第1章电机与拖动绪论

1、教材：教材：电机与电力电子技术，孙冠群主编，北京电机与电力电子技术，孙冠群主编，北京大学出版社，大学出版社，2014。 实验：实验：电机与电力电子技术实验指导书，孙冠群主编，中电机与电力电子技术实验指导书，孙冠群主编，中国计量大学国计量大学/浙江天煌教学仪器公司。浙江天煌教学仪器公司。参考书目：参考书目：1 电机与拖动基础(第3版)，李发海主编，清华大学出版社2 电机学（第6版），A.E.Fitzgerald等编，电子工业出版社 电机与电力拖动的地位电机与电力拖动的地位第第1章章 绪绪 论论1.1 1.1 电机的发展历史电机的发展历史1.2 1.2 电机的分类电机的分类1.3 1.3 电机有关

2、的电磁基础知识电机有关的电磁基础知识1.1.4 4 课程的性质、任务和内容课程的性质、任务和内容1.1 电机的发展历史电机的发展历史v1821年，法拉第，证明电能可转化为运动；年，法拉第，证明电能可转化为运动；v1831年，法拉第，电磁感应现象；年，法拉第，电磁感应现象；v1834-1838年，德国雅可比、美国达文波特，电池年，德国雅可比、美国达文波特，电池供电直流电动机雏形；供电直流电动机雏形；1.1 电机的发展历史电机的发展历史v1870年年-，比利时人，比利时人 格拉姆，直流发电机；格拉姆，直流发电机； 西门子电机车；西门子电机车； 爱迪生电机车；爱迪生电机车；v19世纪中叶，法拉第、亨

3、利等等，变压器；世纪中叶，法拉第、亨利等等，变压器；v1870-1887年，交流电机；年，交流电机；v1888年，特斯拉，三相异步电动机！年，特斯拉，三相异步电动机！v1902年，丹尼尔森，同步电机。年，丹尼尔森，同步电机。1.1 电机的发展历史电机的发展历史v自自20世纪初以来，电机的日益成熟和应用，彻底开世纪初以来，电机的日益成熟和应用，彻底开启了人类启了人类“电气时代电气时代”巅峰时刻的到来！至今，电机巅峰时刻的到来！至今，电机的应用领域仍然在持续扩大！的应用领域仍然在持续扩大！v控制电机与特种电机仍然在发展中。控制电机与特种电机仍然在发展中。 电能易于转换、传输、分配和控制，是现代能电

4、能易于转换、传输、分配和控制，是现代能源的主要形式。源的主要形式。 电机是实现机械能与电能相互转换的电磁机器。电机是实现机械能与电能相互转换的电磁机器。电动机：电动机： 电能电能机械能机械能发电机：发电机： 机械能机械能电能电能变压器：变压器： U1交流电能交流电能U2交流电能交流电能1.2 电机的分类电机的分类1.2.1 电机的种类：电机的种类：1.2 电机的分类电机的分类变压器同步电动机电动机感应异步交流电动机同步发电机发电机感应异步交流发电机交流电机直流电动机直流发电机直流电机电机)()(1.2.2 电机的应用：电机的应用：进行能量转化、传输和分配电能进行能量转化、传输和分配电能一简单供

5、电系统图一简单供电系统图电厂电厂1升压升压Tr降压降压Tr用户用户电厂电厂2升压升压Tr降压降压Tr用户用户输电线路输电线路1.2 电机的分类电机的分类各种变压器电力变压器电源变压器环形变压器接触调压器控制变压器三相干式变压器1.2 电机的分类电机的分类1.2 电机的分类电机的分类1.2 电机的分类电机的分类1.2 电机的分类电机的分类1.2 电机的分类电机的分类1.2 电机的分类电机的分类1.2 电机的分类电机的分类1.2 电机的分类电机的分类1.2 电机的分类电机的分类1.2 电机的分类电机的分类1.2 电机的分类电机的分类1.2 电机的分类电机的分类1.2 电机的分类电机的分类1.2 电

6、机的分类电机的分类1.2.3 电机的发展状况电机的发展状况大型和超小型方向发展大型和超小型方向发展1.2 电机的分类电机的分类1.2.4 各种微电机各种微电机 交、直流伺服电动机交、直流伺服电动机 步进电动机步进电动机 交、直流测速发电机交、直流测速发电机 自整角机自整角机 旋转变压器旋转变压器 感应同步器感应同步器 无刷直流电动机无刷直流电动机 小功率同步电动机小功率同步电动机 直流力矩电动机直流力矩电动机 低惯量直流电动机低惯量直流电动机 低速同步电动机低速同步电动机 直线电机等新型电机直线电机等新型电机控制类控制类 检测类检测类 驱动类驱动类 1.2 电机的分类电机的分类本节要求：本节要

7、求：掌握铁磁材料的性质及其磁化曲线掌握铁磁材料的性质及其磁化曲线熟练掌握电磁感应定律和电磁力定律熟练掌握电磁感应定律和电磁力定律掌握研究磁路的几个基本定律掌握研究磁路的几个基本定律掌握描述磁路的基本物理量掌握描述磁路的基本物理量掌握磁路的基本概念及其电机磁路的特点掌握磁路的基本概念及其电机磁路的特点1.3 电机有关的电磁基础知识电机有关的电磁基础知识 1.3.1 1.3.1 磁场的基本概念磁场的基本概念磁路：磁通磁路：磁通 经过的路径。经过的路径。基本物理量：基本物理量：单位：单位：Wb/m2;或或T2、磁通、磁通 BS 单位：单位：Wb1、磁感应强度、磁感应强度B（磁密）磁密）4、磁场强度、

8、磁场强度HB= H 单位：单位：A/m 5、磁动势、磁动势F F=NI=Hl 单位：单位：A 线圈中有电流线圈中有电流I，线圈周围就会产生磁场，磁场强线圈周围就会产生磁场，磁场强弱取决于线圈匝数弱取决于线圈匝数N和电流和电流I的乘积的乘积NI（该乘积就叫该乘积就叫磁动势磁动势F）。）。6、磁阻、磁阻Rm Rm=l/( S) 单位：单位：A/Wb3、磁导率、磁导率 单位：亨单位：亨/米米1.3 电机有关的电磁基础知识电机有关的电磁基础知识铁心铁心磁通磁通线线 圈圈变变 压压 器器 磁磁 路路 图图1.3 电机有关的电磁基础知识电机有关的电磁基础知识气气 隙隙电电 枢枢 漏磁通漏磁通 主磁通主磁通

9、NS磁磁 轭轭直直 流流 电电 机机 磁磁 路路 图图1.3 电机有关的电磁基础知识电机有关的电磁基础知识1.3.2 电磁定律电磁定律1、安培环路定律（全电流定律）、安培环路定律（全电流定律）lNIFHdl 磁场强度磁场强度H沿任意闭合回路沿任意闭合回路l的线积分，等于该闭合的线积分，等于该闭合回路所包围的全部电流，即回路所包围的全部电流，即若沿着回线若沿着回线l, 磁场强度磁场强度H的方向总在切线方向、其大的方向总在切线方向、其大小处处相等，则小处处相等，则Hl=NI1.3 电机有关的电磁基础知识电机有关的电磁基础知识2、磁路欧姆定律、磁路欧姆定律磁路中的磁通与磁势成正比，与磁阻成反比，即磁

10、路中的磁通与磁势成正比，与磁阻成反比，即磁通磁通 =F/Rm推导过程：推导过程： F=NI=HL =B/ L (B= H) = L/ ( S) ( =BS) F = Rm (令令Rm=l/( S)1.3 电机有关的电磁基础知识电机有关的电磁基础知识3、磁路的基尔霍夫第一定律、磁路的基尔霍夫第一定律 任何磁路中，流进节点的磁通代数和为零任何磁路中，流进节点的磁通代数和为零 1 3 2 A 节点节点A： 1+ 2+ 3=0 4、磁路的基尔霍夫第二定律、磁路的基尔霍夫第二定律 在闭合磁回路中，磁路各在闭合磁回路中，磁路各段磁压降代数和等于作用于段磁压降代数和等于作用于该磁路上的磁动势之和。该磁路上的

11、磁动势之和。 NI=mkkkLH11.3 电机有关的电磁基础知识电机有关的电磁基础知识1）运动电动势（切割电动势）：）运动电动势（切割电动势）： 导体在磁场中运动时，导体中会感应出电势导体在磁场中运动时，导体中会感应出电势e ，当当如图磁场均匀，导线、如图磁场均匀，导线、B、运动方向三者互相垂直时。运动方向三者互相垂直时。其电动势其电动势 e=Blvl：导体长度；导体长度；v：导体与磁场的相对速度。导体与磁场的相对速度。正方向：用右手定则判断。正方向：用右手定则判断。电势电势e正方向表示电位升高的方向，与正方向表示电位升高的方向，与U相反。相反。如果同一元件上如果同一元件上e和和U正方向相同时

12、，正方向相同时，e= -U。ev5、电磁感应定律电磁感应定律 变化的磁场会产生电场，使导体感应电动势，这就是电磁感应变化的磁场会产生电场，使导体感应电动势，这就是电磁感应现象。在电机中电磁感应主要表现为两个方面。现象。在电机中电磁感应主要表现为两个方面。1.3 电机有关的电磁基础知识电机有关的电磁基础知识2）变压器电势：）变压器电势：线圈中的磁通变化时，线圈中会感应电势线圈中的磁通变化时，线圈中会感应电势e：感应电势感应电势e=d dt=d dt-N电势电势e正方向：正方向：e 的正方向与的正方向与 正方向符合右手螺旋关系正方向符合右手螺旋关系（按左手螺旋关系规定（按左手螺旋关系规定e与与 的

13、正方向时结果为正的正方向时结果为正 ）I Ne1.3 电机有关的电磁基础知识电机有关的电磁基础知识6、电磁力定律（载流导体在磁场中的安培力）、电磁力定律（载流导体在磁场中的安培力） 一个通电流的导体，在磁场中要受到力的作用，一个通电流的导体，在磁场中要受到力的作用，这个力叫电磁力。这个力叫电磁力。 在如图均匀磁场中，在如图均匀磁场中，载流导线与载流导线与B方向垂直，方向垂直，导线长度为导线长度为l，则：则： 电磁力电磁力 f=Bilif电磁力方向：电磁力方向：左左手定则判断手定则判断1.3 电机有关的电磁基础知识电机有关的电磁基础知识 1.3.1.3.3 3 铁铁 磁磁 材材 料料 的的 磁磁

14、 性性 能能一、高导磁性一、高导磁性1、含义：在一个空间（外）磁场中，放入铁磁材、含义：在一个空间（外）磁场中，放入铁磁材料，该磁场会被大大加强。料，该磁场会被大大加强。iiB1iiB2B1B21.3 电机有关的电磁基础知识电机有关的电磁基础知识2、高导磁性原因、高导磁性原因附加磁场附加磁场外磁场外磁场1.3 电机有关的电磁基础知识电机有关的电磁基础知识二、铁磁材料的磁化过程和磁化曲线二、铁磁材料的磁化过程和磁化曲线=B/H1.3 电机有关的电磁基础知识电机有关的电磁基础知识三、铁磁材料的磁滞和剩磁现象三、铁磁材料的磁滞和剩磁现象 铁磁材料中磁场铁磁材料中磁场B的变化落后于外磁场的变化落后于外

15、磁场H的变化的变化称为磁滞现象，从而在铁磁材料中产生了剩磁。称为磁滞现象，从而在铁磁材料中产生了剩磁。BH-Hc剩磁剩磁矫顽力矫顽力0Bsm =B/H0 i =B/H0 HcBr1.3 电机有关的电磁基础知识电机有关的电磁基础知识四、铁磁材料的磁损耗（铁心损耗）四、铁磁材料的磁损耗（铁心损耗） 当铁磁材料处于当铁磁材料处于变化磁场变化磁场中，会产生涡流损耗中，会产生涡流损耗和磁滞损耗。和磁滞损耗。1、涡流损耗、涡流损耗 铁心有导电性，当通过铁心的磁通随时间铁心有导电性，当通过铁心的磁通随时间变化时，依据电磁感应定律，铁心中产生感变化时，依据电磁感应定律，铁心中产生感应电动势并引起环流，在铁心中

16、作旋涡状流应电动势并引起环流，在铁心中作旋涡状流动，称为涡流，那么这种损耗叫涡流损耗。动，称为涡流，那么这种损耗叫涡流损耗。2、磁滞损耗、磁滞损耗磁畴来回翻转，摩擦耗能。磁畴来回翻转，摩擦耗能。钢片钢片硅钢片硅钢片1.3 电机有关的电磁基础知识电机有关的电磁基础知识 1.4.1 本课程性质及其特点：本课程性质及其特点： （难难!）（2）基本概念多）基本概念多 （3）电磁力关系复杂（电流、电压、磁场、力矩关系）电磁力关系复杂（电流、电压、磁场、力矩关系）（4）该课程以大学物理和电路理论为基础）该课程以大学物理和电路理论为基础 1.4.2 要求：要求：（1）尽量重点内容作笔记、标记）尽量重点内容作

17、笔记、标记（1）本课程属于技术基础课本课程属于技术基础课（2）做好作业）做好作业1.4 课程的性质、任务和内容课程的性质、任务和内容1.4.3 本课程学习内容：本课程学习内容：直流电机、异步电机、变压器等直流电机、异步电机、变压器等掌握内容：掌握内容： 1）结构、工作原理）结构、工作原理2）电磁关系分析）电磁关系分析3）特性）特性1.4 课程的性质、任务和内容课程的性质、任务和内容v1.电机中涉及哪些基本电磁定律？试说明它们在电机中的主要作用。v答：全电流定律：电生磁的定律，实现电磁转换。电磁感应定律：磁生电的定律，电磁转换；其中运动电动势表征发电机原理，变压器电动势表征变压器原理。电磁力定律

18、：电磁产生运动的定律，表征电动机原理。v2.简介铁磁材料磁化特性原理。v答：铁磁材料作为磁路的介质，在外磁场中呈现很强的磁性，这种现象称为铁磁物质的磁化。 铁磁物质能被磁化并增强总磁场，是因为在它内部存在着许多很小的天然磁化区，称为磁畴，磁畴可用一些小磁铁示意，铁磁物质未放入磁场之前，磁畴杂乱无章地排列着，磁效应互相抵消，对外部不呈磁性；当将铁磁物质放入一个磁场中，在这个外磁场的作用下，磁畴的极性将趋于同一方向，由此形成一个附加磁场，叠加在外磁场上。从而，铁磁材料的加入使得总磁场大为增强。当磁畴全部沿外磁场方向排列后，即使外磁场再增加，铁磁材料内磁场几乎不再增加，即进入磁饱和状态。v3.铁耗是如何形成的？电机