電機(jī)及拖動 緒論

1、 課程名稱電機(jī)及拖動年級專業(yè)軌道交通機(jī)電授課教師授課時間學(xué)時3授課題目緒論第一節(jié)電機(jī)及電力拖動系統(tǒng)概述第二節(jié)電機(jī)及拖動課程的性質(zhì)與任務(wù)第三節(jié)本課程的內(nèi)容與任務(wù)第四節(jié)本課程的特點及學(xué)習(xí)方法第五節(jié)電機(jī)理論常用的物理概念與基本電磁定律教學(xué)目標(biāo)知識目標(biāo)：.了解電機(jī)及電力拖動基本概念.掌握本課程特點及學(xué)習(xí)方法.掌握常用物理概念與基本電磁定律技能目標(biāo)：掌握電機(jī)拖動基礎(chǔ)知識，為職業(yè)素養(yǎng)打下基礎(chǔ)素質(zhì)目標(biāo)：.培養(yǎng)學(xué)生誠信、愛崗、敬業(yè)、友善的社會主義核心價值觀.培養(yǎng)學(xué)生工匠精神教學(xué)重點常用物理概念與基本電磁定律教學(xué)難點常用物理概念與基本電磁定律教學(xué)方法講授法、提問法、討論法教學(xué)準(zhǔn)備教師：教案的撰寫；學(xué)生：教師提出

2、本節(jié)課的學(xué)習(xí)目標(biāo)后，學(xué)生明確學(xué)習(xí)的要求及本節(jié)課的重點和難點。教學(xué)過程設(shè)計教學(xué)內(nèi)容教師活動學(xué)生活動1、點名，查考勤；查考勤配合老2、介紹本節(jié)課的主要內(nèi)容、重點內(nèi)容及其難點內(nèi)容。引言：人類社會的發(fā)展離不開能源。而能源則有多種形式，如熱能、光能、化學(xué)能、機(jī)械能、電能和原子能等。其中，電能是最重要的能源之一，和其他能源形式相比具有明顯的優(yōu)點。我們學(xué)習(xí)這個專業(yè)或是做任何事情都需要具備工匠精神，工匠精神就是要求企業(yè)如同一個工匠一樣，琢磨自己的產(chǎn)品，精益求精，經(jīng)得起市場的考驗和推敲。工匠精神的核心是企業(yè)要追求科技創(chuàng)新，技術(shù)進(jìn)步。如果說企業(yè)是國家的經(jīng)濟(jì)命脈所在，那么一個以科技創(chuàng)新，技術(shù)進(jìn)步為主體的企業(yè)，就是民

3、族振興的動力源泉，是國家財富增加的源泉所在。1電機(jī)及電力拖動簡介講授師聽講并思考1.什么是電機(jī)講授聽講并思考、在現(xiàn)代，電能是一種廣泛應(yīng)用的能源。電能與其他能源相比，有突出的優(yōu)點。首先電能的生產(chǎn)與轉(zhuǎn)換比較經(jīng)濟(jì)；其次電能傳輸與分配比較容易；再者電能的使用與控制比較方便，且易于實現(xiàn)自動化。因此，在現(xiàn)代社會中，電能的應(yīng)用已遍及各行各業(yè)中。在電能的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、傳輸、分配、使用與控制等方面，都必須通過能夠進(jìn)行能量(或信號)傳遞與變換的電磁機(jī)械裝置，這些電磁機(jī)械裝置被廣義地稱為電機(jī)。通常所說的電機(jī)，是指那些利用電磁感應(yīng)原理設(shè)計制造而成的、用于實現(xiàn)能量(或信號)傳遞與變換的電磁機(jī)械的統(tǒng)稱。按電機(jī)的功能來分類，

4、電機(jī)可分為：(1)發(fā)電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能；(2)電動機(jī)把電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能；(3)變壓器、變頻機(jī)、變流機(jī)、移相器等，是分別用于改變電壓、頻率、電流及相位的，即把一種類型的電能轉(zhuǎn)變成另一種類型的電能；(4)控制電機(jī)應(yīng)用于各類自動控制系統(tǒng)中的控制元件。值得指出的是，從基本工作原理來看，發(fā)電機(jī)與電動機(jī)只是電機(jī)的兩種不同的運(yùn)行方式，從能量轉(zhuǎn)換的觀點來看，二者是可逆的。上述的各種電機(jī)中，有些是靜止的，如變壓器；有些是旋轉(zhuǎn)的，如各種類型的發(fā)電機(jī)與電動機(jī)。按電流的類型及工作原理的某些差異，旋轉(zhuǎn)電機(jī)又可分為直流電機(jī)、交流異步電機(jī)、交流同步電機(jī)及各種具有專門用途的控制電機(jī)等。2.電機(jī)以及電力拖動的發(fā)展概況記錄始

5、于19世紀(jì)6070年代的第二次工業(yè)技術(shù)革命，是以電力的廣泛應(yīng)用為顯著特點的。從此人類社會由蒸汽機(jī)時代步入了電氣化時代。在法拉第電磁感應(yīng)定律基礎(chǔ)上，一系列電氣發(fā)明相繼出現(xiàn)。1866年，德國工程師西門子制成發(fā)電機(jī)；1870年比利時人格拉姆發(fā)明了電動機(jī)，電力開始成為取代蒸汽來拖動機(jī)器的新能源。隨后，各種用電設(shè)備相繼出現(xiàn)。1882年法國學(xué)者德普勒發(fā)明了遠(yuǎn)距離送電的方法。同年，美國著名發(fā)明家愛迪生創(chuàng)建了美提問思考并國第一個火力發(fā)電站，把輸電線結(jié)成網(wǎng)絡(luò)。從此電力作為一種新能源而廣泛回答應(yīng)用。那時，電機(jī)剛剛在工業(yè)上初步應(yīng)用，各種電機(jī)初步定型，電機(jī)設(shè)計理論和電機(jī)設(shè)計計算初步建立。隨著社會生產(chǎn)的發(fā)展和科技的進(jìn)步

6、，對電機(jī)也提出了更高的要求，如：性能良好、運(yùn)行可靠、單位容量的重量輕體積小等，而且隨著自動控制系統(tǒng)的發(fā)展要求，在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的理論基礎(chǔ)上，又派生出多種精度高、響應(yīng)快的控制電機(jī)，成為電機(jī)學(xué)科的一個獨立分支。電機(jī)制造也向著大型、巨型發(fā)展。中小型電機(jī)正向多用途、多品種方向發(fā)展，向高效節(jié)能方向發(fā)展。各種響應(yīng)快速、起?？焖俚奶胤N電機(jī)在各種復(fù)雜的計算機(jī)控制系統(tǒng)和無人工廠中實現(xiàn)了比人的手腳更復(fù)雜而精巧的運(yùn)動。古老的電機(jī)學(xué)已經(jīng)和電力電子學(xué)、計算機(jī)、控制論結(jié)合起來，發(fā)展成了一門新的學(xué)科。在我國，電機(jī)制造業(yè)也發(fā)生了巨大的變化。我國的電機(jī)生產(chǎn)從1917年至今已有80多年的歷史，經(jīng)過改革開放20多年的發(fā)展，特別是近10年

7、的發(fā)展，有了長足的進(jìn)步，令世人矚目。目前已經(jīng)形成比較完整的產(chǎn)業(yè)體系，電機(jī)產(chǎn)品的品種、規(guī)格、性能和產(chǎn)量滿足了我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。而且一些產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到或接近世界先進(jìn)水平。近來世界上電機(jī)行業(yè)專家紛紛預(yù)測，中國將會成為世界電動機(jī)的生產(chǎn)制造基地。近年來我國已生產(chǎn)了不少大型直流電動機(jī)、異步電動機(jī)和同步電動機(jī)；在中小型電機(jī)和控制電機(jī)方面，亦自行設(shè)計和生產(chǎn)了不少新系列電機(jī)；對電機(jī)的新理論、新結(jié)構(gòu)、新工藝、新材料、新運(yùn)行方式和調(diào)試方法，進(jìn)行了許多研究和試驗工作，取得不少成果。與電機(jī)發(fā)展過程一樣，電力拖動技術(shù)也有個不斷發(fā)展的過程。電動機(jī)拖動生產(chǎn)機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)稱為電力拖動（或稱為電氣傳動）。電力拖動系統(tǒng)一般由控制設(shè)

8、備、電動機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)、生產(chǎn)機(jī)械和電源五部分組成。它們之間的關(guān)系如圖講授聽講并0.1所示。思考、記錄控制設(shè)備，電動機(jī)行動機(jī)構(gòu)一生產(chǎn)盟備電源圖0.1電力拖動系統(tǒng)的構(gòu)成電力拖動代替蒸汽或水力拖動之初，電力拖動的方式是成組拖動，就是由一臺電動機(jī)拖動一組生產(chǎn)機(jī)械，從電動機(jī)到各個生產(chǎn)機(jī)械的能量傳遞以及各個生產(chǎn)機(jī)械之間的能量分配完全用機(jī)械的方法，靠天軸以及機(jī)械傳動系統(tǒng)來實現(xiàn)，車間里有大量的天軸、長皮帶和皮帶輪等。這種傳動方式效率低下，生產(chǎn)率低下，灰塵大，勞動條件和衛(wèi)生條件差，且容易出事故。另外，電動機(jī)發(fā)生故障，則成組拖動的所有生產(chǎn)機(jī)械都將停車，生產(chǎn)將可能停滯。顯然這是一種落后的電力拖動方式。20世紀(jì)20年代

9、以來，生產(chǎn)機(jī)械上廣泛采用一種單電機(jī)拖動系統(tǒng)，即一臺生產(chǎn)機(jī)械用一臺單獨的電動機(jī)拖動。簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，且易于實現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的全部自動化。但是，由于是一臺電動機(jī)拖動具有多個工作機(jī)構(gòu)的生產(chǎn)機(jī)械，需要負(fù)責(zé)能量傳遞的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)。所以，從20世紀(jì)30年代起，廣泛采用了多電動機(jī)拖動系統(tǒng)，即每個工作機(jī)構(gòu)由單獨的電動機(jī)拖動，因而生產(chǎn)機(jī)械的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以大大簡化，提高了機(jī)械機(jī)構(gòu)的可靠性。隨著生產(chǎn)的發(fā)展和科技水平的提高，對拖動系統(tǒng)提出了更高的要求，如：要求提高加工精度與工作速度，要求快速起動、制動及反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)在大范圍內(nèi)調(diào)速以及整個生產(chǎn)過程自動化等。這些，都必須要有自動控制設(shè)備，以組成自動化的電力拖動系統(tǒng)。最早的電力

10、拖動控制系統(tǒng)是繼電器-接觸器自動控制系統(tǒng)，屬于有觸點斷續(xù)控制系統(tǒng)。接著，出現(xiàn)了發(fā)電機(jī)-電動機(jī)組，使得直流電動機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。并且在這個基礎(chǔ)上，發(fā)展成為采用電力電子器件組成的自動化直流電力拖動系統(tǒng)，并且正向大容量方向發(fā)展；自動化元件已有成套標(biāo)準(zhǔn)控制單元，控制裝置集成化、小型化、微型化，設(shè)備可靠性高，維護(hù)簡便，許多設(shè)備都可做到自動運(yùn)行，不需要監(jiān)視和維護(hù)。由于交流電動機(jī)較之直流電動機(jī)具有：結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、維護(hù)方便、慣性小等一系列優(yōu)點，而且單機(jī)容量可以做得很大，電壓等級可以做得很高，可以實現(xiàn)高速拖動等，所以，人們一直在致力研究性能更高的交流調(diào)速系統(tǒng)。目前，隨著電力電子器件的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)已

11、經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，性能指標(biāo)進(jìn)一步提高，容量進(jìn)一步增大，控制系統(tǒng)集成化程度進(jìn)一步提高。交流電力拖動系統(tǒng)取代直流電力拖動系統(tǒng)已經(jīng)是無可爭議的事實了。我國的電力拖動系統(tǒng)取得的發(fā)展是有目共睹的，但是，與國外比較，還是有很大差距。主要體現(xiàn)在：技術(shù)水平相對較低、拖動運(yùn)行效率不高、成套技術(shù)不成熟等。目前，正在奮起直追，狠抓基礎(chǔ)，開展一些關(guān)鍵技術(shù)的研究，以期盡快縮短和國外的差距，力爭達(dá)到拖動系統(tǒng)的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最佳。3.電機(jī)及電力拖動系統(tǒng)的發(fā)展前景電氣化、信息化時代，在性能、可靠性及容量等方面，對電機(jī)提出了更高的要求。交流變頻調(diào)速系統(tǒng)及變頻電機(jī)、大功率無刷直流電機(jī)、永磁同步無刷電機(jī)等得到了很大發(fā)展。同時，隨著

12、新興行業(yè)的發(fā)展，微電機(jī)亦成為電機(jī)行業(yè)發(fā)展的亮點，是我國電工電器行業(yè)（電機(jī)）發(fā)展的重點產(chǎn)品。稀土永磁電機(jī)，無軸承電機(jī)也是電機(jī)技術(shù)發(fā)展的新動向。與此相適應(yīng)，電機(jī)拖動也有了新的發(fā)展，對拖動系統(tǒng)又提出更高的要求，如要求提高加工的精度和工作的速度，要求快速啟動、制動和逆轉(zhuǎn)，實現(xiàn)很寬范圍內(nèi)的調(diào)速及整個生產(chǎn)過程的自動化等，這就需要有一整套自動控制設(shè)備組成自動化的電力拖動系統(tǒng)。而這些高要求的拖動系統(tǒng)隨著自動控制理論的不斷發(fā)展，半導(dǎo)體器件和電力電子技術(shù)的采用，以及數(shù)控技術(shù)計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與采用，正在不斷地完善和提高。綜上所述，電力拖動技術(shù)發(fā)展至今，它具有許多其他拖動方式無法比擬的優(yōu)點。它啟動、制動、反轉(zhuǎn)和調(diào)速的

13、控制簡單、方便、快速且效率高；電動機(jī)的類型多，且具有各種不同的運(yùn)行特性來滿足各種類型生產(chǎn)機(jī)械的要講授聽講并思考、記錄求；整個系統(tǒng)各參數(shù)的檢測和信號的變換與傳送方便，易于實現(xiàn)最優(yōu)控制。因此，電力拖動已成為國民經(jīng)濟(jì)電氣自動化的基礎(chǔ)。2本課程的性質(zhì)、任務(wù)、內(nèi)容和特點電機(jī)及拖動是電氣工程及其自動化專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。它的主要任務(wù)是使學(xué)生掌握常用的交直流電機(jī)、變壓器、控制電機(jī)等的基本結(jié)構(gòu)與工作原理，電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)行性能、分析計算，電機(jī)容量選擇及試驗方法等，為學(xué)習(xí)工廠電氣控制設(shè)備、自動控制原理、信號與系統(tǒng)等課程準(zhǔn)備必要的基礎(chǔ)知識。電機(jī)及拖動是分析和解決電機(jī)與電力拖動系統(tǒng)的基本問題，主要包括直流電機(jī)及拖

14、動、變壓器、異步電機(jī)及拖動、同步電動機(jī)、控制電機(jī)和電動機(jī)容量的選擇等內(nèi)容。課程學(xué)完后學(xué)生應(yīng)達(dá)到下列要求：掌握常用的交直流電機(jī)及變壓器的基本原理（電磁關(guān)系、能量關(guān)系）；掌握電動機(jī)機(jī)械特性以及各種運(yùn)行狀態(tài)的基本原理；掌握電力拖動系統(tǒng)中電動機(jī)的調(diào)速方法、調(diào)速原理和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；掌握電機(jī)與電力拖動系統(tǒng)的基本實驗方法與技能，并具有熟練的運(yùn)算能力；掌握電力拖動系統(tǒng)中電動機(jī)容量的選擇；掌握控制電機(jī)的工作原理、特性及用途。本課程的特點是理論性強(qiáng)、實踐性也強(qiáng)。分析電機(jī)與電力拖動的工作原理要用電學(xué)、磁學(xué)和動力學(xué)的基礎(chǔ)理論，既要有時間概念，又要有空間概念，所以理論性較強(qiáng)；而用理論分析各種電機(jī)和電力拖動的實際問題時，

15、必須結(jié)合電機(jī)的具體結(jié)構(gòu)、采用工程觀點和工程分析方法，除要掌握基本理論以外，還應(yīng)注意培養(yǎng)實驗操作技能和計算能力，所以實踐性也較強(qiáng)。因此，學(xué)習(xí)本門課程應(yīng)該特別注意理論聯(lián)系實際。3本課程常用的電磁定律與公式一.電路定律.歐姆定律,UUI=RRUIRII-UZ.基爾霍夫第一定律（電流定律）ZI-0i-0fZI=0或.基爾霍夫第二定律（電壓定律）ZU-ZE講授講授聽講并思考、記錄聽講并思考、記錄Zu工e-ZU=2E或二.全電流定律(安培環(huán)路定律).電流磁效應(yīng)凡是電流均會在其周圍產(chǎn)生磁場，叫電流的磁效應(yīng)，即所謂“電生磁”。磁力線的方向可根據(jù)電流的方向有右手螺旋定則確定。.磁路的幾個基本物理量(1)磁感應(yīng)強(qiáng)

16、度B8的方向B的大小：與磁場方向垂直的單位面積即穿過的磁力線的數(shù)目。單位1T=104Gs(2)磁感應(yīng)通量穿過某一截面8的磁感應(yīng)強(qiáng)度8的通量，即穿過某截面8的磁力線的數(shù)目，故稱為磁感應(yīng)通量，簡稱磁通。0=JB.dsS0,B二一磁場均勻且與截面垂直時，0-BS。S稱為磁通密度。0的單位為Wb1Wb=108MxB的單位為T1T=1Wb/m21Gs=1Mx/cm2(3)磁場強(qiáng)度HH=B日或B二|iH日為導(dǎo)磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率，反映介質(zhì)的導(dǎo)磁性能，口大則導(dǎo)磁性能好。目的單位H/m,真空的日0=4nx107H/m。一般，口=從尸0,日產(chǎn)20006000(鐵磁性材料)H的單位為A/m或A/cm3.全電流定律磁場中

17、沿任一閉回路的磁場強(qiáng)度H的線積分等于該閉回路回路所包圍的所有導(dǎo)體電流的代數(shù)和。JHdl=ZIl這就是全電流定律。當(dāng)導(dǎo)體電流的方向與積分路徑的方向符合右螺旋關(guān)系時為正，反之為負(fù)。三.磁路及磁路定律磁路：磁通流通的路徑。講授聽講并思考、記錄鐵磁材料的磁化曲線(1)磁路的歐姆定律將全電流定律用于右圖所示的無分支磁路可得2Hl工I=Ni鐵磁材料的磁化曲線(1)磁路的歐姆定律將全電流定律用于右圖所示的無分支磁路可得2Hl工I=NiHl=0l=Ni講授Ni聽講并思考、記錄lRmpA磁路中的磁通0與作用在該磁路的上的磁動勢成正比，與磁路的磁阻成反比，稱為磁路的歐姆定律。磁阻mA磁導(dǎo)m(2)磁路的基爾霍夫第一

18、定律對任一封閉面而言，穿入的磁通必于穿出的磁通，這是磁通連續(xù)原理。對有分支的磁路在磁通匯合處的封閉面上磁通的代數(shù)和等于零，即0=0。圖中，01+02-03=0(3)磁路的基爾霍夫第二定律將全電流定律應(yīng)用到任一閉合磁路上，有JHdI=EHl=ZNi=ZF=ZoRm磁壓降的代數(shù)和等于磁動勢的代數(shù)和。FF=NiNi=HlHl=0R。R圖例中12112211221m12m2磁路和電路的差別：(1)電路可以有電勢無電流，磁路中有磁動勢必然有磁通;(2)電路中有電流就有損耗(I2R)，恒定磁通下，磁路中無損耗;G導(dǎo)G絕X1020而NFe=（103104）N0，磁路中必須考慮漏磁通；（4）電阻率P在一定溫度下恒定不變，而鐵磁材料構(gòu)成的磁路中，N隨B變化，即Rm隨飽和度增加而增加。四.電磁感應(yīng)定律d9d6eNdtdt負(fù)號解釋：.變壓器電動勢線圈與磁通