第1讲电机与拖动基础-绪论

1、第第1讲讲电机与拖动基础电机与拖动基础绪论绪论 1.1 1.1 课程性质课程性质2.2 2.2 本课程常用的物理概念和定律本课程常用的物理概念和定律 2/32一、一、 课程简介课程简介2、相关课程、相关课程技术基础理论课兼有专业课的性质1、课程的性质、课程的性质* 电路（磁路）* 工程电磁场（大学物理中的电磁部分）* 机械动力学（刚体）3、电气工程及其自动化专业中本课程的地位、电气工程及其自动化专业中本课程的地位我校专业课设置考虑：（1）电气工程概论（2）电机与拖动基础（电机学）电机与拖动基础（电机学+电力拖动基础）电力拖动基础）（3）电力电子技术（4）工厂供电（5）电力系统自动化（6）继电保

2、护（7）电力系统分析（8）高电压技术一级学科：电气工程二级学科：l电机与电器l电力系统及其自动化电力系统及其自动化l高电压与绝缘技术l电力电子与电力传动l电工理论与新技术 一年级下一年级下二年级上二年级上二年级下二年级下三年级上三年级上三年级下三年级下四年级上四年级上电路电路1电路电路2数字电路数字电路单片机单片机电力电子技术电力电子技术模拟电子模拟电子自控原理自控原理电机与拖动基础电机与拖动基础微机原理微机原理电气工程概论电气工程概论工厂供电工厂供电继电保护继电保护电力系统自动电力系统自动化化PLC电力系统分析电力系统分析微分方程微分方程VC+DSP控制系统控制系统仿真仿真现代控制理论现代控

3、制理论高电压技术高电压技术电力系统自动化电力系统自动化基础基础专业外语专业外语3、电气工程及其自动化专业中本课程的地位、电气工程及其自动化专业中本课程的地位4、课程内容介绍、课程内容介绍5/326/32 1、胡虔生、胡虔生 电机学电机学. 中国电力出版社中国电力出版社 2、李发海、李发海 电机学电机学. 科学技术出版社科学技术出版社 3、许实章、许实章 电机学电机学 机械工业出版社机械工业出版社 4、 汤蕴汤蕴璆璆 电机学电机学 机械工业出版社机械工业出版社 李发海，王岩李发海，王岩. 电机与拖动基础电机与拖动基础. 清华大学出版社，清华大学出版社，2005。周士贵周士贵 F楼楼215 158

4、63393727公共邮箱：公共邮箱：密码：密码：dianqi1111二、二、 关于电机关于电机 根据电压等级约定俗成：通常将根据电压等级约定俗成：通常将500kV/330kV/220kV/110kV10kV500kV/330kV/220kV/110kV10kV称为称为电力电力（发电、（发电、变电、输电、配电）；变电、输电、配电）；380V380V称为称为动力用电动力用电；220/110V220/110V称为称为照明用电、设备用电照明用电、设备用电；50V50V以下，如以下，如36/24/15/12V36/24/15/12V称为称为安全（区）用电、控制用电安全（区）用电、控制用电；5/4.5/3

5、.3/3/1.5V 5/4.5/3.3/3/1.5V 称为称为小装置用电、（数字）集成电路用电、微电子用电小装置用电、（数字）集成电路用电、微电子用电。1、描述、描述电机（电机（Electric Machines）的定义1、描述、描述广义：实施电能生产、传输、使用和电能特性变换的机械和装置。实施电能生产、传输、使用和电能特性变换的机械和装置。狭义： 电机是基于电磁感应定律、电磁力定律（能进行电磁感应），由电机是基于电磁感应定律、电磁力定律（能进行电磁感应），由电路和磁路电路和磁路所构成，能进行所构成，能进行机电能量转换或信号变换机电能量转换或信号变换的电磁机械的电磁机械装置。装置。9/32按照

6、在应用中供电的电流种类分类：按照在应用中供电的电流种类分类：（1）直流电机 （2）交流电机按照原理和运动方式分类：按照原理和运动方式分类：（1）直流电机（没有固定的同步速度）（2）变压器（固定设备）（3）异步电机（转子速度与同步转速不一样）（4）同步电机（转子速度等于同步速度）按照在应用中的转换职能分类：按照在应用中的转换职能分类：（1）发电机（机械功率电功率）（2）电动机（电功率机械功率）（3）变压器、变流机、变频机、移相机（电功率电功率）2、分类、分类10/323、相关电机的图片、相关电机的图片使用中的变压器使用中的变压器水轮发电机水轮发电机电动机电动机汽轮发电机组汽轮发电机组从国外引进从

7、国外引进600MW汽轮发电机汽轮发电机12/32国产国产300MW汽轮发电机汽轮发电机13/32国产国产200MW汽轮发电机定子汽轮发电机定子14/32国产国产200MW汽轮发电机定子铁心汽轮发电机定子铁心15/32现场运行的水轮发电机现场运行的水轮发电机20/32三、三、 电机学中的基本概念电机学中的基本概念安培Ampere（1775-1836）：带电流导线会对其附近的磁性指南针产生力的作用。而且，发现磁场的强度正比于电流大小，磁场的方向取决于电流的流向。1、磁场、磁场 (运动电荷运动电荷或电流或电流周围的一种特殊物质周围的一种特殊物质)沿任意闭合磁路的磁场强度的线积分沿任意闭合磁路的磁场强

8、度的线积分 = 该闭合回路所环链的电流代数和。该闭合回路所环链的电流代数和。所谓“电生磁电生磁”。安培环路定律的一般形式（也叫全电流定律）：21/322、磁场、磁场 强度强度 H与电场量E相对应的一个描述磁场的物理量。E单位：N/C或V/m；H单位：A/m3、磁通密度、磁通密度B磁导率是与电导率相对应的一个物理量，是由材料通过磁场体现出来的，衡量了磁场通过材料的难易程度。B单位：W/m或T；单位：H/m同一个磁场的相同位置，放置不同材料时，磁通密度大小不同。它可以描述某种介质中的磁场的大小和方向，也称作磁感应强度磁感应强度，常用磁力线来表示大小和方向。22/324、磁通、磁通(或磁通量或磁通量

9、)穿过某一个截面S的磁感应强度的通量磁感应强度的通量。常用磁力线的条数表示，称作磁通量，简称磁通。单位：Wb 。5、铁磁材料的特性、铁磁材料的特性 （1）磁性材料： 自然界的物质按导磁能力的大小，或者说按磁化的特性，可分为磁性材磁性材与非非磁性材料磁性材料两大类。磁性材料又称为铁磁材料，主要有铁、镍、钴及其合金。SdSB23/32(2)磁导率 磁导率磁导率是用来衡世物质导磁能力的物理量。由实验测得真空的磁导率为:70410/Hm 它是一个常数。任何一种物质的磁导率与真空磁导率0 的比，称为该物质的相对磁导率r。 非磁性材料几乎不具有磁化特性，可近似为真空磁导率。 而铁磁材料的磁导率很高，可达数

10、百乃至数千至数万倍，具有可被强磁化的性能。 总之：总之：铁磁材料的磁导率要比非铁磁材料大得多。铁磁材料的磁导率要比非铁磁材料大得多。铁磁材料的磁导率铁磁材料的磁导率Fe不是常数。不是常数。考虑：为什么铁磁材料具有很高的导磁性能考虑：为什么铁磁材料具有很高的导磁性能? ?铁磁材料中的磁畴铁磁材料中的磁畴 铁磁物质之所以能被磁化。是因为它们内部存在磁畴。当没有外磁场铁磁物质之所以能被磁化。是因为它们内部存在磁畴。当没有外磁场存在时。各个磁畴排列混乱，磁场相互抵消，对外不显示磁性。一旦有存在时。各个磁畴排列混乱，磁场相互抵消，对外不显示磁性。一旦有了外磁场，磁畴将按外磁场方向排列，外磁场越强，排列越

11、齐，这样便了外磁场，磁畴将按外磁场方向排列，外磁场越强，排列越齐，这样便产生了与外磁场同方向的磁场，使铁磁物质内部的磁感应强度大大增强，产生了与外磁场同方向的磁场，使铁磁物质内部的磁感应强度大大增强，即铁磁物质被强烈磁化了。即铁磁物质被强烈磁化了。25/32 铁磁物质的磁化磁场，不会随外磁场的增强而无限地增强，当外磁场增大到一定值时，磁性不在增强时，磁化磁场的磁感应强B便达到饱和值。 如图磁化曲线B=f（H），磁化曲线0a段段，外磁场较弱，主要是与外磁场同方向的嵫畴边界增大的过程，B增加缓慢。在ab段段，外磁场H较强，主要是磁畴沿外磁场方向的转动过程、B迅速增大。在bc段段，外磁场增大时，能够

12、沿外磁场方向转动的磁畴越来越少了B的增加逐渐变慢，出现磁饱和现象，c点点为饱和点为饱和点。 铁磁材料的磁感应强度B随外磁场强度H的变化曲线、称为磁化曲线磁化曲线。(3)磁饱和性26/32 虽然磁通与B成正比，产生磁通的励磁电流I与H成正比，但铁磁物质的B与H不成正比因此与I也不成正比 显然，铁磁材料的B 和H不成正比，因此其磁导率磁导率= =B/H不是常数不是常数，随H的变化而变化。 当铁磁物质被反复磁化时，上升磁化曲线与下降磁化曲线不重合，这种现象称为磁磁滞滞，即磁化过程是不可逆磁化过程是不可逆。用测量方法求取磁化曲线时，实际上得到的是磁滞回线。 在磁滞回线上，当H下降到零时，B不是零,而是

13、Br，称剩余磁感应强度，又称剩剩磁磁；而对应B等于零时的HC称为矫顽力矫顽力。(4) 磁滞特性27/326、各物理量之间的关系、各物理量之间的关系R、P分别为磁路的磁阻和磁导，由于非线性，故磁导和磁阻也非线性。磁动势F、磁通、磁导P的关系称为磁路的欧姆定律。四、四、 电机学中的基本定律电机学中的基本定律1、电路、电路（1）KCL（基尔霍夫电流定律）（基尔霍夫电流定律）（2）KVL（基尔霍夫电压定律）（基尔霍夫电压定律）mktidanJ10)(mktuldE10)(（3）欧姆定律）欧姆定律AlIUR2、磁路、磁路（1）高斯定律（磁通连续性）高斯定律（磁通连续性）（2）安培环路定律）安培环路定律0

14、kdanBmkkFFldH10（3）磁阻（欧姆定律）磁阻（欧姆定律）AgF30/327、电磁感应定律（磁生电）、电磁感应定律（磁生电）（1） 磁链该线圈的 磁链：（2）定律描述：当该线圈中的磁链发生变化时，线圈中将有感应电动势产生。（3）感应电动势大小和方向的确定（楞次定律楞次定律）：a）感应电动势的大小与线圈所匝链的磁链的变化率成正比；b）其方向，将倾向于产生一电流，如电流能流通，该电流的磁化作用将阻止线圈的磁链发生变化。若电流的正方向与磁通的正方向符合右手螺旋定则右手螺旋定则：31/32（4）两种磁链变化形式和两种电动势a）磁通本身随时间变化，产生的电动势称为变压器电动势；b）磁通恒定，线

15、圈与磁场间有相对运动，产生的电动势称为运动电动势（或切割电动势）。该电动势的方向可由右手定则右手定则来判定。32/328、电磁力和电磁转矩（、电磁力和电磁转矩（“电磁电磁”生生“力力”）（1） 电磁力（安培力） 位于磁场中的导体，在外力F作用下以速度v运动，导体在磁场中切割磁力线，导体中产生感应电动势。若导体外接至适当负载电阻构成闭合回路，则将由一电流顺着感应电动势方向流向负载，输出电功率。根据能量守恒定律，加在导体上的机械功率与电功率输出相等。 由于导体以恒速运动，那么在导体上必然有与外来F相平衡的力作用，这个力就是载流导体在磁场中受到的电磁力（或安培力、洛伦兹力）Fe： 所以，带电导体在磁

16、场中运动时，会受到这种电磁力。这就是发电机基本工作原理。该电磁力的方向可由左手定则左手定则来判定。33/32（2） 电磁转矩 从另外一个角度，当从外电源向位于磁场中的一导体送人电流，则该导体也将受一电磁力的作用： 在该力的作用下，导体将沿着电磁力的方向运动，这就是电动机的基本作用原理。 设旋转电机的转子上放置这样的导体，若把导体上受到的电磁力，乘以导体至转轴之间的距离，就得到电磁转矩T：（3） 电机的可逆性原理 从理论上讲，任何电机既可以作为发电机运行，也可以作为电动机运行。 从内部原理来讲，不论该导体采用作发电机或电动机，感应电动势和电磁力都同时作用于导体。34/32思考题：思考题：如图所示的系统，其中铁芯截面积A=100cm2，磁导率c=2000 0，铁芯的平均长度=(长+宽)*2-气隙长度=2*(40+30)-0.2=139.8cm，线圈匝数N=200，通入电流I=12A。（1）画出相应的磁路图；（2）计算铁芯中的和B；（3）确定铁芯和气隙中的磁动势F（也称作磁压降）；（4）确定铁芯和气隙中的磁场强度H。（1） 如图所示FRcoreRgapNS（2） 计算和B ：F=NI=200*12=2400