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《電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)》機(jī)械電子工程學(xué)院工程訓(xùn)練中心許麗川xulichuan@.cn第一章緒論1.1課程內(nèi)容與課程性質(zhì)1.2本課程常用的物理概念和定律概述1.1課程內(nèi)容與課程性質(zhì)“電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)”是把電機(jī)學(xué)和電力拖動(dòng)基礎(chǔ)兩門課程有機(jī)結(jié)合的一門課程。是工業(yè)電氣自動(dòng)化專業(yè)和非電機(jī)專業(yè)最主要的專業(yè)基礎(chǔ)課。電機(jī)定義為“依據(jù)電磁感應(yīng)定律和電磁力定律,由電路和磁路構(gòu)成的能實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換或信號(hào)傳遞與轉(zhuǎn)換的裝置”?!姶攀诫姍C(jī)電力拖動(dòng)定義為“電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)”。電機(jī)——泛指機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的裝置。根據(jù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的原理,有電磁原理、壓電超聲原理、靜電原理(MEMS)、形狀記憶合金等。超聲波電機(jī)電磁式電機(jī)電機(jī)拖動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)懸掛傳送系統(tǒng)飲料灌裝分揀系統(tǒng)電機(jī)拖動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)工業(yè)機(jī)械臂升降電梯電機(jī)拖動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)電機(jī)拖動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)本課程學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容幾種電機(jī)的工作原理、分析方法、運(yùn)行特性工作原理電機(jī)內(nèi)部電磁關(guān)系——物理模型分析方法——穩(wěn)態(tài)分析電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程——數(shù)學(xué)模型電機(jī)等效電路——電路模型運(yùn)行特性電機(jī)的運(yùn)行特性和性能——外特性、機(jī)械特性等。幾種電機(jī)的拖動(dòng)性能——起動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)電機(jī)模型穩(wěn)態(tài)模型動(dòng)態(tài)模型拖動(dòng)性能動(dòng)態(tài)性能穩(wěn)態(tài)性能穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象:電動(dòng)機(jī)重載和輕載時(shí),哪種情況轉(zhuǎn)速快?哪種情況更耗電?動(dòng)態(tài)現(xiàn)象:電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí),轉(zhuǎn)速和電流如何變化?本課程與后續(xù)課程的關(guān)系電力拖動(dòng)系統(tǒng)一般是由電動(dòng)機(jī)、生產(chǎn)機(jī)械的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、工作機(jī)構(gòu)、控制設(shè)備和電源組成。控制設(shè)備電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作機(jī)構(gòu)電源
《電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)》《電力電子變流技術(shù)》《電氣控制及PLC》《單片機(jī)》《電機(jī)拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)》《工廠供電》《自動(dòng)控制原理》特殊電機(jī)現(xiàn)代電機(jī)控制原理本課程的安排課堂課時(shí):68學(xué)時(shí)成績(jī)比例:平時(shí)10%,期末90%一.磁路基本理論二.拖動(dòng)系統(tǒng)基本理論三.直流電機(jī)及其拖動(dòng)系統(tǒng)四.變壓器五.交流電機(jī)及其拖動(dòng)系統(tǒng)直流電機(jī)、變壓器、交流電機(jī)基本各占1/3學(xué)時(shí)。ElectricPowerSystemGeneratingfacilitiesBulktransmissionstationtransmissionlinesSmallindustrialcustomersSchoolstransmissionstationLargeindustrialcustomerstransmissionstationStoresDistributionsubstationResidentialandruralcustomers二、發(fā)電到用電的簡(jiǎn)況華北——內(nèi)蒙古赤峰發(fā)電廠山西大同發(fā)電廠哈爾濱第三發(fā)電廠華東——浙江富春江水電廠全景新安江水電廠全景廣東省第一座無人值班110千伏佛山城東變電站(1998年3月投產(chǎn))500kV瓶窯變電所全景華東-500kV黃渡變電站主變壓器徐(州)-滬500kV線路鎮(zhèn)江大跨越1.2本課程常用的物理概念和定律概述一、電機(jī)基本分類及電機(jī)中的材料二、鐵磁材料特性三、電機(jī)中的基本電磁定律四、磁路基本定律及計(jì)算方法一、電機(jī)基本分類及電機(jī)中的材料電機(jī)基本分類變壓器旋轉(zhuǎn)電機(jī)直流電機(jī)交流電機(jī)同步電機(jī)異步電機(jī)按運(yùn)動(dòng)方式分類按功能分類發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)變壓器、變流機(jī)、變頻機(jī)、移相器控制電機(jī)直線電機(jī)電機(jī)中的材料導(dǎo)電材料:銅線或鋁線,常用于電機(jī)繞組導(dǎo)磁材料:鐵磁材料(鐵、鎳、鈷等以及它們的合金)——硅鋼片(DR320、DR530),鑄鋼,鑄鐵結(jié)構(gòu)材料:鑄鐵、鑄鋼和鋼板或鋁合金,用來構(gòu)成電機(jī)的整體,要求機(jī)械強(qiáng)度好,加工方便。絕緣材料:聚酯漆、環(huán)氧樹脂、玻璃絲帶等,常用于導(dǎo)體之間和各種構(gòu)件之間的絕緣處理,要求介電強(qiáng)度高,耐熱性好。絕緣性能與溫度有關(guān),按耐熱程度可以分為A、E、B、F、H、C等6個(gè)絕緣等級(jí)。如B級(jí)絕緣為130度長(zhǎng)期使用,H級(jí)絕緣為180度長(zhǎng)期使用。二、鐵磁材料特性——導(dǎo)磁特性1、磁導(dǎo)率B:磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁通密度、磁密,通常用磁力線描述其大小和方向。單位“特斯拉”,T(1T=1Wb/m2)。:磁感應(yīng)通量、磁通,穿過某一截面S的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的通量。單位“韋”,Wb。H:磁場(chǎng)強(qiáng)度,計(jì)算導(dǎo)磁物質(zhì)中的磁場(chǎng)時(shí),引入的輔助物理量。單位“安/米”,A/m。若磁介質(zhì)是均勻而且各向同性的,則B和H是同向的。磁導(dǎo)率μ:磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H之比,是衡量物質(zhì)導(dǎo)磁性能的物理量,單位是亨/米,H/m(1H=1Wb/A)。μ0=4π×10-7H/m真空中的磁導(dǎo)率為常數(shù):2.物質(zhì)磁性能分類(按磁導(dǎo)率分類)(1)磁性物質(zhì)
(2)非磁性物質(zhì):
≈
0
順磁物質(zhì)(如變壓器油和空氣):
略大于
0
反磁物質(zhì)(如銅和鉍):
略小于
0
3.磁性物質(zhì)的特點(diǎn)
(1)高導(dǎo)磁性:μ
>>μ0
鑄鋼μ
≈1000μ0
硅鋼片μ
≈(6000~7000)μ0
坡莫合金μ
≈(幾萬倍)μ0磁性物質(zhì)具有高導(dǎo)磁性的原因:內(nèi)部存在著很多小“磁疇”磁疇(磁化前)磁疇(磁化后)(2)磁飽和性:μ
≠常數(shù)跗點(diǎn)膝點(diǎn)飽和點(diǎn)磁性物質(zhì)磁場(chǎng)飽和后,其磁導(dǎo)率μ
近似為真空磁導(dǎo)率μ0
。初始磁化曲線(3)磁滯性:B的變化總是滯后H的變化剩磁矯頑力磁滯回線基本磁化曲線(a)
硬磁物質(zhì)
B-H曲線寬,Br大、Hc
大。鈷鋼、鋁鎳鈷合金、鉍鐵硼合金,用于制造永磁鐵。(b)
軟磁物質(zhì)
B-H曲線窄,Br小、Hc
小。軟鐵、硅鋼、坡莫合金、鐵氧體,用于制造變壓器、電機(jī)和電器等的鐵心。(c)矩磁物質(zhì)
B-H曲線形狀接近矩形,Br大、Hc
小。鎂錳鐵氧體(磁性陶瓷),用于計(jì)算機(jī)中,作記憶單元。按磁滯回線的不同,磁性物質(zhì)可分為
磁滯損耗——鐵磁材料在交變磁場(chǎng)作用下的反復(fù)磁化過程中,磁疇會(huì)不停轉(zhuǎn)動(dòng),相互之間不斷摩擦,消耗一定的能量,產(chǎn)生功率損耗,稱為磁滯損耗。
磁滯損耗與磁滯回線的面積、電流頻率、鐵心體積成正比。硅鋼片的磁滯回線窄(鋼片中加入硅),導(dǎo)磁性能也較好,所以,大多數(shù)電機(jī)、變壓器和普通電器的鐵心都由硅鋼片疊成。4.磁性物質(zhì)的功率損耗渦流與渦流損耗
渦流——鐵磁材料在交變磁場(chǎng)作用下將有圍繞磁通呈渦旋狀的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流產(chǎn)生,簡(jiǎn)稱渦流。
渦流損耗——渦流在其流通路徑上的等效電阻中產(chǎn)生的損耗稱為渦流損耗。
減小渦流損耗,首先減小厚度,其次是增加渦流回路的電阻率,電工鋼片中加入適量的硅,顯著提高了電阻率。鐵損=磁滯損耗+渦流損耗在電機(jī)和變壓器計(jì)算中,當(dāng)磁路鐵心中的磁通是交變磁通時(shí),磁滯和渦流損耗是同時(shí)發(fā)生的,通常把二者合在一起稱為鐵損耗,簡(jiǎn)稱鐵損。想一下:鐵損屬于有功功率還是無功功率?鐵心中的磁滯損耗和渦流損耗都消耗有功功率,使鐵心發(fā)熱。三、電機(jī)中的基本電磁定律1、安培環(huán)路定律在磁場(chǎng)中,沿任意一個(gè)磁回路的磁場(chǎng)強(qiáng)度線積分等于該回路所環(huán)鏈的所有電流的代數(shù)和。正方向規(guī)定:I的方向與回路方向符合右螺旋定則為正。工程簡(jiǎn)化式為:其中:為勵(lì)磁線圈的匝數(shù);為磁路各段的磁位降,或一段磁路所消耗的磁通勢(shì);
,單位A,為整個(gè)磁路上的磁通勢(shì),或全電流匝數(shù);電機(jī)中磁場(chǎng)構(gòu)成的主要結(jié)構(gòu)——鐵心線圈:在均勻磁場(chǎng)中,若載流直導(dǎo)線與B方向垂直、長(zhǎng)度為L(zhǎng),流過的電流為I,則載流導(dǎo)線所受的力為f,有其方向在電機(jī)學(xué)中習(xí)慣上用左手定則確定。2、電磁力定律3、電磁感應(yīng)定律——切割電動(dòng)勢(shì)長(zhǎng)度為l的直導(dǎo)線與磁場(chǎng)相對(duì)運(yùn)動(dòng),切割速度為v,若磁場(chǎng)均勻,導(dǎo)線l、B、v三者方向互相垂直,則導(dǎo)線中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為
,方向用右手定則確定。電磁感應(yīng)定律——線圈電動(dòng)勢(shì)正方向規(guī)定:電動(dòng)勢(shì)或電流正方向與磁通正方向符合右螺旋定則。四、磁路基本定律及計(jì)算方法(一)鐵心線圈磁路基本概念1.鐵心線圈:采用具有高導(dǎo)磁性的鐵磁物質(zhì)做成鐵心,將線圈繞于其上通以電流產(chǎn)生磁場(chǎng)2.主磁通:經(jīng)鐵心而閉合的磁通Φ,占總磁通量的絕大部分3.漏磁通:經(jīng)空氣等非磁性物質(zhì)而閉合的磁通Φσ
,占總磁通量的很小部分,通常可以忽略4.磁路:主磁通通過的路徑(二)磁路歐姆定律根據(jù)全電流定律,等式左邊:μc
Aclcμ0A0l0+u-iΦ等式右邊:磁路歐姆定律:磁阻(H-1):磁路的磁阻與磁路的長(zhǎng)度l成正比,與磁路的橫截面積A成反比,與磁路介質(zhì)的磁導(dǎo)率μ成反比;鐵磁物質(zhì)磁路的磁阻就是非線性的;鐵磁物質(zhì)的磁阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空氣隙的磁阻;若要保持磁路中的磁通不變,磁阻越大,所需磁通勢(shì)NI就越大,因此,磁路中要盡量減少不必要的空氣隙磁阻。磁阻:磁導(dǎo):(三)磁路基爾霍夫定律1.磁路基爾霍夫第一定律任一封閉面內(nèi),磁通的代數(shù)和等于零,即∑Φ=0,或穿入任一封閉面的磁通量等于穿出此封閉面的磁通量。Φ3-Φ1-Φ2
=
02.磁路基爾霍夫第二定律磁路任一閉合回路中,磁位差的代數(shù)和等于磁通勢(shì)的代數(shù)和,即∑Um=∑F,H和i方向符合右手螺旋規(guī)則,H方向以回路繞行方向?yàn)閰⒖颊较?。例如,考察l1和l2構(gòu)成的閉合回路,取l1回路方向?yàn)閰⒖颊较颉?四)磁路的簡(jiǎn)單計(jì)算——1.直流磁路兩種問題:①已知Ф,求解F;②已知F,求解Ф。在電機(jī)或變壓器的磁路計(jì)算中常見第一種。求解基本步驟磁路分段,求解各段截面積Ai和長(zhǎng)度Li根據(jù)給定磁通Ф
,求解各段磁密Bi根據(jù)各段磁密
Bi,求解對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度Hi對(duì)鐵磁材料,查基本磁化曲線或表對(duì)空氣隙或非磁性間隙,用真空磁導(dǎo)率計(jì)算計(jì)算各段的HiLi根據(jù)磁路基氏第二定律,在磁回路上求解F=Ni2.交流磁路的特點(diǎn)(1)在每一瞬間與直流磁路相同,遵循磁路基本定律,可以使用相同的基本磁化曲線。(2)磁通量和磁密均用交流的瞬時(shí)最大值表示。(3)磁通勢(shì)和磁場(chǎng)強(qiáng)度則用有效值表示。(4)交變磁通會(huì)在鐵心中引起鐵損耗,會(huì)在勵(lì)磁線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。(5)磁飽和現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致勵(lì)磁電流、磁通和電動(dòng)勢(shì)波形的畸變。
(五)自感——單位電流所產(chǎn)生的自感磁鏈自感的大小與匝數(shù)的平方和磁路的磁導(dǎo)成正比;鐵心線圈的自感要比空心線
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