控制电机(绪论)

控制电机范伟1《电机学》第一章导论第一章导论1.1概述1.2电机发展简史1.3电机中的基本电磁定律1.4铁磁材料特性1.5磁路基本定律及计算方法2《电机学》第一章导论1.1概述

一、电机的定义电机是基于电磁感应定律、电磁力定律（能进行电磁感应），由电路和磁路所构成，能进行机电能量转换或信号变换的电磁机械装置。3《电机学》第一章导论二、电机的主要类型

据速度、电流分4《电机学》第一章导论据能量转换分发电机——将机械功率转换为电功率电动机——将电功率转换为机械功率变压（流、频、相位）器——将电功率转换为另一种形式的电功率控制电机——电气机械系统中调节、放大和控制作用5《电机学》第一章导论实物图水轮发电机运输使用中的变压器水轮发电机电动机6《电机学》第一章导论三、电机中所用材料电电路导电材料及绝缘材料

导电材料：紫铜、铝线绝缘材料：聚脂漆、云母片按耐热能力高低分六个等级A—105ºE—120º

B—130ºF—155ºH—180ºC180º

7《电机学》第一章导论2、磁磁路导磁材料硅钢片、铸钢等导磁材料：铁磁材料3、力结构材料铸钢、铸铁、钢板等8《电机学》第一章导论四、电机作用和地位电能生产——由同步发电机生产；高压输电——由升压变压器将发电机发出的电压升高到输电电压再输送；降压用电——由降压变压器将输来的高压电降为所需低电压，供给用电设备；生产机械的拖动——由各种电动机实现；控制系统中的信号转换——由各种控制电机完成。9《电机学》第一章导论控制电机的用途和类别

在科学技术高速发展的今天，控制电机已是构成开环控制、闭环控制、同步联结和机电模拟解算装置等系统的基础元件，广泛应用于各个部门，如化工、炼油、钢铁、造船、原子能反应堆、数控机床、自动化仪表和仪器、电影、电视、电子计算机外设等民用设备，或雷达天线自动定位、飞机自动驾驶仪、导航仪、激光和红外线技术、导弹和火箭的制导、自动火炮射击控制、舰艇驾驶盘和方向盘的控制等军事设备。10《电机学》第一章导论这些系统能处理包括直线位移、角位移、速度、加速度、温度、湿度、流量、压力、液面高低、比重、浓度、硬度等多种物理量。现以自动控制系统的一个重要分支——按预定要求控制物体位置的伺服系统为例来说明一下控制电机的种类和用途。图9-1为两种伺服系统的示意方框图。其中图9-1（a）为经济型数控机床常用的步进电动机开环伺服系统，计算机数控装置给出位移指令脉冲，驱动电路将脉冲放大，去驱动步进电动机按命令脉冲转动，并带动工作台按要求进行位移。11《电机学》第一章导论图9-1（b）为高档数控机床使用的全闭环位置伺服控制系统，该系统由数控装置给出加工所要求的位移指令值，在机床工作台上装有直线位置传感器进行实际位置检测，在伺服电动机轴上还装有速度传感器完成实际速度检测。该系统的位置比较电路要进行位置指令值和实际位置反馈值之间的偏差运算，根据偏差情况计算出所需速度，所需速度还要和实际速度检测值进行比较，用一系列综合运算结果实时地通过伺服驱动器去推动伺服电动机旋转，实现工作台的精确移动。12《电机学》第一章导论图9-1两种伺服系统示意方框图步进电动机开环伺服系统；

(b)全闭环位置伺服控制系统13《电机学》第一章导论1.2电机发展简史1．电机的发展初期F＝Bli——1821年Faraday电磁感应定律的发现——1831年Faraday直流发电机——1831年Pixii1876年单相交流电的应用——远距离传输1885年交流电动机1889年三相制——三相交流电的应用三相电机14《电机学》第一章导论2．电机的近代发展及趋势单机容量不断增加如汽轮发电机：中小型电机技术与经济指标不断改进新的设计方法（CAD）、工艺、材料、测试手段应用范围扩大19005MVA1956水内冷208MVA192025MVA1960320MVA1937空气冷却100MVA目前>1000MVA氢气冷却150MVA15《电机学》第一章导论1.3电机中磁路基本定律1.全电流定律—安培环路定律LH式中，若电流的正方向与闭合回线L的环行方向符合右手螺旋关系时，i取正号，否则取负号。16《电机学》第一章导论2.电磁感应定律闭合回路中的磁通量随时间发生变化，该线圈中必然有感应电势产生，称这种现象为电磁感应。线圈中的感应电势将倾向于阻止线圈中磁链的变化。17《电机学》第一章导论图1-2电磁感应定律18《电机学》第一章导论磁通变化原因在变压器和电机的绕组中，磁通的变化可以是磁通随时间脉动或磁通不变，而线圈在转动。对特种电机还可以是磁通随时间脉动，而线圈也在转动19《电机学》第一章导论变压器电动势

磁通本身就是由交流电流所产生，也就是说磁通本身随时间在变化着，这样产生的电势称为变压器电势。（线圈与磁场相对静止）磁通本身不随时间变化，但由于线圈与磁场间有相对运动而引起线圈中磁链的变化，这样产生的电势称为运动电势或速度电势运动电动势20《电机学》第一章导论变压器电势若线圈不动，穿过线圈的磁通随时间变化，则线圈中感应的电动势——变压器电势21《电机学》第一章导论电动势和磁通相位关系22《电机学》第一章导论若磁场恒定，构成线圈的导体切割磁力线，使线圈交链的磁链随时间变化，导体中的感应电动势——运动电动势。运动电动势感应电动势的方向_右手定则23《电机学》第一章导论电磁力定律载流导体在磁场中要受到力的作用——电磁力。左手定则24《电机学》第一章导论电磁转矩在旋转电机中，作用在转子载流导体上的电磁力将使转子受到一个力矩(等于力乘转子半径)——电磁转矩。25《电机学》第一章导论最大转矩线圈两侧边处磁场大小恒相等、极性恒相反线圈总个数M，转子直径D，B大小处处相等。电机最大可能电磁转矩电磁转矩26《电机学》第一章导论电磁转矩是电机实现机电能量转换的重要物理量。

电动机：电磁转矩——驱动性质电能——机械能发电机：电磁转矩——制动性质机械能——电能P：电磁功率（输入、输出）Ω：电机气隙磁场旋转角速度功率关系求得电磁转矩27《电机学》第一章导论1.4铁磁材料特性一、磁导率μ=B/HB：磁通密度H：磁场强度电机主要由两大系统组成：电路系统和磁路系统。铁磁材料是组成磁路的主要部分。所谓铁磁材料是指导磁性能好的材料，如：铁、镍、钴等以及它们的合金。1、定义28《电机学》第一章导论在同样大小的电流作用下，铁芯线圈的磁通比空心线圈的磁通大得多非铁磁材料磁导率接近真空磁导率μ0μ0=4π×10-7H/m铁磁材料的磁导率μFe要比非铁磁材料磁导率μ0大得多（μFe>>μ）铁磁物质:铁、镍、铝及其合金电机中常用的铁磁材料的磁导率μFe=(2000~6000)μ029《电机学》第一章导论考虑：为什么铁磁材料具有很高的导磁性能在铁磁物质未放入磁场之前，磁畴杂乱无章排列，其磁效应互相抵消，对外不呈现磁性。将铁磁物放入磁场。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，使合成磁场大为增强。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μFe不是常数。图1.5铁磁材料中的磁畴30《电机学》第一章导论2、磁化曲线磁化曲线定义:将一块尚未磁化的铁磁材料进行磁化，当磁场强度H由零逐渐增大时，磁通密度B将随之增大，得到曲线B=f(H)。31《电机学》第一章导论分析磁化曲线，分四段在oa段：当H增大→B增大，但B增大速度较慢在ab段：当H增大→B增大，B增大速度快；在bc段：B随H增大的速度又较慢；在cd段：为磁饱和区（又呈直线段）。其中拐弯点b称为膝点；c点为饱和点。过了饱和点c，铁磁材料的磁导率趋近μ0。32《电机学》第一章导论※铁磁材料具有的特点它的磁化曲线具有饱和性，磁导率μFe不是常数，且随B的变化而变化。变化总体非线性存在饱和特性B33《电机学》第一章导论BH图1-6铁磁材料的磁化曲线（p16）abc34《电机学》第一章导论△应用设计电机和变压器时，为使主磁路内得到较大的磁通量而又不过分增大励磁磁动势．通常把铁心内的工作磁通密度选择在膝点附近。35《电机学》第一章导论二、磁滞与磁滞损耗

1、磁滞回线

剩磁:去掉外磁场之后，铁磁材料内仍然保留的磁通密度。矫顽力:要使B值从减小到零，必须加上相应的反向外磁场，此反向磁场强度称为矫顽力。磁滞现象：B的变化总是滞后H的变化磁滞回线：磁场强度H缓慢地循环变化，B－H曲线封闭曲线磁滞现象是铁磁材料的另一个特性。36《电机学》第一章导论图1-7铁磁材料的磁滞回线HBabcdef37《电机学》第一章导论基本磁化曲线：对同一铁磁材料，选择不同的磁场强度进行反复磁化，可得一系列大小不同的磁滞回线,再将各磁滞回线的顶点联接起来，所得的曲线。HB38《电机学》第一章导论2、铁磁材料HC—矫顽力Br—剩余磁感应强度铁磁材料：软磁材料--磁滞回线窄，HC及Br小硬磁材料--磁滞回线宽，HC及Br大HC及Br大，难退磁---永磁材料BrHCBm39《电机学》第一章导论软磁材料的磁滞曲线HBBH硬磁材料的磁滞曲线40《电机学》第一章导论3、磁滞损耗定义:铁磁材料置于交变磁场中时，磁畴相互间不停地摩擦、消耗能量、造成损耗，这种损耗称为磁滞损耗。41《电机学》第一章导论全电流定律电源供给线圈的瞬时功率电磁感应定律42《电机学》第一章导论建立交变磁通、克服磁畴回转所需要的瞬时功率pKh——不同材料计算系数α——试验确定的指数经验公式43《电机学》第一章导论

4、涡流损耗铁芯是有阻值的，当磁通交变时，铁芯中就会感应交变的电势，在导电的铁芯中就会产生环流，这种电流在铁芯构成的回路与磁通相环链，故称涡流。涡流产生的损耗称为涡流损耗。kw——与材料有关的比例系数pW=K2f2d2Bm2V/12V：钢片的体积：硅钢片的电阻率d：硅钢片厚度pWf2、d2、Bm2、1/、V加入硅硅钢片增大44《电机学》第一章导论图1-10硅钢片中的涡流 B45《电机学》第一章导论△应用为减小涡流损耗，电机和变压器的铁心都用含硅量较高的薄硅钢片叠成。46《电机学》第一章导论5、铁心损耗铁芯中的磁滞损耗和涡流损耗之合称为铁芯损耗对于一般的电工钢片，在正常的工作磁通密度范围内47《电机学》第一章导论48《电机学》第一章导论※注意在恒定磁场中的静止导磁体内是不会引起能量损耗的。铁芯损耗均转化为热能使铁芯温度升高，为防止电机过热，采用硅钢片以减小铁芯损耗，采取散热降温措施。49《电机学》第一章导论1.5磁路基本定律和磁路的计算电电路导电材料（及绝缘材料）紫铜、铝线（绝缘:按耐热能力高低分A、E、B、F、H、C六个等级）磁磁路导磁材料硅钢片、铸钢等力结构材料铸钢、铸铁、钢板等50《电机学》第一章导论磁路磁通所通过的路径。主磁通：由于铁心的导磁性能比空气要好得多，所以绝大部分磁通将在铁心内通过,这部分磁通称为主磁通。漏磁通：围绕载流线圈、部分铁心和铁心周围的空间，还存在少量分散的磁通，这部分磁通称为漏磁通。主磁路：主磁通所通过的路径。漏磁路：漏磁通所通过的路径。51《电机学》第一章导论图