西南交大电机与运动控制系统教案-电机与运动控制

电机与运动控制系统

刘黎liuli_link@163.com西南交通大学电气工程学院？？？学什么？为什么学？怎么学？怎么考核？总评成绩：平时10%，实验10%，考试80%。电机是实现能量转换和信号转换的电磁装置用作能量转换的电机称为动力电机用做信号转换的电机称为控制电机什么是电机？什么是运动控制系统？以电动机及机械设备为控制对象，以控制器为核心，基于控制理论，实现电气传动的自动控制系统。典型电力拖动控制系统指令系统计算机控制器单片机、数字模拟器件、控制电器功率放大变流装置执行电动机执行机械反馈检测器件反馈控制理论微机原理电路、电子学功率电子技术检测技术电力拖动基础电力拖动自动控制系统C语言计算机控制技术单片机原理与控制技术自动化电气非电气过程自动化单机自动化开环自动控制闭环自动控制现代电气自动控制系统的基本构成课程目的了解电机的功能和分类；掌握机电能量转换基本理论；掌握交、直流电动机的基本原理、基本特性及作为被控对象时的动、静态数学模型的建立；掌握交、直流运动控制系统原理及设计；了解控制电机的功能、分类及应用背景。西南交通大学信息科学与技术学院5课程内容机电能量转换基础直流电机与直流调速控制系统交流电机与交流调速控制系统控制电机（测速电机、伺服电动机、步进电动机）电机控制实验先修课程高等数学大学物理电路分析参考书目电机与运动控制系统，杨耕等编著．清华大学出版社（教材）A.E.Fitzgerald等著.刘新正等译.电机学.

电子工业出版社，2004控制电机及其应用，巫付专等，电子工业出版社，2008年第一章概述重点与难点：了解电机分类、基本原理；机电能量转换常用的基本定律；电机磁材料与磁路；熟悉电机系统基本分析方法。第一节电机概况什么是电机？电机的基本工作原理？－应用电磁感应原理实现机电能量转换的机械电机的分类发电机：将机械能转换成电能电动机：把电能转换成机械能变压器：改变电压等级控制电机：用于信号的变换与传递特种电机电机的用途电力工业（发电机、变压器）－电能的生产、传输、分配机械、冶金、化学工业（电动机拖动）运输行业（牵引）控制系统（控制电机）第二节机电能量转换相关基本定律全电流定律（安培环路定律）电磁感应定律电磁力定律电路定律牛顿第二运动定律与磁场、磁路相关与等值电路相关与动力学问题相关1、全电流定律（安培环路定律）在磁场中沿任意闭合回路磁场强度的线积分等于穿过该回路所有电流的代数和，即：式中，电流方向与闭合回路环绕方向符合右手螺旋关系时为正，反之为负。安培环路定律HL思考对于仅存在载流导体的情况：1、全电流定律（安培环路定律）（续）例：按图中顺时针l1、l2取回路有：按图中顺时针l1、l3取回路有：1i1N2i2N1l1F2F3F2l3l2、电磁感应定律当与线圈交链的磁链Ψ随时间变化时，线圈中将感应电动势e，e的大小等于线圈所交链的磁链对时间的变化率，e的方向符合楞次定律，数学描述为：（式中N为线圈匝数）(1)线圈感应电动势:(2)运动导体感应电动势：当磁场均匀、导线为直线、且运动方向与磁场和导体三者相互垂直。则：导体在磁场中运动切割磁力线，产生电动势：2、电磁感应定律（续）（方向用右手定则确定）3、电磁力定律（方向用左手定则确定）载流导体在磁场中受力，大小为：当磁场均匀、导体为直线且导体方向与磁场相互垂直。则：注：旋转电机中，转子导体上电磁力电磁转矩Tem4、电路定律

基尔霍夫第二定律（电压定理）KVL:

基尔霍夫第一定律（电流定理）KCL:

欧姆定律5、牛顿第二运动定律对平动刚体对旋转刚体第三节电机中所用的材料与磁路电机电路部分磁路部分结构部分－结构材料－导电材料、绝缘材料导磁材料－一、电机中所用的材料

导电材料：作为电机中的电路，常采用导电性能好的材料，如紫铜或铝绝缘材料：作为带电体之间和铁心间的电气隔离。要求材料介电强度高而且耐热强度好。导磁材料：作为电机中的磁路，常用硅钢片、钢板和铸钢结构材料：使各部分构成整体、支撑和连接其他机械。要求机械强度好、加工方便。常用铸铁、铸钢、铝合金及工程材料二、基本磁路物理量磁场强度H(A/m)磁感应密度(磁密)B(T)磁动势(磁势)F(A)：励磁绕组产生的安匝数F=Ni磁通量(磁通)Φ(Wb)：穿过曲面S的磁通是磁感应密度B的法线分量的面积分磁场强度H与磁感应密度B的关系由材料特性决定

B＝μH

μ称为材料的磁导率相对磁导率：材料的磁导率与真空磁导率的比值基本磁路物理量（续）电机中使用的铁磁材料的典型相对磁导率范围：2000－80000三.磁性材料的特性按相对磁导率，将材料分为非磁性物质：μr约为1磁性（铁磁）物质：μr远大于1铁磁物质包括铁、镍、钴等和他们的合金铁磁物质在外磁场中呈现磁性大幅度增强的现象非磁性物质

非磁性物质分子电流的磁场方向杂乱无章，几乎不受外磁场的影响而互相抵消，不具有磁化特性。非磁性材料的磁导率都是常数，有：此时B与H呈线性关系。OHB

0

r

1B=

0H(

)(I)磁性物质磁性物质特点：磁畴。在外磁场作用下，磁畴方向发生变化，使之与外磁场方向趋于一致，整体显示出磁性来，称为磁化。即磁性物质能被磁化。磁畴外磁场在无外磁场作用时，各个磁畴排列杂乱无章，磁场互相抵消，整体对外不显磁性。磁畴磁性材料的磁性能高导磁性

r1

磁饱和性当外磁场增大到一定程度时，磁性物质的全部磁畴的磁场方向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。OHBB0BJB•a•b磁化曲线思考磁滞现象磁滞回线：磁性材料在交变磁场中反复磁化，其B-H关系曲线形成一条的回形闭合曲线。磁滞现象：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注：磁性物质不同，其磁滞回线和磁化曲线也不同。铁磁材料分类软磁材料磁滞回线窄，剩磁Br和矫顽力Hc小铸铁、钢、硅钢片等软磁材料的磁导率较高硬磁（永磁）材料磁滞回线宽、Br和Hc都大的铁磁材料永磁材料的性能用剩磁Br、矫顽力Hc和最大磁能积（BH）max三项指标表征四.磁路

1.磁路的概念：磁通所通过的闭合路径。是以高导磁性材料构成的使磁通被限制在结构所确定的路径之中的一种结构(和电流在电路中被导体所限制是极为相似)。+–NIfNSS直流电机的磁路变压器的磁路+–

1

磁路欧姆定理对于等截面、磁密分布均匀、材料一致的简单磁路假设磁通为Φ，磁动势为F=Ni，磁路截面积为A，磁路平均长度为l+–

磁位降磁阻磁路与电路的比较磁路磁通势F磁通

磁阻电路电动势E电流密度J电阻磁感应强度B电流I

NI+_EIR第四节电机的能量变换效率与损耗一.电机的损耗铜耗pCu：导体中流过电流产生的损耗；铁耗pFe：铁心中产生的磁滞损耗和涡流损耗；机械损耗pmec：机械运动产生的摩擦和风阻；附加损耗pad：其他原因引起的损耗。电机中的损耗→热能→电机的温度升高铁心损耗（1）磁滞损耗铁磁材料在交流磁场中反复磁化，磁畴相互摩擦产生的损耗。－由于硅钢片磁滞回线的面积较小，故电机和变压器的铁心常用硅钢片叠成。（2）涡流损耗交变磁场在铁心中产生感应电势感应电势产生涡流涡流产生损耗－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。（3）铁心损耗二、电机的发热电机中的重要参数：温升电机温升＝电机温度-环境温度（国家规定环境计算温度为40℃）绝缘材料按耐热能力可以分为A(105℃)、E(120℃)、B(130℃)、F(155℃)、H(180℃)、C(>180℃)级思考电机中哪种材料耐热性最差？三、电机的冷却电机的冷却决定了电机的散热能力和电机的温升，从而直接影响电机的寿命和额定容量。冷却介质：电机中能直接或间接带走电机所产生的热量的物质。常用空气、氢气、水和油冷却方