緒論(電機(jī)與拖動)

《電機(jī)與拖動基礎(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)與拖動基礎(chǔ)”是把電機(jī)學(xué)和電力拖動基礎(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)換或信號傳遞與轉(zhuǎn)換的裝置”?！姶攀诫姍C(jī)電力拖動定義為“電動機(jī)拖動生產(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)拖動應(yīng)用系統(tǒng)工業(yè)機(jī)械臂升降電梯電機(jī)拖動應(yīng)用系統(tǒng)電機(jī)拖動應(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)的拖動性能——起動、調(diào)速、制動電機(jī)模型穩(wěn)態(tài)模型動態(tài)模型拖動性能動態(tài)性能穩(wěn)態(tài)性能穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象：電動機(jī)重載和輕載時，哪種情況轉(zhuǎn)速快？哪種情況更耗電？動態(tài)現(xiàn)象：電動機(jī)起動時，轉(zhuǎn)速和電流如何變化？本課程與后續(xù)課程的關(guān)系電力拖動系統(tǒng)一般是由電動機(jī)、生產(chǎn)機(jī)械的傳動機(jī)構(gòu)、工作機(jī)構(gòu)、控制設(shè)備和電源組成?？刂圃O(shè)備電動機(jī)傳動機(jī)構(gòu)工作機(jī)構(gòu)電源

《電機(jī)與拖動基礎(chǔ)》《電力電子變流技術(shù)》《電氣控制及PLC》《單片機(jī)》《電機(jī)拖動自動控制系統(tǒng)》《工廠供電》《自動控制原理》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：68學(xué)時成績比例：平時10％，期末90％一.磁路基本理論二.拖動系統(tǒng)基本理論三.直流電機(jī)及其拖動系統(tǒng)四.變壓器五.交流電機(jī)及其拖動系統(tǒng)直流電機(jī)、變壓器、交流電機(jī)基本各占1/3學(xué)時。ElectricPowerSystemGeneratingfacilitiesBulktransmissionstationtransmissionlinesSmallindustrialcustomersSchoolstransmissionstationLargeindustrialcustomerstransmissionstationStoresDistributionsubstationResidentialandruralcustomers二、發(fā)電到用電的簡況華北——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)動方式分類按功能分類發(fā)電機(jī)電動機(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個絕緣等級。如B級絕緣為130度長期使用，H級絕緣為180度長期使用。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：磁場強(qiáng)度，計(jì)算導(dǎo)磁物質(zhì)中的磁場時，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作用下的反復(fù)磁化過程中，磁疇會不停轉(zhuǎn)動，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作用下將有圍繞磁通呈渦旋狀的感應(yīng)電動勢和電流產(chǎn)生，簡稱渦流。

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，磁滯和渦流損耗是同時發(fā)生的，通常把二者合在一起稱為鐵損耗，簡稱鐵損。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)路定律在磁場中，沿任意一個磁回路的磁場強(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。工程簡化式為：其中：為勵磁線圈的匝數(shù)；為磁路各段的磁位降，或一段磁路所消耗的磁通勢；

,單位A，為整個磁路上的磁通勢，或全電流匝數(shù)；電機(jī)中磁場構(gòu)成的主要結(jié)構(gòu)——鐵心線圈：在均勻磁場中，若載流直導(dǎo)線與B方向垂直、長度為L，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——切割電動勢長度為l的直導(dǎo)線與磁場相對運(yùn)動，切割速度為v，若磁場均勻，導(dǎo)線l、B、v三者方向互相垂直，則導(dǎo)線中感應(yīng)電動勢為

，方向用右手定則確定。電磁感應(yīng)定律——線圈電動勢正方向規(guī)定：電動勢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?？梢院雎?.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，求解對應(yīng)的磁場強(qiáng)度Hi對鐵磁材料，查基本磁化曲線或表對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最大值表示。(3)磁通勢和磁場強(qiáng)度則用有效值表示。(4)交變磁通會在鐵心中引起鐵損耗，會在勵磁線圈中感應(yīng)電動勢。(5)磁飽和現(xiàn)象會導(dǎo)致勵磁電流、磁通和電動勢波形的畸變。

(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