電機拖動與基礎(chǔ)第1章 緒論

清華大學(xué)出版社

電機與拖動基礎(chǔ)FundamentalofElectricMotorandDriver9/23/20231電機與拖動基礎(chǔ)目錄

第一章緒論

第二章電力拖動的動力學(xué)

第三章直流電機原理

第四章他勵直流電動機的運行

第五章變壓器第六章交流電機理論的共同問題

9/23/20232電機與拖動基礎(chǔ)第七章異步電動機第八章三相異步電動機的起動與制動第九章同步電機第十章三相交流電動機調(diào)速第十一章電動機的選擇第十二章微控電機9/23/20233電機與拖動基礎(chǔ)一、本課程性質(zhì)及其特點：

1、本課程屬于技術(shù)基礎(chǔ)課2、基本概念多3、電磁力關(guān)系復(fù)雜（電流、電壓、磁場、力矩關(guān)系）4、該課程以大學(xué)物理和電路理論為基礎(chǔ)第一章緒論(Preface)§1-1課程簡介9/23/20234電機與拖動基礎(chǔ)

1、做好預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)

2、準(zhǔn)備兩個作業(yè)本，按要求交作業(yè)

3、實驗前認真預(yù)習(xí)，實驗后完成實驗報告二要求：9/23/20235電機與拖動基礎(chǔ)三、參考書：1、許曉峰主編《電機及拖動》高等教育出版社2、顧繩谷編《電機及拖動基礎(chǔ)》機械工業(yè)出版社3、劉新正譯《電機學(xué)》電子工業(yè)出版社《ElectricMachinery》.A.E.FitzgeraldCharlesKingsley,Jr.StephenD.Umans.9/23/20236電機與拖動基礎(chǔ)四、本課程學(xué)習(xí)內(nèi)容：直流機及拖動、變壓器、異步機及拖動、同步機掌握內(nèi)容：1）工作原理及基本結(jié)構(gòu)2）電磁關(guān)系，電壓、電流關(guān)系，功率關(guān)系3）工作或運行特性及應(yīng)用4）起動、制動與調(diào)速9/23/20237電機與拖動基礎(chǔ)五、電機的作用與功能：電機是以電磁感應(yīng)和電磁力定律為基本工作原理進行電能的傳遞或機電能量轉(zhuǎn)換的機械

。電動機：電能機械能發(fā)電機：機械能電能變壓器：U1交流電U2交流電9/23/20238電機與拖動基礎(chǔ)六、電機的分類：1、按電能形式分直流電機（發(fā)電機、電動機）交流電機（異步機、同步機）（發(fā)電機、電動機）9/23/20239電機與拖動基礎(chǔ)2、按能量轉(zhuǎn)換形式分發(fā)電機（直流電機、交流電機）（異步機、同步機）電動機（直流電機、交流電機）（異步機、同步機）9/23/202310電機與拖動基礎(chǔ)9/23/202311電機與拖動基礎(chǔ)七、電機的作用：

1、進行能量轉(zhuǎn)化、傳輸和分配電能一簡單供電系統(tǒng)圖9/23/202312電機與拖動基礎(chǔ)9/23/202313電機與拖動基礎(chǔ)電能易于轉(zhuǎn)換、傳輸、分配和控制，是現(xiàn)代能源的主要形式。電能的生產(chǎn)是由發(fā)電機完成的，發(fā)電機把機械能轉(zhuǎn)換為電能。而電能的生產(chǎn)集中在火力、水力及原子能發(fā)電廠進行。為了減少輸電中的能量損失，遠距離輸電均采用高電壓方式，然后經(jīng)降壓再供給用戶；電壓的升高和降低都是由變壓器完成的。電動機則把電能轉(zhuǎn)換為機械能，電動機拖動生產(chǎn)機械運轉(zhuǎn)稱為電力拖動。9/23/202314電機與拖動基礎(chǔ)風(fēng)力發(fā)電機9/23/202315電機與拖動基礎(chǔ)水輪發(fā)電機現(xiàn)場9/23/202316電機與拖動基礎(chǔ)單機容量７０萬千瓦的三峽水電發(fā)電機組使用。這個“巨無霸”般的定子機座安裝定位后直徑可達２２米、高５米、總重量２００余噸；三峽電站7號水輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子直徑為18.43米，高3.5米，重1700噸9/23/202317電機與拖動基礎(chǔ)汽輪發(fā)動機9/23/202318電機與拖動基礎(chǔ)9/23/202319電機與拖動基礎(chǔ)自耦變壓器9/23/202320電機與拖動基礎(chǔ)交流電機圖片9/23/202321電機與拖動基礎(chǔ)同步發(fā)電機定子結(jié)構(gòu)9/23/202322電機與拖動基礎(chǔ)2、驅(qū)動生產(chǎn)機械磁懸浮列車大型車床9/23/202323電機與拖動基礎(chǔ)3、控制各種自動設(shè)備盲人引路車爬行機器人9/23/202324電機與拖動基礎(chǔ)主要應(yīng)用領(lǐng)域1.工業(yè)應(yīng)用：各種生產(chǎn)機床、軋鋼機、礦井提升機、球磨機、造紙機等2.交通運輸：電力機車、電動汽車、磁懸浮列車3.國防軍事：軍艇的電力推進系統(tǒng)、魚雷發(fā)射、坦克的電力牽引系統(tǒng)4.航空航天：衛(wèi)星發(fā)射電力推動系統(tǒng)5.民用：冰箱、洗衣機、空調(diào)、風(fēng)扇、吸塵器6.電子儀器設(shè)備：各種伺服驅(qū)動電機、計算機硬盤驅(qū)動電機9/23/202325電機與拖動基礎(chǔ)9/23/202326電機與拖動基礎(chǔ)車用電機及其驅(qū)動系統(tǒng)

9/23/202327電機與拖動基礎(chǔ)八、電機的發(fā)展?fàn)顩r大型和超小型方向發(fā)展同步發(fā)電機定子各種微電機

9/23/202328電機與拖動基礎(chǔ)§1-2磁路的基本概念和基本定律磁路的基本概念和基本定律鐵磁材料的磁性能9/23/202329電機與拖動基礎(chǔ)要求：掌握磁路的基本概念及其電機磁路的特點掌握描述磁路的基本物理量掌握研究磁路的幾個基本定律熟練掌握電磁感應(yīng)定律和電磁力定律掌握鐵磁材料的性質(zhì)及其磁化曲線9/23/202330電機與拖動基礎(chǔ)一、磁路的基本概念磁路：磁通

經(jīng)過的路徑。基本物理量：1、磁感應(yīng)強度B（磁密）單位：Wb/m2;或T2、磁通

單位：WB3、磁場強度H單位：A/m4、磁動勢F=NI單位：A5、磁壓降V=Hl單位：A

線圈中有電流I，線圈周圍就會產(chǎn)生磁場，磁場強弱取決于線圈匝數(shù)N和電流I的乘積IN，該乘積就叫磁動勢F。9/23/202331電機與拖動基礎(chǔ)6、磁導(dǎo)率

表示物質(zhì)導(dǎo)磁能力強弱的物理量

=B/H單位：亨/米空氣磁導(dǎo)率

0=4

×10-7H/m鐵磁材料磁導(dǎo)率

>>

09/23/202332電機與拖動基礎(chǔ)7、磁阻Rm磁阻Rm=L/(

S)L:磁路長度；

：磁導(dǎo)率；S：磁路截面積單位：1/亨9/23/202333電機與拖動基礎(chǔ)二.磁路的基本定律1、安培環(huán)路定律（全電流定律）磁場強度H沿任意閉合回路l的線積分，等于該閉合回路所包圍的全電流，即∮LH?dl=∑I其中電流的正方向與閉合回路的正方向滿足右手定則。9/23/202334電機與拖動基礎(chǔ)

2、磁路歐姆定律考慮到磁路和電路在分析思路上基本一直，所以我們在分析磁路時，可以將全電流定律應(yīng)用到磁路中來。如圖所示，截面相等的無分支閉合磁路上，則有：

因為

,即于是：

9/23/202335電機與拖動基礎(chǔ)

即磁路中的磁通Φ等于作用在該磁路上的磁動勢F除以磁路的磁阻Rm或乘以磁導(dǎo)，這就是磁路的歐姆定律。3磁路的基爾霍夫第一定律于是如圖所示：9/23/202336電機與拖動基礎(chǔ)4磁路的基爾霍夫第二定律磁路和電路在這里有所不同，在磁路中，構(gòu)成磁路的各個部分的材料和截面會有所不同，這樣在分析時，我們要將磁路進行分段，每段有相同的材料和截面，即B和μ要相同。則9/23/202337電機與拖動基礎(chǔ)1、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分類：根據(jù)原因的不同，感應(yīng)電動勢可分為以下兩類：三.基本電磁定律9/23/202338電機與拖動基礎(chǔ)1）運動電勢(動生電動勢)：導(dǎo)體在磁場中運動時，導(dǎo)體中會感應(yīng)出電勢e。大小：電勢e=Blv。B:磁密；l：導(dǎo)體長度；v：導(dǎo)體與磁場的相對速度。正方向：用右手定則判斷電勢e正方向表示電位升高的方向，與U相反。如果同一元件上e和U正方向相同時，e=-U。9/23/202339電機與拖動基礎(chǔ)2）變壓器電勢：線圈中的磁通變化時，線圈中會感應(yīng)電勢e：電勢e正方向：e的正方向與

正方向符合右手螺旋關(guān)系9/23/202340電機與拖動基礎(chǔ)2、電磁力定律一個通電流的導(dǎo)體，在磁場中要受到力的作用，這個力叫電磁力。電磁力f=Bli

電磁力方向：左手定則判斷

*回顧右手定則，左手定則磁感應(yīng)強度（磁通密度）B、和磁通Ф:9/23/202341電機與拖動基礎(chǔ)四、鐵磁材料的磁性能（一）高導(dǎo)磁性（二）鐵磁材料的磁化過程和磁化曲線（三）鐵磁材料的磁滯和剩磁現(xiàn)象9/23/202342電機與拖動基礎(chǔ)鐵磁物質(zhì)是一種性能特異，在現(xiàn)代科技和國防上用途廣泛的材料。鐵，鈷，鎳及其眾多合金以及含鐵的氧化物（鐵氧體）均屬鐵磁物質(zhì)。其特征是在外磁場作用下能被強烈磁化，磁導(dǎo)率μ很高。另一特性是磁滯，即磁場作用停止后，鐵磁材料仍保留磁化狀態(tài)。下圖為鐵磁物質(zhì)的磁感應(yīng)強度Β與磁場強度H之間的關(guān)系曲線。9/23/202343電機與拖動基礎(chǔ)B-HsHc-HcHs-BmBm0Brabscr-BrH9/23/202344電機與拖動基礎(chǔ)圖中的原點。表示磁化之前鐵磁物質(zhì)處于磁中性狀態(tài)，即B=H=O。當(dāng)外磁場H從零開始增加時，磁感應(yīng)強度B隨之緩慢上升，如線段落0a所示；繼之B隨H迅速增長，如ab段所示；其后，B的增長又趨緩慢；當(dāng)H值增至Hs時，B的值達到Bs，在S點的Bs和Hs，通常又稱本次磁滯回線的Bm和Hm。曲線oabs段稱為起始磁化曲線。9/23/202345電機與拖動基礎(chǔ)當(dāng)磁場從Hs逐漸減少至零時，磁感應(yīng)強度B并不沿起始磁化曲線恢復(fù)到o點，而是沿一條新的曲線sr下降，比較線段os和sr，我們看到：H減小，B也相應(yīng)減小，但B的變化滯后于H的變化，這個現(xiàn)象稱為磁滯，磁滯的明顯特征就是當(dāng)H=0時，B不為0，而保留剩磁Br。當(dāng)磁場反向從o逐漸變?yōu)?Hc時，磁感應(yīng)強度B=O，這就說明要想消除剩磁，必須施加反向磁場，Hc稱為矯頑力。它的大小反映鐵磁材料保持剩磁狀態(tài)的能力，線段rc稱為退磁曲線。9/23/202346電機與拖動基礎(chǔ)圖還表明，當(dāng)外磁場按Hs→0→-Hc→-Hs→0→Hc→Hs次序變化時，相應(yīng)的磁感應(yīng)強度則按閉合曲線srcs’r’c’s變化時，這閉合曲線稱為磁滯回線。所以，當(dāng)鐵磁材料處于交變磁場中時（如變壓器鐵心），將沿磁滯回線反復(fù)被磁化→去磁→反向磁化→反向去磁，由于磁疇的存在，此過程要消耗能量，以熱的形式從鐵磁材料中釋出。這種損耗稱為磁滯損耗，可以證明，磁滯損耗與磁滯回線所圍面積成正比。當(dāng)初始態(tài)為H=B=O的鐵磁材料，在峰值磁場強度H由弱到強的交變磁場作用下磁化，可以得到面積由小到大向外擴張的一組磁滯回線，9/23/202347電機與拖動基礎(chǔ)9/23/202348電機與拖動基礎(chǔ)鐵磁材料的磁化過程可分為四階段：可逆磁化階段、不可逆磁化階段、可逆與不可逆磁化階段、趨近飽和階段磁場強度H與鐵磁材料中B的關(guān)系曲線B=f(H)9/23/202349電機與拖動基礎(chǔ)（三）、鐵磁材料的磁滯和剩磁現(xiàn)象鐵磁材料中磁場B的變化落后于外磁場H的變化稱為磁滯現(xiàn)象，從而在鐵磁材料中產(chǎn)生了剩磁。飽和磁滯回線與換向磁化曲線上的各有關(guān)磁學(xué)量9/23/202350電機與拖動基礎(chǔ)(四)鐵磁材料的磁損耗當(dāng)鐵磁材料處于變化磁場中，會產(chǎn)生渦流損耗和磁滯損耗。1、渦流損耗

CFe

：系數(shù)D：厚度

f:頻率B：磁密2、磁滯損耗小磁鐵來回翻轉(zhuǎn)，摩擦耗能。9/23/202351電機與拖動基礎(chǔ)注意：盡管磁路和電路在物理量和基本定律上有一一對應(yīng)的關(guān)系，但是，磁路