电机拖动与基础第1章 绪论

清华大学出版社

电机与拖动基础FundamentalofElectricMotorandDriver9/23/20231电机与拖动基础目录

第一章绪论

第二章电力拖动的动力学

第三章直流电机原理

第四章他励直流电动机的运行

第五章变压器第六章交流电机理论的共同问题

9/23/20232电机与拖动基础第七章异步电动机第八章三相异步电动机的起动与制动第九章同步电机第十章三相交流电动机调速第十一章电动机的选择第十二章微控电机9/23/20233电机与拖动基础一、本课程性质及其特点：

1、本课程属于技术基础课2、基本概念多3、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第一章绪论(Preface)§1-1课程简介9/23/20234电机与拖动基础

1、做好预习和复习

2、准备两个作业本，按要求交作业

3、实验前认真预习，实验后完成实验报告二要求：9/23/20235电机与拖动基础三、参考书：1、许晓峰主编《电机及拖动》高等教育出版社2、顾绳谷编《电机及拖动基础》机械工业出版社3、刘新正译《电机学》电子工业出版社《ElectricMachinery》.A.E.FitzgeraldCharlesKingsley,Jr.StephenD.Umans.9/23/20236电机与拖动基础四、本课程学习内容：直流机及拖动、变压器、异步机及拖动、同步机掌握内容：1）工作原理及基本结构2）电磁关系，电压、电流关系，功率关系3）工作或运行特性及应用4）起动、制动与调速9/23/20237电机与拖动基础五、电机的作用与功能：电机是以电磁感应和电磁力定律为基本工作原理进行电能的传递或机电能量转换的机械

。电动机：电能机械能发电机：机械能电能变压器：U1交流电U2交流电9/23/20238电机与拖动基础六、电机的分类：1、按电能形式分直流电机（发电机、电动机）交流电机（异步机、同步机）（发电机、电动机）9/23/20239电机与拖动基础2、按能量转换形式分发电机（直流电机、交流电机）（异步机、同步机）电动机（直流电机、交流电机）（异步机、同步机）9/23/202310电机与拖动基础9/23/202311电机与拖动基础七、电机的作用：

1、进行能量转化、传输和分配电能一简单供电系统图9/23/202312电机与拖动基础9/23/202313电机与拖动基础电能易于转换、传输、分配和控制，是现代能源的主要形式。电能的生产是由发电机完成的，发电机把机械能转换为电能。而电能的生产集中在火力、水力及原子能发电厂进行。为了减少输电中的能量损失，远距离输电均采用高电压方式，然后经降压再供给用户；电压的升高和降低都是由变压器完成的。电动机则把电能转换为机械能，电动机拖动生产机械运转称为电力拖动。9/23/202314电机与拖动基础风力发电机9/23/202315电机与拖动基础水轮发电机现场9/23/202316电机与拖动基础单机容量７０万千瓦的三峡水电发电机组使用。这个“巨无霸”般的定子机座安装定位后直径可达２２米、高５米、总重量２００余吨；三峡电站7号水轮发电机的转子直径为18.43米，高3.5米，重1700吨9/23/202317电机与拖动基础汽轮发动机9/23/202318电机与拖动基础9/23/202319电机与拖动基础自耦变压器9/23/202320电机与拖动基础交流电机图片9/23/202321电机与拖动基础同步发电机定子结构9/23/202322电机与拖动基础2、驱动生产机械磁悬浮列车大型车床9/23/202323电机与拖动基础3、控制各种自动设备盲人引路车爬行机器人9/23/202324电机与拖动基础主要应用领域1.工业应用：各种生产机床、轧钢机、矿井提升机、球磨机、造纸机等2.交通运输：电力机车、电动汽车、磁悬浮列车3.国防军事：军艇的电力推进系统、鱼雷发射、坦克的电力牵引系统4.航空航天：卫星发射电力推动系统5.民用：冰箱、洗衣机、空调、风扇、吸尘器6.电子仪器设备：各种伺服驱动电机、计算机硬盘驱动电机9/23/202325电机与拖动基础9/23/202326电机与拖动基础车用电机及其驱动系统

9/23/202327电机与拖动基础八、电机的发展状况大型和超小型方向发展同步发电机定子各种微电机

9/23/202328电机与拖动基础§1-2磁路的基本概念和基本定律磁路的基本概念和基本定律铁磁材料的磁性能9/23/202329电机与拖动基础要求：掌握磁路的基本概念及其电机磁路的特点掌握描述磁路的基本物理量掌握研究磁路的几个基本定律熟练掌握电磁感应定律和电磁力定律掌握铁磁材料的性质及其磁化曲线9/23/202330电机与拖动基础一、磁路的基本概念磁路：磁通

经过的路径。基本物理量：1、磁感应强度B（磁密）单位：Wb/m2;或T2、磁通

单位：WB3、磁场强度H单位：A/m4、磁动势F=NI单位：A5、磁压降V=Hl单位：A

线圈中有电流I，线圈周围就会产生磁场，磁场强弱取决于线圈匝数N和电流I的乘积IN，该乘积就叫磁动势F。9/23/202331电机与拖动基础6、磁导率

表示物质导磁能力强弱的物理量

=B/H单位：亨/米空气磁导率

0=4

×10-7H/m铁磁材料磁导率

>>

09/23/202332电机与拖动基础7、磁阻Rm磁阻Rm=L/(

S)L:磁路长度；

：磁导率；S：磁路截面积单位：1/亨9/23/202333电机与拖动基础二.磁路的基本定律1、安培环路定律（全电流定律）磁场强度H沿任意闭合回路l的线积分，等于该闭合回路所包围的全电流，即∮LH•dl=∑I其中电流的正方向与闭合回路的正方向满足右手定则。9/23/202334电机与拖动基础

2、磁路欧姆定律考虑到磁路和电路在分析思路上基本一直，所以我们在分析磁路时，可以将全电流定律应用到磁路中来。如图所示，截面相等的无分支闭合磁路上，则有：

因为

,即于是：

9/23/202335电机与拖动基础

即磁路中的磁通Φ等于作用在该磁路上的磁动势F除以磁路的磁阻Rm或乘以磁导，这就是磁路的欧姆定律。3磁路的基尔霍夫第一定律于是如图所示：9/23/202336电机与拖动基础4磁路的基尔霍夫第二定律磁路和电路在这里有所不同，在磁路中，构成磁路的各个部分的材料和截面会有所不同，这样在分析时，我们要将磁路进行分段，每段有相同的材料和截面，即B和μ要相同。则9/23/202337电机与拖动基础1、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分类：根据原因的不同，感应电动势可分为以下两类：三.基本电磁定律9/23/202338电机与拖动基础1）运动电势(动生电动势)：导体在磁场中运动时，导体中会感应出电势e。大小：电势e=Blv。B:磁密；l：导体长度；v：导体与磁场的相对速度。正方向：用右手定则判断电势e正方向表示电位升高的方向，与U相反。如果同一元件上e和U正方向相同时，e=-U。9/23/202339电机与拖动基础2）变压器电势：线圈中的磁通变化时，线圈中会感应电势e：电势e正方向：e的正方向与

正方向符合右手螺旋关系9/23/202340电机与拖动基础2、电磁力定律一个通电流的导体，在磁场中要受到力的作用，这个力叫电磁力。电磁力f=Bli

电磁力方向：左手定则判断

*回顾右手定则，左手定则磁感应强度（磁通密度）B、和磁通Ф:9/23/202341电机与拖动基础四、铁磁材料的磁性能（一）高导磁性（二）铁磁材料的磁化过程和磁化曲线（三）铁磁材料的磁滞和剩磁现象9/23/202342电机与拖动基础铁磁物质是一种性能特异，在现代科技和国防上用途广泛的材料。铁，钴，镍及其众多合金以及含铁的氧化物（铁氧体）均属铁磁物质。其特征是在外磁场作用下能被强烈磁化，磁导率μ很高。另一特性是磁滞，即磁场作用停止后，铁磁材料仍保留磁化状态。下图为铁磁物质的磁感应强度Β与磁场强度H之间的关系曲线。9/23/202343电机与拖动基础B-HsHc-HcHs-BmBm0Brabscr-BrH9/23/202344电机与拖动基础图中的原点。表示磁化之前铁磁物质处于磁中性状态，即B=H=O。当外磁场H从零开始增加时，磁感应强度B随之缓慢上升，如线段落0a所示；继之B随H迅速增长，如ab段所示；其后，B的增长又趋缓慢；当H值增至Hs时，B的值达到Bs，在S点的Bs和Hs，通常又称本次磁滞回线的Bm和Hm。曲线oabs段称为起始磁化曲线。9/23/202345电机与拖动基础当磁场从Hs逐渐减少至零时，磁感应强度B并不沿起始磁化曲线恢复到o点，而是沿一条新的曲线sr下降，比较线段os和sr，我们看到：H减小，B也相应减小，但B的变化滞后于H的变化，这个现象称为磁滞，磁滞的明显特征就是当H=0时，B不为0，而保留剩磁Br。当磁场反向从o逐渐变为-Hc时，磁感应强度B=O，这就说明要想消除剩磁，必须施加反向磁场，Hc称为矫顽力。它的大小反映铁磁材料保持剩磁状态的能力，线段rc称为退磁曲线。9/23/202346电机与拖动基础图还表明，当外磁场按Hs→0→-Hc→-Hs→0→Hc→Hs次序变化时，相应的磁感应强度则按闭合曲线srcs’r’c’s变化时，这闭合曲线称为磁滞回线。所以，当铁磁材料处于交变磁场中时（如变压器铁心），将沿磁滞回线反复被磁化→去磁→反向磁化→反向去磁，由于磁畴的存在，此过程要消耗能量，以热的形式从铁磁材料中释出。这种损耗称为磁滞损耗，可以证明，磁滞损耗与磁滞回线所围面积成正比。当初始态为H=B=O的铁磁材料，在峰值磁场强度H由弱到强的交变磁场作用下磁化，可以得到面积由小到大向外扩张的一组磁滞回线，9/23/202347电机与拖动基础9/23/202348电机与拖动基础铁磁材料的磁化过程可分为四阶段：可逆磁化阶段、不可逆磁化阶段、可逆与不可逆磁化阶段、趋近饱和阶段磁场强度H与铁磁材料中B的关系曲线B=f(H)9/23/202349电机与拖动基础（三）、铁磁材料的磁滞和剩磁现象铁磁材料中磁场B的变化落后于外磁场H的变化称为磁滞现象，从而在铁磁材料中产生了剩磁。饱和磁滞回线与换向磁化曲线上的各有关磁学量9/23/202350电机与拖动基础(四)铁磁材料的磁损耗当铁磁材料处于变化磁场中，会产生涡流损耗和磁滞损耗。1、涡流损耗

CFe

：系数D：厚度

f:频率B：磁密2、磁滞损耗小磁铁来回翻转，摩擦耗能。9/23/202351电机与拖动基础注意：尽管磁路和电路在物理量和基本定律上有一一对应的关系，但是，磁路