图3-24 异步电动机正反转接线图将任意两根电源线对调任务任务3.2 3.2 电机电机五、技能训练五、技能训练1 1.万用表法判定电动机三相绕组的首尾万用表法判定电动机三相绕组的首尾 （1）将万用表选择欧姆档（1K或100档），用两表笔分别测量电动机的六个线头，电阻值趋近于零的两个线头为同相
23、绕组的两个线头。用同样的方法找出其它各相绕组的两个线头，并做好标记，假设编号为U1、U2、V1、V2、W1、W2。（2）将万用表的转换开关转到直流毫安档上，按图3-25接线。用手快速转动电动机的转子，如果万用表指针不动，则说明并接点同为三相绕组的首端和尾端，如图3-25（a）所示。如果万用表指针动了，说明有一相绕组的头尾反了，如图3-25（b）所示，应一相一相分别对调后重新试验，直到万用表指针不动为止。任务任务3.2 3.2 电机电机(a)(b)图3-235万用表法区分绕组头尾接线图任务任务3.2 3.2 电机电机2 2.绕组串联法判定电动机三相绕组的首尾绕组串联法判定电动机三相绕组的首尾图3-246 绕组串联法区分绕组头尾接线图 （1）将万用表的转换开关放在欧姆档上，利用万用表分出每相绕组的两个出线端。（2）按图3-26接线。将一相绕组接通36V交流电，另外两相绕组串联起来接上灯泡，如果灯泡发亮，说明相连两相绕组是头尾相连。如果灯泡不亮，则说明相连两相绕组不是头尾相连。这样，这两相绕组的头尾便确定了，然后，用同样的方法确定第三相绕组的头尾。
