绪论(电机与拖动)

《电机与拖动基础》机械电子工程学院工程训练中心许丽川xulichuan@.cn第一章绪论1.1课程内容与课程性质1.2本课程常用的物理概念和定律概述1.1课程内容与课程性质“电机与拖动基础”是把电机学和电力拖动基础两门课程有机结合的一门课程。是工业电气自动化专业和非电机专业最主要的专业基础课。电机定义为“依据电磁感应定律和电磁力定律，由电路和磁路构成的能实现机电能量转换或信号传递与转换的装置”。——电磁式电机电力拖动定义为“电动机拖动生产机械运转”。电机——泛指机电能量转换的装置。根据实现转换的原理，有电磁原理、压电超声原理、静电原理(MEMS)、形状记忆合金等。超声波电机电磁式电机电机拖动应用系统悬挂传送系统饮料灌装分拣系统电机拖动应用系统工业机械臂升降电梯电机拖动应用系统电机拖动应用系统本课程学习的主要内容几种电机的工作原理、分析方法、运行特性工作原理电机内部电磁关系——物理模型分析方法——稳态分析电机运动方程——数学模型电机等效电路——电路模型运行特性电机的运行特性和性能——外特性、机械特性等。几种电机的拖动性能——起动、调速、制动电机模型稳态模型动态模型拖动性能动态性能稳态性能稳态现象：电动机重载和轻载时，哪种情况转速快？哪种情况更耗电？动态现象：电动机起动时，转速和电流如何变化？本课程与后续课程的关系电力拖动系统一般是由电动机、生产机械的传动机构、工作机构、控制设备和电源组成。控制设备电动机传动机构工作机构电源

《电机与拖动基础》《电力电子变流技术》《电气控制及PLC》《单片机》《电机拖动自动控制系统》《工厂供电》《自动控制原理》特殊电机现代电机控制原理本课程的安排课堂课时：68学时成绩比例：平时10％，期末90％一.磁路基本理论二.拖动系统基本理论三.直流电机及其拖动系统四.变压器五.交流电机及其拖动系统直流电机、变压器、交流电机基本各占1/3学时。ElectricPowerSystemGeneratingfacilitiesBulktransmissionstationtransmissionlinesSmallindustrialcustomersSchoolstransmissionstationLargeindustrialcustomerstransmissionstationStoresDistributionsubstationResidentialandruralcustomers二、发电到用电的简况华北——内蒙古赤峰发电厂山西大同发电厂哈尔滨第三发电厂华东——浙江富春江水电厂全景新安江水电厂全景广东省第一座无人值班110千伏佛山城东变电站（1998年3月投产）500kV瓶窑变电所全景华东-500kV黄渡变电站主变压器徐（州）-沪500kV线路镇江大跨越1.2本课程常用的物理概念和定律概述一、电机基本分类及电机中的材料二、铁磁材料特性三、电机中的基本电磁定律四、磁路基本定律及计算方法一、电机基本分类及电机中的材料电机基本分类变压器旋转电机直流电机交流电机同步电机异步电机按运动方式分类按功能分类发电机电动机变压器、变流机、变频机、移相器控制电机直线电机电机中的材料导电材料：铜线或铝线，常用于电机绕组导磁材料：铁磁材料（铁、镍、钴等以及它们的合金）——硅钢片（DR320、DR530），铸钢，铸铁结构材料：铸铁、铸钢和钢板或铝合金，用来构成电机的整体，要求机械强度好，加工方便。绝缘材料：聚酯漆、环氧树脂、玻璃丝带等，常用于导体之间和各种构件之间的绝缘处理，要求介电强度高，耐热性好。绝缘性能与温度有关，按耐热程度可以分为A、E、B、F、H、C等6个绝缘等级。如B级绝缘为130度长期使用，H级绝缘为180度长期使用。二、铁磁材料特性——导磁特性1、磁导率B：磁感应强度、磁通密度、磁密，通常用磁力线描述其大小和方向。单位“特斯拉”，T(1T=1Wb/m2)。：磁感应通量、磁通，穿过某一截面S的磁感应强度B的通量。单位“韦”，Wb。H：磁场强度，计算导磁物质中的磁场时，引入的辅助物理量。单位“安/米”，A/m。若磁介质是均匀而且各向同性的，则B和H是同向的。磁导率μ：磁感应强度B与磁场强度H之比，是衡量物质导磁性能的物理量，单位是亨/米，H/m(1H=1Wb/A)。μ0=4π×10－7H/m真空中的磁导率为常数:2.物质磁性能分类(按磁导率分类)(1)磁性物质

(2)非磁性物质：

≈

0

顺磁物质（如变压器油和空气）：

略大于

0

反磁物质（如铜和铋）：

略小于

0

3.磁性物质的特点

(1)高导磁性：μ

>>μ0

铸钢μ

≈1000μ0

硅钢片μ

≈(6000~7000)μ0

坡莫合金μ

≈(几万倍)μ0磁性物质具有高导磁性的原因：内部存在着很多小“磁畴”磁畴（磁化前）磁畴（磁化后）(2)磁饱和性：μ

≠常数跗点膝点饱和点磁性物质磁场饱和后，其磁导率μ

近似为真空磁导率μ0

。初始磁化曲线(3)磁滞性：B的变化总是滞后H的变化剩磁矫顽力磁滞回线基本磁化曲线(a)

硬磁物质

B－H曲线宽，Br大、Hc

大。钴钢、铝镍钴合金、铋铁硼合金，用于制造永磁铁。(b)

软磁物质

B－H曲线窄，Br小、Hc

小。软铁、硅钢、坡莫合金、铁氧体，用于制造变压器、电机和电器等的铁心。(c)矩磁物质

B－H曲线形状接近矩形，Br大、Hc

小。镁锰铁氧体(磁性陶瓷)，用于计算机中，作记忆单元。按磁滞回线的不同，磁性物质可分为

磁滞损耗——铁磁材料在交变磁场作用下的反复磁化过程中，磁畴会不停转动，相互之间不断摩擦，消耗一定的能量，产生功率损耗，称为磁滞损耗。

磁滞损耗与磁滞回线的面积、电流频率、铁心体积成正比。硅钢片的磁滞回线窄（钢片中加入硅），导磁性能也较好，所以，大多数电机、变压器和普通电器的铁心都由硅钢片叠成。4.磁性物质的功率损耗涡流与涡流损耗

涡流——铁磁材料在交变磁场作用下将有围绕磁通呈涡旋状的感应电动势和电流产生，简称涡流。

涡流损耗——涡流在其流通路径上的等效电阻中产生的损耗称为涡流损耗。

减小涡流损耗，首先减小厚度，其次是增加涡流回路的电阻率，电工钢片中加入适量的硅，显著提高了电阻率。铁损=磁滞损耗+涡流损耗在电机和变压器计算中，当磁路铁心中的磁通是交变磁通时，磁滞和涡流损耗是同时发生的，通常把二者合在一起称为铁损耗，简称铁损。想一下：铁损属于有功功率还是无功功率？铁心中的磁滞损耗和涡流损耗都消耗有功功率，使铁心发热。三、电机中的基本电磁定律1、安培环路定律在磁场中，沿任意一个磁回路的磁场强度线积分等于该回路所环链的所有电流的代数和。正方向规定：I的方向与回路方向符合右螺旋定则为正。工程简化式为：其中：为励磁线圈的匝数；为磁路各段的磁位降，或一段磁路所消耗的磁通势；

,单位A，为整个磁路上的磁通势，或全电流匝数；电机中磁场构成的主要结构——铁心线圈：在均匀磁场中，若载流直导线与B方向垂直、长度为L，流过的电流为I，则载流导线所受的力为f，有其方向在电机学中习惯上用左手定则确定。2、电磁力定律3、电磁感应定律——切割电动势长度为l的直导线与磁场相对运动，切割速度为v，若磁场均匀，导线l、B、v三者方向互相垂直，则导线中感应电动势为

，方向用右手定则确定。电磁感应定律——线圈电动势正方向规定：电动势或电流正方向与磁通正方向符合右螺旋定则。四、磁路基本定律及计算方法(一)铁心线圈磁路基本概念1.铁心线圈：采用具有高导磁性的铁磁物质做成铁心，将线圈绕于其上通以电流产生磁场2.主磁通：经铁心而闭合的磁通Φ，占总磁通量的绝大部分3.漏磁通：经空气等非磁性物质而闭合的磁通Φσ

，占总磁通量的很小部分，通常可以忽略4.磁路：主磁通通过的路径(二)磁路欧姆定律根据全电流定律，等式左边：μc

Aclcμ0A0l0+u－iΦ等式右边：磁路欧姆定律：磁阻(H-1)：磁路的磁阻与磁路的长度l成正比，与磁路的横截面积A成反比，与磁路介质的磁导率μ成反比；铁磁物质磁路的磁阻就是非线性的；铁磁物质的磁阻远远小于空气隙的磁阻；若要保持磁路中的磁通不变，磁阻越大，所需磁通势NI就越大，因此，磁路中要尽量减少不必要的空气隙磁阻。磁阻：磁导：(三)磁路基尔霍夫定律1.磁路基尔霍夫第一定律任一封闭面内，磁通的代数和等于零，即∑Φ=0，或穿入任一封闭面的磁通量等于穿出此封闭面的磁通量。Φ3－Φ1－Φ2

=

02.磁路基尔霍夫第二定律磁路任一闭合回路中，磁位差的代数和等于磁通势的代数和，即∑Um=∑F，H和i方向符合右手螺旋规则，H方向以回路绕行方向为参考正方向。例如，考察l1和l2构成的闭合回路，取l1回路方向为参考正方向。(四)磁路的简单计算——1.直流磁路两种问题：①已知Ф，求解F；②已知F，求解Ф。在电机或变压器的磁路计算中常见第一种。求解基本步骤磁路分段，求解各段截面积Ai和长度Li根据给定磁通Ф

，求解各段磁密Bi根据各段磁密

Bi，求解对应的磁场强度Hi对铁磁材料，查基本磁化曲线或表对空气隙或非磁性间隙，用真空磁导率计算计算各段的HiLi根据磁路基氏第二定律，在磁回路上求解F=Ni2.交流磁路的特点(1)在每一瞬间与直流磁路相同，遵循磁路基本定律，可以使用相同的基本磁化曲线。(2)磁通量和磁密均用交流的瞬时最大值表示。(3)磁通势和磁场强度则用有效值表示。(4)交变磁通会在铁心中引起铁损耗，会在励磁线圈中感应电动势。(5)磁饱和现象会导致励磁电流、磁通和电动势波形的畸变。

(五)自感——单位电流所产生的自感磁链自感的大小与匝数的平方和磁路的磁导成正比；铁心线圈的自感要比空心线