煜大三上課件-電機學

2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)1清華大學出版社

電機與拖動基礎(chǔ)FundamentalofElectricMotorandDriver2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)2目錄

第一章緒論

第二章電力拖動的動力學

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

2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)3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2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)4一、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)系復雜（電流、電壓、磁場、力矩關(guān)系）4、該課程以大學物理和電路理論為基礎(chǔ)第一章緒論(Preface)§1-1課程簡介2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)5（3）抓主要矛盾，培養(yǎng)工程觀點。在分析復雜的實際問題中，常常需要忽略一些次要因素，抓主要矛盾加以解決，這樣所得的結(jié)果在工程應(yīng)用上，已經(jīng)足夠正確。在某種條件下的次要因素，在另一條件下又有可能成為有決定影響的主要因素，要根據(jù)研究的具體問題及條件而變化。

（4）重視實驗環(huán)節(jié)，培養(yǎng)動手能力。通過《電機學》的實驗，打好強電類實驗的基本功，為今后實際工作打好基礎(chǔ)。2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)61、做好預習和復習

2、準備兩個作業(yè)本，按要求交作業(yè)

3、實驗前認真預習，實驗后完成實驗報告二、要求：

2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)7三、參考書：1、許曉峰主編《電機及拖動》高等教育出版社2、李發(fā)海、朱東起主編《電機學》科學出版社3、劉新正譯《電機學》電子工業(yè)出版社《ElectricMachinery》.A.E.FitzgeraldCharlesKingsley,Jr.StephenD.Umans.2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)8四、本課程學習內(nèi)容及方法：直流電機及拖動、變壓器、異步電機及拖動、同步電機掌握內(nèi)容：1）基本結(jié)構(gòu)、工作原理2）電磁力關(guān)系、功率關(guān)系3）運行特性及應(yīng)用4）起動、制動與調(diào)速2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)9電機學與物理、電路及磁路等課程的性質(zhì)有很多不同之處。

（1）《電機學》是基礎(chǔ)理論課，又帶有實際工程性?！峨姍C學》具體分析各種類型的電機，比較實際，不像電路及磁路課中分析的電阻、電感、電容電路不代表具體的電器設(shè)備。

（2）《電機學》通過對具體電機的分析分析闡述基本電磁規(guī)律，具有復雜性和綜合性的特點，在電機中，各種電、磁、力、熱等方面的物理定律同時在一臺電機上起作用，相互制約，必須綜合考慮。

2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)10在學習方法上要掌握以下幾點：

（1）理論聯(lián)系實際。首先學好電機的基本理論，掌握電磁規(guī)律，加深對物理概念的理解。對具體電機結(jié)構(gòu)也要有一定的了解，否則不可能深入掌握理論。

（2）重視學習能力的培養(yǎng)。從具體電機入手，掌握分析電機理論的基本方法，學習分析電機理論問題的工具并靈活應(yīng)用。

2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)11五、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2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)12六、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）2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)132、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）2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)142023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)15七、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2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)162023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)17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。2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)18風力發(fā)電機2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)19水輪發(fā)電機現(xiàn)場2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)20自耦變壓器2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)21交流電機圖片2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)22同步發(fā)電機定子結(jié)構(gòu)2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)232、驅(qū)動生產(chǎn)機械磁懸浮列車大型車床2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)243、控制各種自動設(shè)備盲人引路車爬行機器人2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)25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2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)262023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)27車用電機及其驅(qū)動系統(tǒng)

2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)28汽車線控電子化(X-by-wire)

助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，汽車四輪轉(zhuǎn)向，電子牽引系統(tǒng)，制動系統(tǒng)，懸掛系統(tǒng)，導向系統(tǒng)

2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)29汽車電子方向盤

伺服電機、轉(zhuǎn)矩傳感器、

驅(qū)動系統(tǒng)、DSP控制器

2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)30汽車線控電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)31汽車線控電子制動系統(tǒng)

2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)32線控電子化是未來汽車的發(fā)展趨勢，許多傳統(tǒng)的機械部件將會在未來汽車上逐步消失。

2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)33八、電機的發(fā)展狀況大型和超小型方向發(fā)展同步發(fā)電機定子各種微電機

2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)34三峽工程左岸（8×700MW發(fā)電機組）、右岸(6×700MW發(fā)電機組)、地下電站(2×700MW發(fā)電機組2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)35§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2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)36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2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)37一、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。2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)38變壓器磁路2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)39磁感應(yīng)強度：又稱磁通密度，單位體積/面積里的磁通量，用于描述磁場的能量的強度的物理量，是一個矢量，符號是B，單位是特（斯拉）(T)。

磁場強度，是在研究磁介質(zhì)、推導有磁介質(zhì)的安培環(huán)路定理時引入的輔助物理量，無物理意義，是一個矢量，符號是H，單位是按（培）/米(A/m)。

2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)406、磁導率表示物質(zhì)導磁能力強弱的物理量=B/H單位：亨/米空氣磁導率0=4×10-7H/m鐵磁材料磁導率

>>02023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)417、磁阻Rm磁阻Rm=L/(S)L:磁路長度；

：磁導率；S：磁路截面積單位：1/亨2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)42二.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。2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)43

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：

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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，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：2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)454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2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)461、電磁感應(yīng)定律電磁感應(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2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)471）運動電勢(動生電動勢)

導體在磁場中運動時，導體中會感應(yīng)出電勢e。大小：電勢e=Blv。B:磁密；l：導體長度；v：導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。2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)482）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2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)492、電磁力定律

一個通電流的導體，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2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)50四、鐵磁材料的磁性能（一）高導磁性（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2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)51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。2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)522023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)532023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)542023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)552023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)56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。2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)57當磁場從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H=0時，B不為0，而保留剩磁Br。當磁場反向從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。2023/2/4電機與拖動基礎(chǔ)58圖還表明，當外磁場按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