电机拖动-绪论;磁路

电机及拖动基础2主干课程之间的关系高等数学大学物理电路原理电机与拖动基础理论专业知识桥梁电机测控电机设计电气传动电力系统高压技术建筑电气3电机应用领域5教学大纲-基本要求了解变压器、直流电机、感应电机和同步电机的典型结构，掌握其基本工作原理、基本方程式、稳态运行性能、基本实验方法及操作技能，对电机的额定值、性能指标、参数大小等有明确的工程概念，既掌握各类电机的共同点，又能认识它们的个性和特点，形成对电机的一个较系统和完整的认识。6教学大纲-学习重点重点掌握分析电机稳态、对称、基波运行时的基本方法；深入理解电机中主磁场的作用及能量转换的关系；正确建立电机中的电动势、磁动势、功率和转矩平衡方程式；熟练运用基本方程、等效电路和相量图及复数运算法、归算法去分析和解决电机运行中的实际问题。7

什么是电机定义：电机是一种机电能量转换或信号转换的电磁装置。基本点：电磁感应定律、电磁力定律导电材料→电路导磁材料→磁路8电机的分类Classification旋转电机变压器直线电机单相变压器三相变压器感应电机同步电机直流电机交流电机感应电动机感应发电机同步发电机同步电动机直流发电机直流电动机直线感应电机直线同步电机电机在国民经济中的作用发电厂和变电站的主要设备各种生产机械和装备的动力设备自动控制系统中的重要元件人们生活不可或缺的部分10电机发展概况1821年：法拉第发明第一台直流电动机1831年：法拉第发现电磁感应定律1880年：爱迪生提出采用叠片铁心1885年：弗拉利斯制成第一台两相感应电动机1886年：霍普金生兄弟确立了磁路的欧姆定律1889年：多利沃提出采用三相制的建议，同时制成第一台三相变压器和三相感应电动机1891年：建成三相电力系统1893年：开始利用复数与相量来分析交流电路1899年：勃朗台尔提出凸极同步电机的双反应理论1919年：福提斯古提出对称分量法1959年：逐步建立起机电能量转换的新体系11电机发展概况单机容量不断增加技术、经济指标不断改进（新结构、新工艺、新材料）应用范围不断扩大（大型化、微型化、一体化）与计算机技术、电子技术、电力电子技术、控制技术相互渗透，紧密结合目录绪论第1章磁路第2章直流电机第3章变压器第4、5章异步电机第6章同步电机第7章控制电机第8章电力拖动系统的动力学基础第9章直流电动机的电力拖动第10章三相异步电动机的机械特性及各种运转状态第11章三相异步电动机的起动及起动设备的计算第12章三相异步电动机的调速

电机拖动系统是用电动机来拖动机械运行的系统。包括：电动机、传动机构、生产机械、控制设备和电源五个部分。它们之间的关系如下电动机传动机构生产机械控制设备电源电机拖动（电力拖动）一、重点:1、磁路的基本定律;2、铁磁材料的特性及基本磁化曲线;3、磁路计算.※重点与难点二、难点:

1、磁滞回线；2、铁心损耗；3、磁路的计算。1、磁感应强度B（磁通密度）磁感应强度表示某点磁场性质的基本物理量，它反映了磁力线分布的疏密程度，其方向与各点的切线方向一致，是单位面积的磁通量。也称为磁通密度（fluxdensity）。它与产生它的电流可以用右手螺旋定则来确定。第一节磁路的基本定律一、磁场的几个基本物理量单位：韦伯1Tesla=104高斯B

的单位：特斯拉（Tesla）Wb/m2某一面积S的磁感应强度B的通量称为磁通如果磁场均匀且磁场方向垂直于S面，则磁通的连续性原理：

磁场中任何封闭曲面的磁通恒等于零。2、磁通Φ单位：韦伯3、磁导率µ：表征各种材料导磁能力的物理量（亨/米）真空中的磁导率(µ0

)为常数一般材料的磁导率µ和真空中的磁导率之比，称为这种材料的相对磁导率µr，则称为磁性材料，则称为非磁性材料4、磁场强度H磁场强度是计算磁场所用的物理量，其大小为磁感应强度和导磁率之比。单位：B

：特斯拉µ：亨/米H：安/米19H与B的区别①H∝I，与介质的性质无关。②

B与电流的大小和介质的性质均有关。磁场的基本物理量磁场强度H的单位：安培/米（A/m)磁场强度H

：表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。是计算磁场时所引用的一个物理量，通过它来确定磁场与电流之间的关系。二、磁路的概念：

磁路是研究局限于一定范围内的磁场问题。磁路与电路一样，也是电工学课程所研究的基本对象。磁通通过的路径。主磁通漏磁通铁心线圈

主磁通：绝大部分磁通将从铁心内通过，这部分磁通称为主磁通。

漏磁通：在部分铁心和铁心外围的空气间，还存在少量分散的磁通，这部分磁通成为漏磁通。I交流磁路直流磁路用以激励磁路中磁通的载流线圈称为励磁线圈；励磁线圈中的电流称为励磁电流。2、磁路的基本定律2.1安培环路定律（全电流定律）

安培环路定律:沿空间任意条闭合回路，磁场强度H的线积分等于该闭合回路所包围的电流的代数和。其中

H：磁场强度，安/米(A/m)

i3l

H

dl

i2

i1注：若i与l符合右手螺旋关系，取正号，否则取负号。其中大拇指所指为i的方向，四指为l方向。根据安培环路定律：得到：

在无分支的均匀磁路（磁路的材料和截面积相同，各处的磁场强度相等）中，安培环路定律可写成：磁路长度L线圈匝数NIF:磁动势NI：称为磁动势。一般用F

表示。F=NIHL:磁压降。对于均匀磁路磁路中的欧姆定律2.2、磁路的欧姆定律：则：INAL注：由于磁性材料是非线性的，磁路欧姆定律多用作定性分析，不做定量计算。令：Rm

称为磁阻欧姆定律或则可写为[例1—1]

有一闭合铁心磁路，铁心的截面积A＝9×l04m2，磁路的平均长度l＝0.3m，铁心的磁导率，套装在铁心上的励磁绕组为500匝。试求在铁心中产生1T的磁通密度时，所需的励磁磁动势和励磁电流。

磁动势F＝HI＝159X0.3A＝47．7A

解用安培环路定律来求解。

磁场强度励磁电流

定律内容:穿出(或进入)任一闭和面的总磁通量恒等于零(或者说,进入任一闭合面的磁通量恒等于穿出该闭合面的磁通量),这就是磁通连续性定律。

又称磁路的并联定律。

2.3．磁路的基尔霍夫第一定律

2.4．磁路的基尔霍夫第二定律

定律背景:磁路计算时，总是把整个磁路分成若干段，每段为同一材料、相同截面积，且段内磁通密度处处相等，从而磁场强度亦处处相等。

定律内容:沿任何闭合磁路的总磁动势恒等于各段磁路磁位降的代数和。

公式:

又称磁路的串联定律。

312.磁路的基尔霍夫第二定律磁路和电路的比较（一）磁路电路磁通INI磁压降磁动势电动势电流电压降R+_EU基本定律磁阻磁感应强度安培环路定律磁路IN欧姆定律电阻电流强度电压定律电流定律磁路与电路的比较(二)

P9电路R+_EI34四、电磁感应定律在我们回顾的所有定律中这将是最重要的一个。简单的说电磁感应定律就是变化的电场附近会产生变化的磁场，而变化的磁场附近会产生变化的电场。定义：无论何种原因使的与闭合线圈交链的磁链ψ随着时间t变化时，线圈中将会产生感应电动势e根据原因的不同，感应电动势可分为以下两类：351.变压器电动势指线圈位置静止不变，穿过线圈的磁通Ф发生变化，这样在线圈内将产生感应电动势，其大小与线圈的匝数和磁通变化率成正比，方向由楞次定律决定2.切割（运动）电动势当磁场和线圈导体之间有相对运动时，使得穿过线圈的磁通随着时间的变化而变化。此时的e叫做运动电动势e=Blv方向由右手定则判定。363.自感系数L由自感系数的定义而由磁路的欧姆定律所以结论：当磁路为非线性时，自感系数是一个变量，随磁路的饱和程度的增加而下降。称为磁导37

五、电磁力定律载流导体在磁场中要受到力的作用，方向用左手定则判定。

f=Bil

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（等于力乘以转子半径），这个力矩称之为电磁转矩。电磁转矩在电机的能量形态转换起到重要的作用，以后会详细研究它。

回顾右手定则，左手定则38六、电路定律（1）欧姆定律：u=iR（2）基尔霍夫第一定律（电流定律）∑i=0（3）基尔霍夫第二定律（电压定律）在电路中，对任一回路，沿回路环绕一周，回路内所有元件的电压代数和等于零，即∑u=0。39制造电机所用的材料

制造材料主要包括：导磁材料、导电材料、绝缘材料、结构材料、散热材料、冷却材料、润滑材料等。

导电材料：铜、铝。导磁材料：各种成分的铸钢（电工钢片）。

绝缘材料：各种绝缘纸、油性玻璃漆布、有机硅玻璃粘带、酚醛玻璃纤维压塑料······

绝缘等级YAEBFHC容许工作温度/℃90105120130155180＞18040第二节铁磁材料及其磁化特性

一、高导磁性

磁性材料的磁导率通常都很高，即r1(如坡莫合金，其r可达2105)

。磁性材料能被强烈的磁化，具有很高的导磁性能。磁性材料主要指铁、镍、钴及其合金等。磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备中，如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心。在这种具有铁心的线圈中通入不太大的励磁电流，便可以产生较大的磁通和磁感应强度。电机的制造材料一.铁磁物质的磁化图1-6磁畴(A)未磁化

(B)磁化外加磁场H42

这些小磁铁叫做“磁畴”。在外磁场的作用下，磁畴顺着外磁场方向转向，排列整齐，显示出磁性。

磁性物质具有高导磁性是由于内部有很多被强烈磁化的小磁铁。电机的制造材料43电机的制造材料磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限的增强。二、磁饱和性BJ

磁场内磁性物质的磁化磁场的磁感应强度曲线；B0

磁场内不存在磁性物质时的磁感应强度直线；B

BJ曲线和B0直线的纵坐标相加即磁场的B-H

磁化曲线。OHBB0BJB•a•b磁化曲线当外磁场增大到一定程度时，磁性物质磁畴的磁场方向全部都转向与外部磁场方向一致，磁化磁场的磁感应强度将趋向某一定值，如图。44

B-H

磁化曲线的特征：

Oa段：B与H几乎成正比地增加；

ab段：B的增加缓慢下来；

b点以后：B增加很少，达到饱和。OHBB0BJB•a•b有磁性物质存在时，B与H不成正比，磁性物质的磁导率不是常数，随H而变。

有磁性物质存在时，与I不成正比。

磁性物质的磁化曲线在磁路计算上极为重要，其为非线性曲线，实际中通过实验得出。

OHB,B磁化曲线B和与H的关系电机的制造材料二、磁化曲线和磁滞回线

1．起始磁化曲线

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，曲线B=f(H)就称为起始磁化曲线.分析:起始磁化曲线基本上可分为四段,如下铁磁材料的特性铁磁材料磁化过程oa段：H较弱，B缓慢增加ab段：H较强，B迅速增加bc段：H继续加强，B增加变慢（饱和段）c－段：H继续加强，B增加缓慢（深度饱和段）BH图1-7铁磁材料的起始磁化曲线abcd膝点（饱和点）二.铁磁材料的磁化特性（B－H曲线/起始磁化曲线）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。49三、磁滞性

磁性材料在交变磁场中反复磁化，其B-H关系曲线是一条回形闭合曲线，称为磁滞回线。磁性材料中磁感应强度B的变化总是滞后于外磁场变化的性质。磁滞回线OHB••••BrHc剩磁感应强度Br(剩磁)：

当线圈中电流减小到零(H=0)时，铁心中的磁感应强度。例如:永久磁铁的磁性就是由剩磁产生的；自励直流发电机的磁极，为了使电压能建立，也必须具有剩磁。

电机的制造材料50磁滞回线OHB••••BrHC但剩磁也存在着有害的一面，例如，当工件在平面磨床上加工完毕后，由于电磁吸盘有剩磁，还将工件吸住。为此要通入反向去磁电流，去掉剩磁，才能取下工件。矫顽磁力HC：使B=0所需的H值。磁性物质不同，其磁滞回线和磁化曲线也不同。电机的制造材料图1-8铁磁材料的磁滞回线HBabcdef

磁密落后于磁场强度，亦即磁通落后于激磁电流的现象，称为磁滞现象

磁滞回线：铁磁材料进行周期性磁化所反映的物理现象剩磁娇顽力

3．基本磁化曲线

定义: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.

附:电机中常用的硅钢片、铸铁和铸钢的基本磁化曲线。图1-9基本磁化曲线HB基本磁化曲线或平均磁化曲线:

书p1154

几种常见磁性物质的磁化曲线a

铸铁b

铸钢c硅钢片O0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0103H/(A/m)H/(A/m)12345678910103B/T1.81.61.41.21.00.80.60.40.2ababcc电机的制造材料55按磁性物质的磁性能，磁性材料分为三种类型：(1)软磁材料具有较小的矫顽磁力，磁滞回线较窄。一般用来制造电机、电器及变压器等的铁心。常用的有铸铁、硅钢、坡莫合金即铁氧体等。(2)永磁材料具有较大的矫顽磁力，磁滞回线较宽。一般用来制造永久磁铁。常用的有碳钢及铁镍铝钴合金等。(3)矩磁材料具有较大的矫顽磁力和较大的剩磁，磁滞回线接近矩形，稳定性良好。在计算机和控制系统中用作记忆元件、开关元件和逻辑元件。常用的有镁锰铁氧体等。电机的制造材料三、铁磁材料1．软磁材料

定义:

磁滞回线窄、剩磁和矫顽力都很小的材料。常用软磁材料:铸铁、铸钢和硅钢片等。

软磁材料的磁导率较高,故用以制造电机和变压器的铁心。2．硬磁(永磁)材料

定义:磁滞回线宽、剩磁和矫顽力都很大的铁磁材料称为硬磁材料，又称为永磁材料。磁性能指标剩磁矫顽力最大磁能积四.铁心损耗

当铁心中磁通交变时，要产生铁心损耗，它由磁滞损耗与涡流损耗两部分组成。1）磁滞损耗铁磁材料置于交变磁场中时，材料被反复交变磁化，其分子运动所消耗的能量。磁滞回线所包含的面积表示了单位体积磁性材料在磁化一周的进程中所消耗的能量。

（P121-9公式）1.6-2.3涡流在铁心中引起的损耗，称为涡流损耗。2）涡流损耗

因为铁心可以导电，故当通过铁心的磁通随时间变化时，也将铁心中也将产生感应电势，并因而在其中引起环流。这些环流在铁心内部围绕磁通作涡流状流动，称为涡流。（P121-10公式）3）铁损：磁滞损耗+涡流损耗，

（P131-12公式）减少铁耗措施：减少磁滞损耗的措施：选用磁滞回线狭小的磁性材料制作铁心。变压器和电机中使用的硅钢等材料的磁滞损耗较低。选择适当的磁感应强度值以减小铁心饱和程度。减少涡流损耗措施：提高铁心的电阻率（通常用硅钢片）。铁心用彼此绝缘的钢片叠成，把涡流限制在较小的截面内。一、直流磁路的计算1.3直流磁路1.磁路的计算：正问题知道Φ求

F

逆问题知道F求Φ2.正问题的计算步骤：（1）分段（2）确定A，L

（3）求Φ，B

（4）由B求H

（5）F=ΣHL3.逆问题：试探法4.串并联磁路的计算磁路基本定律及计算方法铁心磁路计算是电机分析和设计过程中的一项重要工作已知磁通确定磁动势已知磁动势确定磁通1.串联磁路计算将磁路分段，保证每段磁路的均匀性计算每段磁路的截面积和等效长度根据给定磁通，确定每段磁路磁密由磁密确定每段磁路的磁场强度计算每段磁路的磁压降由基尔霍夫第二定律计算磁动势一、直流磁路的计算1、简单串联磁路

[例1—2]

铁心材料由铸和空气隙构成，铁心截面积AFe＝3X3X10-4m2，磁路平均长度lFe=0.3m，气隙长度δ＝5X10-4m。求该磁路获得磁通量Φ=0.0009Wb时所需的励磁动势。考虑到气隙磁场的边缘效应，在计算气隙的有效面积时，通常在长、宽方向务增加δ值（0