電機拖動-緒論;磁路

電機及拖動基礎(chǔ)2主干課程之間的關(guān)系高等數(shù)學(xué)大學(xué)物理電路原理電機與拖動基礎(chǔ)理論專業(yè)知識橋梁電機測控電機設(shè)計電氣傳動電力系統(tǒng)高壓技術(shù)建筑電氣3電機應(yīng)用領(lǐng)域5教學(xué)大綱-基本要求了解變壓器、直流電機、感應(yīng)電機和同步電機的典型結(jié)構(gòu)，掌握其基本工作原理、基本方程式、穩(wěn)態(tài)運行性能、基本實驗方法及操作技能，對電機的額定值、性能指標、參數(shù)大小等有明確的工程概念，既掌握各類電機的共同點，又能認識它們的個性和特點，形成對電機的一個較系統(tǒng)和完整的認識。6教學(xué)大綱-學(xué)習重點重點掌握分析電機穩(wěn)態(tài)、對稱、基波運行時的基本方法；深入理解電機中主磁場的作用及能量轉(zhuǎn)換的關(guān)系；正確建立電機中的電動勢、磁動勢、功率和轉(zhuǎn)矩平衡方程式；熟練運用基本方程、等效電路和相量圖及復(fù)數(shù)運算法、歸算法去分析和解決電機運行中的實際問題。7

什么是電機定義：電機是一種機電能量轉(zhuǎn)換或信號轉(zhuǎn)換的電磁裝置?；军c：電磁感應(yīng)定律、電磁力定律導(dǎo)電材料→電路導(dǎo)磁材料→磁路8電機的分類Classification旋轉(zhuǎn)電機變壓器直線電機單相變壓器三相變壓器感應(yīng)電機同步電機直流電機交流電機感應(yīng)電動機感應(yīng)發(fā)電機同步發(fā)電機同步電動機直流發(fā)電機直流電動機直線感應(yīng)電機直線同步電機電機在國民經(jīng)濟中的作用發(fā)電廠和變電站的主要設(shè)備各種生產(chǎn)機械和裝備的動力設(shè)備自動控制系統(tǒng)中的重要元件人們生活不可或缺的部分10電機發(fā)展概況1821年：法拉第發(fā)明第一臺直流電動機1831年：法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律1880年：愛迪生提出采用疊片鐵心1885年：弗拉利斯制成第一臺兩相感應(yīng)電動機1886年：霍普金生兄弟確立了磁路的歐姆定律1889年：多利沃提出采用三相制的建議，同時制成第一臺三相變壓器和三相感應(yīng)電動機1891年：建成三相電力系統(tǒng)1893年：開始利用復(fù)數(shù)與相量來分析交流電路1899年：勃朗臺爾提出凸極同步電機的雙反應(yīng)理論1919年：福提斯古提出對稱分量法1959年：逐步建立起機電能量轉(zhuǎn)換的新體系11電機發(fā)展概況單機容量不斷增加技術(shù)、經(jīng)濟指標不斷改進（新結(jié)構(gòu)、新工藝、新材料）應(yīng)用范圍不斷擴大（大型化、微型化、一體化）與計算機技術(shù)、電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、控制技術(shù)相互滲透，緊密結(jié)合目錄緒論第1章磁路第2章直流電機第3章變壓器第4、5章異步電機第6章同步電機第7章控制電機第8章電力拖動系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ)第9章直流電動機的電力拖動第10章三相異步電動機的機械特性及各種運轉(zhuǎn)狀態(tài)第11章三相異步電動機的起動及起動設(shè)備的計算第12章三相異步電動機的調(diào)速

電機拖動系統(tǒng)是用電動機來拖動機械運行的系統(tǒng)。包括：電動機、傳動機構(gòu)、生產(chǎn)機械、控制設(shè)備和電源五個部分。它們之間的關(guān)系如下電動機傳動機構(gòu)生產(chǎn)機械控制設(shè)備電源電機拖動（電力拖動）一、重點:1、磁路的基本定律;2、鐵磁材料的特性及基本磁化曲線;3、磁路計算.※重點與難點二、難點:

1、磁滯回線；2、鐵心損耗；3、磁路的計算。1、磁感應(yīng)強度B（磁通密度）磁感應(yīng)強度表示某點磁場性質(zhì)的基本物理量，它反映了磁力線分布的疏密程度，其方向與各點的切線方向一致，是單位面積的磁通量。也稱為磁通密度（fluxdensity）。它與產(chǎn)生它的電流可以用右手螺旋定則來確定。第一節(jié)磁路的基本定律一、磁場的幾個基本物理量單位：韋伯1Tesla=104高斯B

的單位：特斯拉（Tesla）Wb/m2某一面積S的磁感應(yīng)強度B的通量稱為磁通如果磁場均勻且磁場方向垂直于S面，則磁通的連續(xù)性原理：

磁場中任何封閉曲面的磁通恒等于零。2、磁通Φ單位：韋伯3、磁導(dǎo)率μ：表征各種材料導(dǎo)磁能力的物理量（亨/米）真空中的磁導(dǎo)率(μ0

)為常數(shù)一般材料的磁導(dǎo)率μ和真空中的磁導(dǎo)率之比，稱為這種材料的相對磁導(dǎo)率μr，則稱為磁性材料，則稱為非磁性材料4、磁場強度H磁場強度是計算磁場所用的物理量，其大小為磁感應(yīng)強度和導(dǎo)磁率之比。單位：B

：特斯拉μ：亨/米H：安/米19H與B的區(qū)別①H∝I，與介質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。②

B與電流的大小和介質(zhì)的性質(zhì)均有關(guān)。磁場的基本物理量磁場強度H的單位：安培/米（A/m)磁場強度H

：表示磁場內(nèi)某點磁場強弱和方向的物理量。是計算磁場時所引用的一個物理量，通過它來確定磁場與電流之間的關(guān)系。二、磁路的概念：

磁路是研究局限于一定范圍內(nèi)的磁場問題。磁路與電路一樣，也是電工學(xué)課程所研究的基本對象。磁通通過的路徑。主磁通漏磁通鐵心線圈

主磁通：絕大部分磁通將從鐵心內(nèi)通過，這部分磁通稱為主磁通。

漏磁通：在部分鐵心和鐵心外圍的空氣間，還存在少量分散的磁通，這部分磁通成為漏磁通。I交流磁路直流磁路用以激勵磁路中磁通的載流線圈稱為勵磁線圈；勵磁線圈中的電流稱為勵磁電流。2、磁路的基本定律2.1安培環(huán)路定律（全電流定律）

安培環(huán)路定律:沿空間任意條閉合回路，磁場強度H的線積分等于該閉合回路所包圍的電流的代數(shù)和。其中

H：磁場強度，安/米(A/m)

i3l

H

dl

i2

i1注：若i與l符合右手螺旋關(guān)系，取正號，否則取負號。其中大拇指所指為i的方向，四指為l方向。根據(jù)安培環(huán)路定律：得到：

在無分支的均勻磁路（磁路的材料和截面積相同，各處的磁場強度相等）中，安培環(huán)路定律可寫成：磁路長度L線圈匝數(shù)NIF:磁動勢NI：稱為磁動勢。一般用F

表示。F=NIHL:磁壓降。對于均勻磁路磁路中的歐姆定律2.2、磁路的歐姆定律：則：INAL注：由于磁性材料是非線性的，磁路歐姆定律多用作定性分析，不做定量計算。令：Rm

稱為磁阻歐姆定律或則可寫為[例1—1]

有一閉合鐵心磁路，鐵心的截面積A＝9×l04m2，磁路的平均長度l＝0.3m，鐵心的磁導(dǎo)率，套裝在鐵心上的勵磁繞組為500匝。試求在鐵心中產(chǎn)生1T的磁通密度時，所需的勵磁磁動勢和勵磁電流。

磁動勢F＝HI＝159X0.3A＝47．7A

解用安培環(huán)路定律來求解。

磁場強度勵磁電流

定律內(nèi)容:穿出(或進入)任一閉和面的總磁通量恒等于零(或者說,進入任一閉合面的磁通量恒等于穿出該閉合面的磁通量),這就是磁通連續(xù)性定律。

又稱磁路的并聯(lián)定律。

2.3．磁路的基爾霍夫第一定律

2.4．磁路的基爾霍夫第二定律

定律背景:磁路計算時，總是把整個磁路分成若干段，每段為同一材料、相同截面積，且段內(nèi)磁通密度處處相等，從而磁場強度亦處處相等。

定律內(nèi)容:沿任何閉合磁路的總磁動勢恒等于各段磁路磁位降的代數(shù)和。

公式:

又稱磁路的串聯(lián)定律。

312.磁路的基爾霍夫第二定律磁路和電路的比較（一）磁路電路磁通INI磁壓降磁動勢電動勢電流電壓降R+_EU基本定律磁阻磁感應(yīng)強度安培環(huán)路定律磁路IN歐姆定律電阻電流強度電壓定律電流定律磁路與電路的比較(二)

P9電路R+_EI34四、電磁感應(yīng)定律在我們回顧的所有定律中這將是最重要的一個。簡單的說電磁感應(yīng)定律就是變化的電場附近會產(chǎn)生變化的磁場，而變化的磁場附近會產(chǎn)生變化的電場。定義：無論何種原因使的與閉合線圈交鏈的磁鏈ψ隨著時間t變化時，線圈中將會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e根據(jù)原因的不同，感應(yīng)電動勢可分為以下兩類：351.變壓器電動勢指線圈位置靜止不變，穿過線圈的磁通Ф發(fā)生變化，這樣在線圈內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其大小與線圈的匝數(shù)和磁通變化率成正比，方向由楞次定律決定2.切割（運動）電動勢當磁場和線圈導(dǎo)體之間有相對運動時，使得穿過線圈的磁通隨著時間的變化而變化。此時的e叫做運動電動勢e=Blv方向由右手定則判定。363.自感系數(shù)L由自感系數(shù)的定義而由磁路的歐姆定律所以結(jié)論：當磁路為非線性時，自感系數(shù)是一個變量，隨磁路的飽和程度的增加而下降。稱為磁導(dǎo)37

五、電磁力定律載流導(dǎo)體在磁場中要受到力的作用，方向用左手定則判定。

f=Bil

在旋轉(zhuǎn)電機中，作用在轉(zhuǎn)子載流導(dǎo)體上的電磁力將使轉(zhuǎn)子受到一個力矩（等于力乘以轉(zhuǎn)子半徑），這個力矩稱之為電磁轉(zhuǎn)矩。電磁轉(zhuǎn)矩在電機的能量形態(tài)轉(zhuǎn)換起到重要的作用，以后會詳細研究它。

回顧右手定則，左手定則38六、電路定律（1）歐姆定律：u=iR（2）基爾霍夫第一定律（電流定律）∑i=0（3）基爾霍夫第二定律（電壓定律）在電路中，對任一回路，沿回路環(huán)繞一周，回路內(nèi)所有元件的電壓代數(shù)和等于零，即∑u=0。39制造電機所用的材料

制造材料主要包括：導(dǎo)磁材料、導(dǎo)電材料、絕緣材料、結(jié)構(gòu)材料、散熱材料、冷卻材料、潤滑材料等。

導(dǎo)電材料：銅、鋁。導(dǎo)磁材料：各種成分的鑄鋼（電工鋼片）。

絕緣材料：各種絕緣紙、油性玻璃漆布、有機硅玻璃粘帶、酚醛玻璃纖維壓塑料······

絕緣等級YAEBFHC容許工作溫度/℃90105120130155180＞18040第二節(jié)鐵磁材料及其磁化特性

一、高導(dǎo)磁性

磁性材料的磁導(dǎo)率通常都很高，即r1(如坡莫合金，其r可達2105)

。磁性材料能被強烈的磁化，具有很高的導(dǎo)磁性能。磁性材料主要指鐵、鎳、鈷及其合金等。磁性物質(zhì)的高導(dǎo)磁性被廣泛地應(yīng)用于電工設(shè)備中，如電機、變壓器及各種鐵磁元件的線圈中都放有鐵心。在這種具有鐵心的線圈中通入不太大的勵磁電流，便可以產(chǎn)生較大的磁通和磁感應(yīng)強度。電機的制造材料一.鐵磁物質(zhì)的磁化圖1-6磁疇(A)未磁化

(B)磁化外加磁場H42

這些小磁鐵叫做“磁疇”。在外磁場的作用下，磁疇順著外磁場方向轉(zhuǎn)向，排列整齊，顯示出磁性。

磁性物質(zhì)具有高導(dǎo)磁性是由于內(nèi)部有很多被強烈磁化的小磁鐵。電機的制造材料43電機的制造材料磁性物質(zhì)由于磁化所產(chǎn)生的磁化磁場不會隨著外磁場的增強而無限的增強。二、磁飽和性BJ

磁場內(nèi)磁性物質(zhì)的磁化磁場的磁感應(yīng)強度曲線；B0

磁場內(nèi)不存在磁性物質(zhì)時的磁感應(yīng)強度直線；B

BJ曲線和B0直線的縱坐標相加即磁場的B-H

磁化曲線。OHBB0BJB?a?b磁化曲線當外磁場增大到一定程度時，磁性物質(zhì)磁疇的磁場方向全部都轉(zhuǎn)向與外部磁場方向一致，磁化磁場的磁感應(yīng)強度將趨向某一定值，如圖。44

B-H

磁化曲線的特征：

Oa段：B與H幾乎成正比地增加；

ab段：B的增加緩慢下來；

b點以后：B增加很少，達到飽和。OHBB0BJB?a?b有磁性物質(zhì)存在時，B與H不成正比，磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率不是常數(shù)，隨H而變。

有磁性物質(zhì)存在時，與I不成正比。

磁性物質(zhì)的磁化曲線在磁路計算上極為重要，其為非線性曲線，實際中通過實驗得出。

OHB,B磁化曲線B和與H的關(guān)系電機的制造材料二、磁化曲線和磁滯回線

1．起始磁化曲線

定義

:將一塊尚未磁化的鐵磁材料進行磁化，當磁場強度H由零逐漸增大時，磁通密度B將隨之增大，曲線B=f(H)就稱為起始磁化曲線.分析:起始磁化曲線基本上可分為四段,如下鐵磁材料的特性鐵磁材料磁化過程oa段：H較弱，B緩慢增加ab段：H較強，B迅速增加bc段：H繼續(xù)加強，B增加變慢（飽和段）c－段：H繼續(xù)加強，B增加緩慢（深度飽和段）BH圖1-7鐵磁材料的起始磁化曲線abcd膝點（飽和點）二.鐵磁材料的磁化特性（B－H曲線/起始磁化曲線）設(shè)計電機和變壓器時，為使主磁路內(nèi)得到較大的磁通量而又不過分增大勵磁磁動勢．通常把鐵心內(nèi)的工作磁通密度選擇在膝點附近。49三、磁滯性

磁性材料在交變磁場中反復(fù)磁化，其B-H關(guān)系曲線是一條回形閉合曲線，稱為磁滯回線。磁性材料中磁感應(yīng)強度B的變化總是滯后于外磁場變化的性質(zhì)。磁滯回線OHB????BrHc剩磁感應(yīng)強度Br(剩磁)：

當線圈中電流減小到零(H=0)時，鐵心中的磁感應(yīng)強度。例如:永久磁鐵的磁性就是由剩磁產(chǎn)生的；自勵直流發(fā)電機的磁極，為了使電壓能建立，也必須具有剩磁。

電機的制造材料50磁滯回線OHB????BrHC但剩磁也存在著有害的一面，例如，當工件在平面磨床上加工完畢后，由于電磁吸盤有剩磁，還將工件吸住。為此要通入反向去磁電流，去掉剩磁，才能取下工件。矯頑磁力HC：使B=0所需的H值。磁性物質(zhì)不同，其磁滯回線和磁化曲線也不同。電機的制造材料圖1-8鐵磁材料的磁滯回線HBabcdef

磁密落后于磁場強度，亦即磁通落后于激磁電流的現(xiàn)象，稱為磁滯現(xiàn)象

磁滯回線：鐵磁材料進行周期性磁化所反映的物理現(xiàn)象剩磁嬌頑力

3．基本磁化曲線

定義:對同一鐵磁材料，選擇不同的磁場強度進行反復(fù)磁化，可得一系列大小不同的磁滯回線,再將各磁滯回線的頂點聯(lián)接起來，所得的曲線.

附:電機中常用的硅鋼片、鑄鐵和鑄鋼的基本磁化曲線。圖1-9基本磁化曲線HB基本磁化曲線或平均磁化曲線:

書p1154

幾種常見磁性物質(zhì)的磁化曲線a

鑄鐵b

鑄鋼c硅鋼片O0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0103H/(A/m)H/(A/m)12345678910103B/T1.81.61.41.21.00.80.60.40.2ababcc電機的制造材料55按磁性物質(zhì)的磁性能，磁性材料分為三種類型：(1)軟磁材料具有較小的矯頑磁力，磁滯回線較窄。一般用來制造電機、電器及變壓器等的鐵心。常用的有鑄鐵、硅鋼、坡莫合金即鐵氧體等。(2)永磁材料具有較大的矯頑磁力，磁滯回線較寬。一般用來制造永久磁鐵。常用的有碳鋼及鐵鎳鋁鈷合金等。(3)矩磁材料具有較大的矯頑磁力和較大的剩磁，磁滯回線接近矩形，穩(wěn)定性良好。在計算機和控制系統(tǒng)中用作記憶元件、開關(guān)元件和邏輯元件。常用的有鎂錳鐵氧體等。電機的制造材料三、鐵磁材料1．軟磁材料

定義:

磁滯回線窄、剩磁和矯頑力都很小的材料。常用軟磁材料:鑄鐵、鑄鋼和硅鋼片等。

軟磁材料的磁導(dǎo)率較高,故用以制造電機和變壓器的鐵心。2．硬磁(永磁)材料

定義:磁滯回線寬、剩磁和矯頑力都很大的鐵磁材料稱為硬磁材料，又稱為永磁材料。磁性能指標剩磁矯頑力最大磁能積四.鐵心損耗

當鐵心中磁通交變時，要產(chǎn)生鐵心損耗，它由磁滯損耗與渦流損耗兩部分組成。1）磁滯損耗鐵磁材料置于交變磁場中時，材料被反復(fù)交變磁化，其分子運動所消耗的能量。磁滯回線所包含的面積表示了單位體積磁性材料在磁化一周的進程中所消耗的能量。

（P121-9公式）1.6-2.3渦流在鐵心中引起的損耗，稱為渦流損耗。2）渦流損耗

因為鐵心可以導(dǎo)電，故當通過鐵心的磁通隨時間變化時，也將鐵心中也將產(chǎn)生感應(yīng)電勢，并因而在其中引起環(huán)流。這些環(huán)流在鐵心內(nèi)部圍繞磁通作渦流狀流動，稱為渦流。（P121-10公式）3）鐵損：磁滯損耗+渦流損耗，

（P131-12公式）減少鐵耗措施：減少磁滯損耗的措施：選用磁滯回線狹小的磁性材料制作鐵心。變壓器和電機中使用的硅鋼等材料的磁滯損耗較低。選擇適當?shù)拇鸥袘?yīng)強度值以減小鐵心飽和程度。減少渦流損耗措施：提高鐵心的電阻率（通常用硅鋼片）。鐵心用彼此絕緣的鋼片疊成，把渦流限制在較小的截面內(nèi)。一、直流磁路的計算1.3直流磁路1.磁路的計算：正問題知道Φ求

F

逆問題知道F求Φ2.正問題的計算步驟：（1）分段（2）確定A，L

（3）求Φ，B

（4）由B求H

（5）F=ΣHL3.逆問題：試探法4.串并聯(lián)磁路的計算磁路基本定律及計算方法鐵心磁路計算是電機分析和設(shè)計過程中的一項重要工作已知磁通確定磁動勢已知磁動勢確定磁通1.串聯(lián)磁路計算將磁路分段，保證每段磁路的均勻性計算每段磁路的截面積和等效長度根據(jù)給定磁通，確定每段磁路磁密由磁密確定每段磁路的磁場強度計算每段磁路的磁壓降由基爾霍夫第二定律計算磁動勢一、直流磁路的計算1、簡單串聯(lián)磁路

[例1—2]

鐵心材料由鑄和空氣隙構(gòu)成，鐵心截面積AFe＝3X3X10-4m2，磁路平均長度lFe=0.3m，氣隙長度δ＝5X10-4m。求該磁路獲得磁通量Φ=0.0009Wb時所需的勵磁動勢?？紤]到氣隙磁場的邊緣效應(yīng)，在計算氣隙的有效面積時，通常在長、寬方向務(wù)增加δ值（0