電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)1

1、電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)主講教師：朱勁課程概述生產(chǎn)機(jī)械拖動(dòng)-機(jī)械運(yùn)動(dòng)設(shè)備拖動(dòng)的發(fā)展過(guò)程人力-蒸汽機(jī)-內(nèi)燃機(jī)-電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)內(nèi)燃機(jī)機(jī)車電力機(jī)車電力機(jī)車-動(dòng)車組課程概述電機(jī)與電力拖動(dòng)電能是一種應(yīng)用非常方便的能源電能的生產(chǎn)、變換、傳輸、應(yīng)用和控制，絕大部分使用電機(jī)電機(jī)是以磁場(chǎng)為媒介進(jìn)行電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的電磁機(jī)械。將機(jī)械能傳換為電能的稱為發(fā)電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的稱為電動(dòng)機(jī)電力拖動(dòng)是用電動(dòng)機(jī)作原動(dòng)力使生產(chǎn)機(jī)械產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)從發(fā)電廠到用電戶的過(guò)程圖示課程概述生產(chǎn)機(jī)械拖動(dòng)20世紀(jì)開(kāi)始大量使用電機(jī)來(lái)拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備電機(jī)拖動(dòng)歷程直流交流單電機(jī)多電機(jī)控制要求高速高精度，電機(jī)力矩，多電機(jī)之間張力，電機(jī)伺服等隨著電力電子、計(jì)算機(jī)技

2、術(shù)和現(xiàn)代控制理論發(fā)展，電機(jī)拖動(dòng)向全面數(shù)字化方向進(jìn)展課程概述本課程是自動(dòng)化專業(yè)一門專業(yè)基礎(chǔ)課任務(wù)掌握常用交、直流電機(jī)，變壓器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行分析與計(jì)算，設(shè)備選擇與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容研究電機(jī)與電力拖動(dòng)系統(tǒng)的基本理論問(wèn)題。具有“電機(jī)學(xué)”和“電力拖動(dòng)基礎(chǔ)”的基本內(nèi)容特點(diǎn)將電機(jī)原理與電力拖動(dòng)二門課程結(jié)合而成的，其理論性較強(qiáng)，又非常強(qiáng)調(diào)實(shí)踐性課程概述各類電機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合工業(yè)應(yīng)用電動(dòng)汽車奧運(yùn)會(huì)上的新能源車采用電路和磁路理論的宏觀分析方法 采用電磁場(chǎng)理論的微觀分析方法 電機(jī)學(xué)與電力拖動(dòng)技術(shù)的一般分析方法分析電機(jī)和拖動(dòng)系統(tǒng)的一般步驟 各類電機(jī)的基本運(yùn)行原理和結(jié)構(gòu) 根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體特點(diǎn)，分析

3、各類電機(jī)內(nèi)部的電磁關(guān)系 分析電機(jī)和拖動(dòng)系統(tǒng)的一般步驟 根據(jù)內(nèi)部的電磁關(guān)系，寫出電磁過(guò)程的數(shù)學(xué)描述即數(shù)學(xué)模型，包括：基本方程式、等效電路和相量圖 利用上述數(shù)學(xué)模型分析計(jì)算各類電機(jī)的運(yùn)行特性和性能指標(biāo)。運(yùn)行特性主要是反映電動(dòng)機(jī)機(jī)械量輸出之間關(guān)系的機(jī)械特性和發(fā)電機(jī)輸出電能質(zhì)量的的外特性；根據(jù)機(jī)械特性和負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性討論各類拖動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、起、制動(dòng)特性、各種調(diào)速方案等 本課程的學(xué)習(xí)方法以物理概念為主、工程計(jì)算為輔 重點(diǎn)應(yīng)掌握各類電動(dòng)機(jī)的基本原理、基本結(jié)構(gòu)，基本特性。電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性以及與其他生產(chǎn)機(jī)械配合時(shí)的起、制動(dòng)方法，調(diào)速方法.教學(xué)和實(shí)驗(yàn)結(jié)合，理論聯(lián)系實(shí)際 教學(xué)資料教材：電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ) 機(jī)械工業(yè)出版

4、社 顧繩谷參考書(shū)籍：二方面：電機(jī)學(xué)；電力拖動(dòng)課程考核方法課程考核由課堂出勤、作業(yè)、期中考試、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、期末考試構(gòu)成。其中： 課堂出勤及聽(tīng)課5% 作業(yè)5%， 期中考試10%， 實(shí)驗(yàn)報(bào)告10%， 期末課程考試成績(jī)占70第一章內(nèi)容基本概念磁路基本定律鐵磁材料直流磁路的計(jì)算交流磁路作業(yè)基本概念電機(jī)功能：電能-電能；電能-機(jī)械能轉(zhuǎn)換裝置電機(jī)功能實(shí)現(xiàn)過(guò)程：必須依靠磁場(chǎng)變壓器（電能-電能）：電場(chǎng)-磁場(chǎng)-電場(chǎng)電機(jī)（電能-機(jī)械能）：電場(chǎng)-磁場(chǎng)-機(jī)械能描述磁場(chǎng)的基本物理量磁感應(yīng)強(qiáng)度B表征由電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)弱以及方向。其關(guān)系由畢奧-薩伐爾定律描述矢量，單位截面積上的磁通國(guó)際單位制中，用T(Tesla,特斯拉)，即W

5、b/m2(韋伯/米2)基本概念描述磁場(chǎng)的基本物理量右手螺旋定則為形象地描述磁場(chǎng)，引入磁感應(yīng)線(磁力線)的概念。磁力線是無(wú)頭無(wú)尾的閉合曲線磁力線方向和電流方向滿足右手螺旋定則基本概念描述磁場(chǎng)的基本物理量磁通也稱為磁通量，磁感應(yīng)通量。單位為韋伯(Weber)表征磁介質(zhì)或真空中磁場(chǎng)分布的物理量在磁場(chǎng)中，穿過(guò)截面S的磁通量為均勻磁場(chǎng)，且S與B垂直 則有故磁感應(yīng)強(qiáng)度也稱為磁通密度基本概念描述磁場(chǎng)的基本物理量磁場(chǎng)強(qiáng)度H矢量，輔助物理量，單位是A/m(安培/米)磁導(dǎo)率表征物質(zhì)材料磁導(dǎo)能力大小的量。與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系真空的磁導(dǎo)率 ，為常數(shù)鐵磁材料 ，通常不為常數(shù)基本概念磁路磁通所通過(guò)的路徑。路徑可以是鐵磁物質(zhì)，

6、也可以是非磁體磁通主磁通和漏磁通(主磁路和漏磁路)勵(lì)磁線圈激勵(lì)磁路中磁通的載流線圈勵(lì)磁電流勵(lì)磁線圈中的電流基本概念直流磁路勵(lì)磁電流為直流，磁通恒定不變。如直流電機(jī)交流磁路勵(lì)磁電流為交流，磁通隨時(shí)間變化。如交流鐵心線圈、變壓器、感應(yīng)電機(jī)等磁路基本定律電磁感應(yīng)定律電機(jī)的基礎(chǔ)理論變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)切割電勢(shì)導(dǎo)線與磁場(chǎng)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)線切割磁力線，導(dǎo)線內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)變壓器電勢(shì)線圈內(nèi)的磁通發(fā)生變化時(shí)，線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)磁路基本定律電磁感應(yīng)定律法拉第電磁感應(yīng)定律發(fā)電機(jī)原理Faradays Law of Electromagnetic Induction, In 1831 長(zhǎng)度為l的直導(dǎo)線在磁場(chǎng)中與磁場(chǎng)產(chǎn)生

7、相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)線切割磁力線的速度為v，導(dǎo)線所在處磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，當(dāng)導(dǎo)線、磁感應(yīng)強(qiáng)度方向和導(dǎo)線相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度方向三者之間互相垂直，導(dǎo)線中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小為e=Blv，方向由右手定則確定。磁路基本定律電磁感應(yīng)定律變壓器電勢(shì)匝數(shù)為W的線圈匝鏈著的磁通發(fā)生變化時(shí)，在線圈兩端AX產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e根據(jù)電磁感應(yīng)定律，e的大小與W和磁通的變化率成正比。其方向由楞次定律(Lenzs Law)來(lái)決定-楞次定律在變化磁場(chǎng)中線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向總是使它推動(dòng)的電流產(chǎn)生另一個(gè)磁場(chǎng)，阻止原有磁場(chǎng)的變化磁路基本定律電磁力定律電磁力安培力，載流導(dǎo)體在外磁場(chǎng)中受到磁場(chǎng)對(duì)它的作用力洛倫茲電磁力定律電動(dòng)機(jī)原理Lorentz Elect

8、romagnetic Force Law 一根長(zhǎng)度為l的直導(dǎo)線通過(guò)電流i，當(dāng)將其放在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的均勻磁場(chǎng)中時(shí)，如果直導(dǎo)線與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直，則該導(dǎo)線上受到的電磁力大小為f=Bli，方向由左手定則確定磁路基本定律安培環(huán)路定律沿著任何一條閉合回線l，磁場(chǎng)強(qiáng)度H的線積分等于該閉合回線所包圍的總電流值(代數(shù)和)。對(duì)于均勻磁場(chǎng)磁路基本定律安培環(huán)路定律注意：任何閉合回線！理想情況其中，Um是該段磁路的磁壓，F(xiàn)為磁動(dòng)勢(shì)磁路基本定律磁路的歐姆定律假設(shè)等截面無(wú)分支的鐵心磁路電流i勵(lì)磁線圈N匝磁路平均長(zhǎng)度l截面積A材料磁導(dǎo)率不考慮漏磁通有磁路基本定律磁路的歐姆定律對(duì)比 電路中的歐姆定律注意：電導(dǎo)率通常為常數(shù)

9、，而磁導(dǎo)率一般不為常數(shù)磁路基本定律示例有一閉合鐵心磁路，鐵心截面積A=910-4m2，磁路的平均長(zhǎng)度l=0.3m，鐵心的磁導(dǎo)率為Fe=50000，套裝在鐵心上的勵(lì)磁繞組為500匝。試求在鐵心中產(chǎn)生1T的磁通密度時(shí)，需要多少勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)和勵(lì)磁電流。解： 由磁場(chǎng)強(qiáng)度的定義，有由安培環(huán)路定律，磁動(dòng)勢(shì)為可得勵(lì)磁電流為磁路基本定律基爾霍夫第一定律穿出或者進(jìn)入任何閉合面的總磁通恒為零對(duì)于有分支的磁路，取閉合面A，設(shè)進(jìn)入閉合面的磁通為負(fù)，穿出閉合面的磁通為正，有對(duì)比 電路中的基爾霍夫第一定律(節(jié)點(diǎn)電流)磁路基本定律基爾霍夫第二定律沿任何閉合磁路的總磁動(dòng)勢(shì)恒等于各段磁壓降的代數(shù)和由安培環(huán)路定律，有對(duì)比 電路中的

10、基爾霍夫第二定律(回路電壓)磁路基本定律磁路與電路的特點(diǎn)功率損耗電路中有電流I時(shí)，就有功率損耗I2R；在直流磁路中，維持一定的磁通量時(shí)，鐵心中沒(méi)有功率損耗。絕緣性質(zhì)在電路中可以認(rèn)為電流全部在導(dǎo)線中流通，導(dǎo)線外沒(méi)有電流；在磁路中，沒(méi)有絕對(duì)的磁絕緣體，除了鐵心中的磁通外，實(shí)際上總有一部分漏磁通散布在周圍的空氣中。磁路基本定律磁路與電路的特點(diǎn)電阻率與磁導(dǎo)率電路中導(dǎo)體的電阻率在一定的溫度下是不變的；磁路中鐵心的磁導(dǎo)率卻不是常數(shù)，是隨鐵心的飽和程度而變化的。線性與非線性電路通常滿足線性特點(diǎn)，可以采用疊加原理進(jìn)行計(jì)算磁路通常呈現(xiàn)非線性特點(diǎn)，計(jì)算時(shí)通常不能采用疊加原理鐵磁材料及特性鐵磁物質(zhì)的磁化鐵磁物質(zhì)鐵、

11、鎳、鈷等以及它們的合金將鐵磁材料置于磁場(chǎng)中，這些材料的磁性會(huì)顯著增強(qiáng)，從而表現(xiàn)出很強(qiáng)的磁性。磁疇沒(méi)有外磁場(chǎng)，排列混亂，磁效應(yīng)互相抵消有外磁場(chǎng)，順外磁場(chǎng)轉(zhuǎn)向，排列整齊，顯示出磁性產(chǎn)生磁化磁場(chǎng)鐵磁材料產(chǎn)生的磁化磁場(chǎng)比非鐵磁材料大很多Fe=（ 2000-6000 ）0鐵磁材料及特性磁化曲線和磁滯回線起始磁化曲線鐵磁材料及特性磁化曲線和磁滯回線起始磁化曲線磁滯回線基本磁化曲線鐵磁材料及特性鐵磁材料軟磁材料磁滯回線窄，剩磁Br和矯頑力Hc都小的材料磁導(dǎo)率較高，常用于制造電機(jī)和變壓器的鐵心進(jìn)行磁路計(jì)算時(shí)，可以不考慮磁滯現(xiàn)象，用基本磁化曲線就行常用軟磁材料有電工硅鋼片、鑄鐵、鑄鋼等硬磁材料磁滯回線寬，剩磁B

12、r和矯頑力Hc都大的材料由于剩磁Br大，常用于制成永久磁鐵常用硬磁材料有鋁鎳鈷、鐵氧體、稀土鈷、釹鐵硼等鐵磁材料及特性鐵心損耗磁滯損耗鐵磁材料置于交變磁場(chǎng)中，材料被反復(fù)交變磁化，磁疇相互不斷地摩擦而消耗能量，并以產(chǎn)生熱量的形式表現(xiàn)出來(lái)，造成的損耗成為磁滯損耗。實(shí)驗(yàn)證明，磁滯回線的面積與磁通密度的最大值Bm的n次方成正比。有鐵磁材料及特性鐵心損耗渦流損耗鐵心是導(dǎo)電的，但通過(guò)鐵心的磁通隨時(shí)間變化時(shí)，由電磁感應(yīng)定律知，鐵心中將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并引起環(huán)流。鐵磁材料及特性鐵心損耗鐵心損耗鐵心中的磁滯損耗和渦流損耗都將消耗有功功率，使鐵心發(fā)熱。鐵心損耗為磁滯損耗和渦流損耗之和直流磁路的計(jì)算計(jì)算類型磁路計(jì)算

13、的正問(wèn)題給定磁通量，計(jì)算所需的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)有具體的計(jì)算步驟磁路計(jì)算的逆問(wèn)題給定勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)，計(jì)算磁路內(nèi)的磁通量非線性磁路，常采用試探法求解直流磁路的計(jì)算正問(wèn)題將磁路按材料性質(zhì)和不同的截面尺寸分段計(jì)算各段磁路的有效截面積Ak和平均長(zhǎng)度lk計(jì)算各段磁路的平均磁通密度Bk= k/Ak根據(jù)Bk求出對(duì)于能夠的磁場(chǎng)強(qiáng)度Hk，對(duì)鐵磁材料， Hk可以從基本磁化曲線上查出，對(duì)于空氣隙，可直接用H=B/0算出計(jì)算各段磁路的磁壓降Hklk ，最后求得產(chǎn)生給定磁通量所需的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)F=Hklk直流磁路的計(jì)算簡(jiǎn)單串聯(lián)磁路一個(gè)磁回路的無(wú)分支磁路整個(gè)磁路的磁通量相同若各段截面積或材料不同，則磁通密度不同直流磁路的計(jì)算示例鐵心材

14、料由鑄鋼和空氣隙構(gòu)成，鐵心截面積AFe=3310-4m2，磁路的平均長(zhǎng)度lFe=0.3m，氣隙長(zhǎng)度=510-4m。如下圖。求該磁路獲得磁通量=0.0009Wb時(shí)所需的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)?？紤]到氣隙磁場(chǎng)的邊緣效應(yīng)，在計(jì)算氣隙有效面積時(shí)，通常在長(zhǎng)、寬方向各增加一個(gè)值。直流磁路的計(jì)算示例解：1、鐵心內(nèi)磁通密度2、材料是鑄鋼，由鑄鋼的基本磁化曲線可得磁場(chǎng)強(qiáng)度3、鐵心段的磁壓降為4、空氣隙內(nèi)磁通密度5、空氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度6、空氣隙的磁壓降為7、勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)為直流磁路的計(jì)算簡(jiǎn)單并聯(lián)磁路考慮漏磁影響，或者有兩個(gè)以上分支磁路電機(jī)和變壓器的磁路大多屬于這一類直流磁路的計(jì)算示例如下圖所示并聯(lián)磁路，鐵心所用材料為DR530硅鋼片

15、，鐵芯柱和鐵軛的截面積A=2210-4m2，磁路段的平均長(zhǎng)度lFe=510-2m，氣隙長(zhǎng)度1=2=2.510-3m，勵(lì)磁線圈匝數(shù)N1=N2=1000匝。不計(jì)漏磁通，試求在氣隙內(nèi)產(chǎn)生B =1.211T的磁通密度時(shí)，所需的勵(lì)磁電流。直流磁路的計(jì)算示例解：1、由基爾霍夫第一定律，有2、由基爾霍夫第二定律，有3、由圖知，中間鐵心段的磁路長(zhǎng)度為4、左、右兩邊鐵心段的磁路長(zhǎng)度均為由于磁路是并聯(lián)且對(duì)稱的，只需計(jì)算一個(gè)磁回路即可直流磁路的計(jì)算示例解：5、氣隙磁壓降6、中間鐵心段磁通密度查閱DR530的基本磁化曲線，有中間鐵心段的磁壓降為直流磁路的計(jì)算示例解：7、左右兩邊鐵心的磁通密度為查閱DR530的基本磁化曲線，有左右兩邊鐵心段的磁壓降為8、總磁動(dòng)勢(shì)為勵(lì)磁電流交流磁路直流磁路勵(lì)磁電流恒定，無(wú)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)線圈中電流由外加電壓和線圈電阻確定，功耗為I2R交流磁路交變勵(lì)磁電流，其電磁關(guān)系與直流有所不同每一時(shí)刻