电机及拖动系统 课件 绪论

绪论0.1电机及拖动系统发展概况0.2电机的种类及制造材料0.3电机及电力拖动系统的一般分析方法0.4课程的性质、任务及学习方法0.5本课程涉及的电磁学基本理论0.1电机及电力拖动系统发展概况1.电机及其发展

电机是以磁场为媒介实现能量变换与传递的电磁机械。从能量变换（功能）的角度看，电机分为电动机、发电机和变压器三大类。问题：你的生活空间中用到了多少电机？

电机是运动控制系统、自动化设备中的一个执行元件。电机的共性◆依赖于电磁感应定律和电磁力定律◆导磁材料构成磁路，导电材料构成电路电机中的三类基本物理量◆电以“路”的形式出现；线圈构成电路◆磁以“场”的形式出现；以磁路进行分析◆力电机中与之相关的有电磁力、电磁转矩0.1电机及电力拖动系统发展概况我国电机工业的发展概况经过70多年发展，培养了一大批从事研究、制造电机的专家、技术人员和企业，制定了统一的国家标准和系列化产品。在发电设备制造方面，研制出300MW、600MW汽轮发电机、650MW核电机组、700MW水轮发电机。电力变压器最大容量已达到840MVA，电压最高1000KV。在大型交直流电机制造方面，研制出2*5000KW的直流电动机，4700KW的直流发电机，42MW的同步电动机。在中小型、微型电机制造方面，自主开发研制了100多个系列、上千品种的各类型电机，以满足生产和生活的需求。0.1电机及电力拖动系统发展概况

电机的发展趋势：

◆

大型化；单机容量越来越大，如60万千瓦及以上的汽轮发电机（已出现1000万千瓦的超超临界机组）。

◆

微型化；为适应设备小型化的要求，电机的体积越来越小，重量越来越轻。

◆

新原理、新工艺、新材料的电机；如无刷直流电机、直线电机、超声波电机等。电机驱动系统也正朝集成化、数字化、智能化和网络化方向发展。0.1电机及电力拖动系统发展概况电力拖动分：直流拖动、交流拖动由电动机实现

最初成组拖动

单电机拖动

多电机拖动

一台电机拖动一组生产机械，能量传递与分配靠机械方法实现，能量损耗大，效率低，事故多。一台电机拖动一台生产机械，简化了机械结构。每一工作机构由独立电机拖动，机械结构大大简化，各机械间一般采用电气方法联系。2.电力拖动系统的发展概况0.1电机及电力拖动系统发展概况0.1电机及电力拖动发展概况电力拖动系统的组成电力拖动系统的心脏是电动机，控制设备是大脑，电源是动力，传动机构是四肢和工具，负载就是生产机械。

电源控制设备

电机机械传动机构负载0.2电机的种类及制造材料电机的分类方法很多，下面为按功能用途的主要分类。电机所用的材料主要包括4类(1)导电材料：构成电机中的电路系统。电机绕组常用铜绕

组，小型异步电动机的转子常用铝模铸成。(2)导磁材料：构成电机中的磁路系统。常用硅钢片（也称

矽钢片或电工钢片）、钢板和铸钢。(3)绝缘材料：作为带电体之间、带电体与铁心间的电气隔

离，要求材料的介电强度高且耐热强度好。(4)结构材料：使各部分构成整体、支撑相连接的其他机械

部分。常用铸铁、铸钢、钢板、铝合金及工程塑料。0.2电机的种类及制造材料0.3电机及电力拖动系统的一般分析方法1.电机及拖动系统的一般分析方法◆采用电路和磁路理论的宏观分析方法。◆采用电磁场理论的微观分析方法。2.分析电机及拖动系统的一般步骤(宏观分析法）◆各类电机的基本运行原理和结构。◆根据结构的具体特点，分析各类电机内部的电磁关系。◆根据内部的电磁关系，建立电机的数学模型/描述，主要

包括基本方程式、等效电路和向量图。◆利用上述数学模型/描述分析各类电机的运行特性、机械

特性和性能指标。0.3电机及电力拖动系统的一般分析方法◆根据电动机的机械特性和负载的转矩特性讨论各类拖动系统的稳定性、起制动特性、调速特性等。◆讨论电动机的各种运行状态及四象限运行情况。3.分析电机内部电磁过程并建模时，常用方法理论◆铁心饱和时，采用叠加原理对气隙磁动势、磁场及气隙磁

场感应的电动势进行分析；铁心不饱和时，采用主、漏磁

通进行分析。◆对交流电机或者变压器，在保持电磁关系不变情况下，利用折算法进行折算，然后再建模。◆在对交流电机或者变压器的稳态特性进行分析计算时，

常用基本方程式、等效电路以及相量图等工具。◆在非正弦磁场或非正弦电压的分析过程中，经常采用谐

波分析法。◆在讨论多轴电力拖动系统时，按功率传递关系及能量保

持不变的原则将多轴系统等效为单轴系统进行讨论。0.3电机及电力拖动系统的一般分析方法0.4本课程的性质、任务及学习方法1.课程性质

组成：《电机学》+《电力拖动基础》性质：专业基础课课程名称：电机及拖动基础课程类别：必修2.课程任务◆各类电机的基本运行原理、结构、内部电磁关系及其数

学描述、运行特性、机械特性等的分析与计算。◆各类电动机拖动不同负载时的稳定性、起制动性能及调

速性能等的分析与计算。0.4本课程的性质、任务及学习方法3.课程主要内容

(1)直流电机及直流电动机的电力拖动(2)交流电机及交流电动机的电力拖动(3)变压器(4)微控电机、电机选择、电机及拖动的计算机仿真

4.学习方法(1)理解基本概念，弄清基本理论，掌握基本方法。

◆分析问题时，抓主要矛盾，有条件的略去一些次要因

素，寻找问题本质。0.4本课程的性质、任务及学习方法(2)理论联系实际

◆学习理论时，不要只满足于公式中的数学关系，而要通

过数学关系去理解它们之间的物理含义。

◆要重视实验环节，善于用所学理论去分析生产实际中的

问题。要做到上课、练习、实验三者有机结合。(3)善于使用对比、比较方法

◆所有电机均以电磁理论为理论基础，有许多共性内容和

内在联系，要善于总结对比,举一反三,触类旁通，这样

可起到事半功倍的作用。(4)充分预习和复习

◆课内课外学时比例：1:20.5本课程涉及的电磁学基本理论0.5.1磁的基本概念磁场及右手螺旋定则

磁场是由运动电荷或电场的变化产生的，可用磁力线来描述。磁力线的方向与电流满足右手螺旋定则。

通电导体的右手螺旋定则通电线圈的右手螺旋定则0.5本课程涉及的电磁学基本理论磁通密度B(T):又称磁感应强度，描述磁场的强弱和方向的一个物理量。通常用通过磁场方向单位面积的磁力线数来表示。磁通

(Wb):指穿过某一截面S的磁通密度B的通量。通常用穿过截面S的磁力线根数表示大小，即若截面S与磁通密度B垂直，则若截面S与磁通密度B不垂直，截面S的法线与磁通密度B的夹角为，则0.5本课程涉及的电磁学基本理论磁场强度

(A/m)

:在线性磁性材料的一定范围内，磁场强度定义为介质中某点的磁通密度B与介质磁导率之比注意：磁通和磁通密度与介质有关，而磁场强度与介质无关，磁通密度随介质的不同而不同，其程度取决于介质的磁导率。其中，为磁导率，表征磁介质导磁性能的物理量。真空中，铁磁材料中的不是一个常数。0.5本课程涉及的电磁学基本理论

磁动势：等于流过线圈的电流与其匝数的乘积，即

磁阻：磁阻与磁路的平均长度，磁路截面积及磁路介质的磁导率有关，即磁路：磁通走过的路径。与电流只通导体不同，所有介质

都可以是磁路的通路，分铁磁介质和非铁磁介质。励磁线圈：产生磁通的载流线圈，励磁线圈中的电流叫励

磁电流。励磁电流是直流的磁路，磁通恒定,叫直流磁路；励磁电流是交流的磁路，磁通随时间变化，叫

交流磁路。0.5本课程涉及的电磁学基本理论0.5.2.磁性材料及其特性磁性材料（也称铁磁材料）:一般是由铁或铁与钴、镍、铝及其他金属的合金构成。分为软磁材料和硬磁材料。

为了在磁动势一定的条件下获得较强的磁场，以改善电机的性能、缩小尺寸，要用高导磁的铁磁材料作磁通路，故电机的铁心都是铁磁材料做成的。铁磁物质的磁化：把铁钴镍等材料放入磁场中，铁磁材料在外磁场中呈现很强的磁性，铁磁材料被磁化了。

问题：非铁磁材料放入磁场会被磁化吗？0.5本课程涉及的电磁学基本理论1.磁滞回线与磁化曲线

在外加磁场前后，铁磁材料的内部磁畴将发生如图0-2所示的变化，称为磁化。(a)磁化前(b)磁化后

图0-2铁磁材料的磁化

铁磁材料被磁化后，由磁畴产生的内部磁化磁场与外加磁场叠加使得合成磁场加强。外加磁场H与合成磁场B之间的关系通常用磁化曲线来描述，如图0-3所示。0.5本课程涉及的电磁学基本理论

磁性材料具有三个显著特点：高磁导性，磁滞性，磁饱和性，其磁滞回线如图0-4所示。图0-3磁性材料的磁化曲线图0-4磁性材料的磁滞回线0.5本课程涉及的电磁学基本理论从能量转换角度看，磁性材料的重要性有两点：◆通过磁性材料，就有可能以相对低的磁化力来获取高的磁通密度。因为随着磁通密度增加,磁力及能量密度增加，所以这一作用对能量转换装置的性能至关重要。◆磁性材料可用于沿精心确立的路径来束缚及导向磁场。在变压器中，磁性材料既可用来最大限度地使绕组间匝链，又可降低变压器运行所需要的励磁电流。在电动机和发电机中,磁性材料用于定形磁场,以获得期望的转矩和端部电特性。

因此，设计人员利用磁性材料来得到满足特殊需要的装置特性。

0.5本课程涉及的电磁学基本理论起始磁化曲线:将一个未磁化的磁铁进行磁化，当磁场强度H逐渐增强时，磁通密度B也随之增强。测定的B-H曲线即为起始磁化曲线。平均磁化曲线：对于同一铁磁材料，选择不同的磁场强度Hm反复磁化时，可以得到不同的磁滞回线，将这些不同的磁滞回线的顶点连接起来，就得到了平均磁化曲线。◆平均磁化曲线和起始磁化曲线几乎完全重合。◆在磁路计算时所用的磁化曲线都是用平均磁化曲线。0.5本课程涉及的电磁学基本理论2.软磁材料和硬磁材料

根据磁滞回线形状不同，铁磁材料分为软磁材料与硬磁材料。软磁材料：剩磁和矫顽力小，导磁率高，可制造变压器、交直流电机铁心，计算磁路时可不考虑磁滞损耗。硬磁材料：剩磁和矫顽力大，磁滞回线宽，常用来制造永久磁铁，如稀土钴、汝铁硼等。图0-5为它们的磁滞回线。

图0-5铁磁材料的磁滞回线0.5本课程涉及的电磁学基本理论3.铁磁材料中的铁耗除了磁饱和现象外，铁磁材料内部由于存在磁滞和涡流现象而引起磁滞和涡流损耗。磁滞和涡流损耗统称为铁心损耗，简称为铁耗，可表示为：式中，为磁场的交变频率，为铁心的体积；为常数，对电工用硅钢，为最大磁密；

为磁滞损耗系数；为涡流损耗系数；△为铁磁材料的厚度；

为铁心的损耗系数；为铁心的重量。0.5本课程涉及的电磁学基本理论1.电磁感应定律

切割电动势

:

变压器电动势：方向判别右手定则楞次定律(a)切割电动势(b)变压器电动势0.5.3电磁学基本定律0.5本课程涉及的电磁学基本理论2.电磁力定律在磁场中沿任意一个闭合磁回路的磁场强度H的线积分在数值上等于该闭合磁回路内的全电流，即方向判别：左手定则3.全电流定律0.5本课程涉及的电磁学基本理论将磁路分段：假定闭合磁力线由通过电流i的N匝线圈产生，且沿闭合磁力线

上的磁场强度处处相等，则有0.5本课程涉及的电磁学基本理论4.磁路的欧姆定律与线圈电感的表达式由全电流定律可推得与电路的欧姆定律