電機(jī)及拖動(dòng)系統(tǒng) 課件 緒論

緒論0.1電機(jī)及拖動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展概況0.2電機(jī)的種類及制造材料0.3電機(jī)及電力拖動(dòng)系統(tǒng)的一般分析方法0.4課程的性質(zhì)、任務(wù)及學(xué)習(xí)方法0.5本課程涉及的電磁學(xué)基本理論0.1電機(jī)及電力拖動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展概況1.電機(jī)及其發(fā)展

電機(jī)是以磁場(chǎng)為媒介實(shí)現(xiàn)能量變換與傳遞的電磁機(jī)械。從能量變換（功能）的角度看，電機(jī)分為電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和變壓器三大類。問(wèn)題：你的生活空間中用到了多少電機(jī)？

電機(jī)是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、自動(dòng)化設(shè)備中的一個(gè)執(zhí)行元件。電機(jī)的共性◆依賴于電磁感應(yīng)定律和電磁力定律◆導(dǎo)磁材料構(gòu)成磁路，導(dǎo)電材料構(gòu)成電路電機(jī)中的三類基本物理量◆電以“路”的形式出現(xiàn)；線圈構(gòu)成電路◆磁以“場(chǎng)”的形式出現(xiàn)；以磁路進(jìn)行分析◆力電機(jī)中與之相關(guān)的有電磁力、電磁轉(zhuǎn)矩0.1電機(jī)及電力拖動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展概況我國(guó)電機(jī)工業(yè)的發(fā)展概況經(jīng)過(guò)70多年發(fā)展，培養(yǎng)了一大批從事研究、制造電機(jī)的專家、技術(shù)人員和企業(yè)，制定了統(tǒng)一的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和系列化產(chǎn)品。在發(fā)電設(shè)備制造方面，研制出300MW、600MW汽輪發(fā)電機(jī)、650MW核電機(jī)組、700MW水輪發(fā)電機(jī)。電力變壓器最大容量已達(dá)到840MVA，電壓最高1000KV。在大型交直流電機(jī)制造方面，研制出2*5000KW的直流電動(dòng)機(jī)，4700KW的直流發(fā)電機(jī)，42MW的同步電動(dòng)機(jī)。在中小型、微型電機(jī)制造方面，自主開(kāi)發(fā)研制了100多個(gè)系列、上千品種的各類型電機(jī)，以滿足生產(chǎn)和生活的需求。0.1電機(jī)及電力拖動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展概況

電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)：

◆

大型化；單機(jī)容量越來(lái)越大，如60萬(wàn)千瓦及以上的汽輪發(fā)電機(jī)（已出現(xiàn)1000萬(wàn)千瓦的超超臨界機(jī)組）。

◆

微型化；為適應(yīng)設(shè)備小型化的要求，電機(jī)的體積越來(lái)越小，重量越來(lái)越輕。

◆

新原理、新工藝、新材料的電機(jī)；如無(wú)刷直流電機(jī)、直線電機(jī)、超聲波電機(jī)等。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也正朝集成化、數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。0.1電機(jī)及電力拖動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展概況電力拖動(dòng)分：直流拖動(dòng)、交流拖動(dòng)由電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)

最初成組拖動(dòng)

單電機(jī)拖動(dòng)

多電機(jī)拖動(dòng)

一臺(tái)電機(jī)拖動(dòng)一組生產(chǎn)機(jī)械，能量傳遞與分配靠機(jī)械方法實(shí)現(xiàn)，能量損耗大，效率低，事故多。一臺(tái)電機(jī)拖動(dòng)一臺(tái)生產(chǎn)機(jī)械，簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)。每一工作機(jī)構(gòu)由獨(dú)立電機(jī)拖動(dòng)，機(jī)械結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，各機(jī)械間一般采用電氣方法聯(lián)系。2.電力拖動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展概況0.1電機(jī)及電力拖動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展概況0.1電機(jī)及電力拖動(dòng)發(fā)展概況電力拖動(dòng)系統(tǒng)的組成電力拖動(dòng)系統(tǒng)的心臟是電動(dòng)機(jī)，控制設(shè)備是大腦，電源是動(dòng)力，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是四肢和工具，負(fù)載就是生產(chǎn)機(jī)械。

電源控制設(shè)備

電機(jī)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)負(fù)載0.2電機(jī)的種類及制造材料電機(jī)的分類方法很多，下面為按功能用途的主要分類。電機(jī)所用的材料主要包括4類(1)導(dǎo)電材料：構(gòu)成電機(jī)中的電路系統(tǒng)。電機(jī)繞組常用銅繞

組，小型異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子常用鋁模鑄成。(2)導(dǎo)磁材料：構(gòu)成電機(jī)中的磁路系統(tǒng)。常用硅鋼片（也稱

矽鋼片或電工鋼片）、鋼板和鑄鋼。(3)絕緣材料：作為帶電體之間、帶電體與鐵心間的電氣隔

離，要求材料的介電強(qiáng)度高且耐熱強(qiáng)度好。(4)結(jié)構(gòu)材料：使各部分構(gòu)成整體、支撐相連接的其他機(jī)械

部分。常用鑄鐵、鑄鋼、鋼板、鋁合金及工程塑料。0.2電機(jī)的種類及制造材料0.3電機(jī)及電力拖動(dòng)系統(tǒng)的一般分析方法1.電機(jī)及拖動(dòng)系統(tǒng)的一般分析方法◆采用電路和磁路理論的宏觀分析方法?！舨捎秒姶艌?chǎng)理論的微觀分析方法。2.分析電機(jī)及拖動(dòng)系統(tǒng)的一般步驟(宏觀分析法）◆各類電機(jī)的基本運(yùn)行原理和結(jié)構(gòu)?！舾鶕?jù)結(jié)構(gòu)的具體特點(diǎn)，分析各類電機(jī)內(nèi)部的電磁關(guān)系。◆根據(jù)內(nèi)部的電磁關(guān)系，建立電機(jī)的數(shù)學(xué)模型/描述，主要

包括基本方程式、等效電路和向量圖?！衾蒙鲜鰯?shù)學(xué)模型/描述分析各類電機(jī)的運(yùn)行特性、機(jī)械

特性和性能指標(biāo)。0.3電機(jī)及電力拖動(dòng)系統(tǒng)的一般分析方法◆根據(jù)電動(dòng)機(jī)的機(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、調(diào)速特性等。◆討論電動(dòng)機(jī)的各種運(yùn)行狀態(tài)及四象限運(yùn)行情況。3.分析電機(jī)內(nèi)部電磁過(guò)程并建模時(shí)，常用方法理論◆鐵心飽和時(shí)，采用疊加原理對(duì)氣隙磁動(dòng)勢(shì)、磁場(chǎng)及氣隙磁

場(chǎng)感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行分析；鐵心不飽和時(shí)，采用主、漏磁

通進(jìn)行分析?！魧?duì)交流電機(jī)或者變壓器，在保持電磁關(guān)系不變情況下，利用折算法進(jìn)行折算，然后再建模?！粼趯?duì)交流電機(jī)或者變壓器的穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，

常用基本方程式、等效電路以及相量圖等工具?！粼诜钦掖艌?chǎng)或非正弦電壓的分析過(guò)程中，經(jīng)常采用諧

波分析法?！粼谟懻摱噍S電力拖動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，按功率傳遞關(guān)系及能量保

持不變的原則將多軸系統(tǒng)等效為單軸系統(tǒng)進(jìn)行討論。0.3電機(jī)及電力拖動(dòng)系統(tǒng)的一般分析方法0.4本課程的性質(zhì)、任務(wù)及學(xué)習(xí)方法1.課程性質(zhì)

組成：《電機(jī)學(xué)》+《電力拖動(dòng)基礎(chǔ)》性質(zhì)：專業(yè)基礎(chǔ)課課程名稱：電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)課程類別：必修2.課程任務(wù)◆各類電機(jī)的基本運(yùn)行原理、結(jié)構(gòu)、內(nèi)部電磁關(guān)系及其數(shù)

學(xué)描述、運(yùn)行特性、機(jī)械特性等的分析與計(jì)算?！舾黝愲妱?dòng)機(jī)拖動(dòng)不同負(fù)載時(shí)的穩(wěn)定性、起制動(dòng)性能及調(diào)

速性能等的分析與計(jì)算。0.4本課程的性質(zhì)、任務(wù)及學(xué)習(xí)方法3.課程主要內(nèi)容

(1)直流電機(jī)及直流電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)(2)交流電機(jī)及交流電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)(3)變壓器(4)微控電機(jī)、電機(jī)選擇、電機(jī)及拖動(dòng)的計(jì)算機(jī)仿真

4.學(xué)習(xí)方法(1)理解基本概念，弄清基本理論，掌握基本方法。

◆分析問(wèn)題時(shí)，抓主要矛盾，有條件的略去一些次要因

素，尋找問(wèn)題本質(zhì)。0.4本課程的性質(zhì)、任務(wù)及學(xué)習(xí)方法(2)理論聯(lián)系實(shí)際

◆學(xué)習(xí)理論時(shí)，不要只滿足于公式中的數(shù)學(xué)關(guān)系，而要通

過(guò)數(shù)學(xué)關(guān)系去理解它們之間的物理含義。

◆要重視實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，善于用所學(xué)理論去分析生產(chǎn)實(shí)際中的

問(wèn)題。要做到上課、練習(xí)、實(shí)驗(yàn)三者有機(jī)結(jié)合。(3)善于使用對(duì)比、比較方法

◆所有電機(jī)均以電磁理論為理論基礎(chǔ)，有許多共性內(nèi)容和

內(nèi)在聯(lián)系，要善于總結(jié)對(duì)比,舉一反三,觸類旁通，這樣

可起到事半功倍的作用。(4)充分預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)

◆課內(nèi)課外學(xué)時(shí)比例：1:20.5本課程涉及的電磁學(xué)基本理論0.5.1磁的基本概念磁場(chǎng)及右手螺旋定則

磁場(chǎng)是由運(yùn)動(dòng)電荷或電場(chǎng)的變化產(chǎn)生的，可用磁力線來(lái)描述。磁力線的方向與電流滿足右手螺旋定則。

通電導(dǎo)體的右手螺旋定則通電線圈的右手螺旋定則0.5本課程涉及的電磁學(xué)基本理論磁通密度B(T):又稱磁感應(yīng)強(qiáng)度，描述磁場(chǎng)的強(qiáng)弱和方向的一個(gè)物理量。通常用通過(guò)磁場(chǎng)方向單位面積的磁力線數(shù)來(lái)表示。磁通

(Wb):指穿過(guò)某一截面S的磁通密度B的通量。通常用穿過(guò)截面S的磁力線根數(shù)表示大小，即若截面S與磁通密度B垂直，則若截面S與磁通密度B不垂直，截面S的法線與磁通密度B的夾角為，則0.5本課程涉及的電磁學(xué)基本理論磁場(chǎng)強(qiáng)度

(A/m)

:在線性磁性材料的一定范圍內(nèi)，磁場(chǎng)強(qiáng)度定義為介質(zhì)中某點(diǎn)的磁通密度B與介質(zhì)磁導(dǎo)率之比注意：磁通和磁通密度與介質(zhì)有關(guān)，而磁場(chǎng)強(qiáng)度與介質(zhì)無(wú)關(guān)，磁通密度隨介質(zhì)的不同而不同，其程度取決于介質(zhì)的磁導(dǎo)率。其中，為磁導(dǎo)率，表征磁介質(zhì)導(dǎo)磁性能的物理量。真空中，鐵磁材料中的不是一個(gè)常數(shù)。0.5本課程涉及的電磁學(xué)基本理論

磁動(dòng)勢(shì)：等于流過(guò)線圈的電流與其匝數(shù)的乘積，即

磁阻：磁阻與磁路的平均長(zhǎng)度，磁路截面積及磁路介質(zhì)的磁導(dǎo)率有關(guān)，即磁路：磁通走過(guò)的路徑。與電流只通導(dǎo)體不同，所有介質(zhì)

都可以是磁路的通路，分鐵磁介質(zhì)和非鐵磁介質(zhì)。勵(lì)磁線圈：產(chǎn)生磁通的載流線圈，勵(lì)磁線圈中的電流叫勵(lì)

磁電流。勵(lì)磁電流是直流的磁路，磁通恒定,叫直流磁路；勵(lì)磁電流是交流的磁路，磁通隨時(shí)間變化，叫

交流磁路。0.5本課程涉及的電磁學(xué)基本理論0.5.2.磁性材料及其特性磁性材料（也稱鐵磁材料）:一般是由鐵或鐵與鈷、鎳、鋁及其他金屬的合金構(gòu)成。分為軟磁材料和硬磁材料。

為了在磁動(dòng)勢(shì)一定的條件下獲得較強(qiáng)的磁場(chǎng)，以改善電機(jī)的性能、縮小尺寸，要用高導(dǎo)磁的鐵磁材料作磁通路，故電機(jī)的鐵心都是鐵磁材料做成的。鐵磁物質(zhì)的磁化：把鐵鈷鎳等材料放入磁場(chǎng)中，鐵磁材料在外磁場(chǎng)中呈現(xiàn)很強(qiáng)的磁性，鐵磁材料被磁化了。

問(wèn)題：非鐵磁材料放入磁場(chǎng)會(huì)被磁化嗎？0.5本課程涉及的電磁學(xué)基本理論1.磁滯回線與磁化曲線

在外加磁場(chǎng)前后，鐵磁材料的內(nèi)部磁疇將發(fā)生如圖0-2所示的變化，稱為磁化。(a)磁化前(b)磁化后

圖0-2鐵磁材料的磁化

鐵磁材料被磁化后，由磁疇產(chǎn)生的內(nèi)部磁化磁場(chǎng)與外加磁場(chǎng)疊加使得合成磁場(chǎng)加強(qiáng)。外加磁場(chǎng)H與合成磁場(chǎng)B之間的關(guān)系通常用磁化曲線來(lái)描述，如圖0-3所示。0.5本課程涉及的電磁學(xué)基本理論

磁性材料具有三個(gè)顯著特點(diǎn)：高磁導(dǎo)性，磁滯性，磁飽和性，其磁滯回線如圖0-4所示。圖0-3磁性材料的磁化曲線圖0-4磁性材料的磁滯回線0.5本課程涉及的電磁學(xué)基本理論從能量轉(zhuǎn)換角度看，磁性材料的重要性有兩點(diǎn)：◆通過(guò)磁性材料，就有可能以相對(duì)低的磁化力來(lái)獲取高的磁通密度。因?yàn)殡S著磁通密度增加,磁力及能量密度增加，所以這一作用對(duì)能量轉(zhuǎn)換裝置的性能至關(guān)重要。◆磁性材料可用于沿精心確立的路徑來(lái)束縛及導(dǎo)向磁場(chǎng)。在變壓器中，磁性材料既可用來(lái)最大限度地使繞組間匝鏈，又可降低變壓器運(yùn)行所需要的勵(lì)磁電流。在電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)中,磁性材料用于定形磁場(chǎng),以獲得期望的轉(zhuǎn)矩和端部電特性。

因此，設(shè)計(jì)人員利用磁性材料來(lái)得到滿足特殊需要的裝置特性。

0.5本課程涉及的電磁學(xué)基本理論起始磁化曲線:將一個(gè)未磁化的磁鐵進(jìn)行磁化，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度H逐漸增強(qiáng)時(shí)，磁通密度B也隨之增強(qiáng)。測(cè)定的B-H曲線即為起始磁化曲線。平均磁化曲線：對(duì)于同一鐵磁材料，選擇不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度Hm反復(fù)磁化時(shí)，可以得到不同的磁滯回線，將這些不同的磁滯回線的頂點(diǎn)連接起來(lái)，就得到了平均磁化曲線。◆平均磁化曲線和起始磁化曲線幾乎完全重合?！粼诖怕酚?jì)算時(shí)所用的磁化曲線都是用平均磁化曲線。0.5本課程涉及的電磁學(xué)基本理論2.軟磁材料和硬磁材料

根據(jù)磁滯回線形狀不同，鐵磁材料分為軟磁材料與硬磁材料。軟磁材料：剩磁和矯頑力小，導(dǎo)磁率高，可制造變壓器、交直流電機(jī)鐵心，計(jì)算磁路時(shí)可不考慮磁滯損耗。硬磁材料：剩磁和矯頑力大，磁滯回線寬，常用來(lái)制造永久磁鐵，如稀土鈷、汝鐵硼等。圖0-5為它們的磁滯回線。

圖0-5鐵磁材料的磁滯回線0.5本課程涉及的電磁學(xué)基本理論3.鐵磁材料中的鐵耗除了磁飽和現(xiàn)象外，鐵磁材料內(nèi)部由于存在磁滯和渦流現(xiàn)象而引起磁滯和渦流損耗。磁滯和渦流損耗統(tǒng)稱為鐵心損耗，簡(jiǎn)稱為鐵耗，可表示為：式中，為磁場(chǎng)的交變頻率，為鐵心的體積；為常數(shù)，對(duì)電工用硅鋼，為最大磁密；

為磁滯損耗系數(shù)；為渦流損耗系數(shù)；△為鐵磁材料的厚度；

為鐵心的損耗系數(shù)；為鐵心的重量。0.5本課程涉及的電磁學(xué)基本理論1.電磁感應(yīng)定律

切割電動(dòng)勢(shì)

:

變壓器電動(dòng)勢(shì)：方向判別右手定則楞次定律(a)切割電動(dòng)勢(shì)(b)變壓器電動(dòng)勢(shì)0.5.3電磁學(xué)基本定律0.5本課程涉及的電磁學(xué)基本理論2.電磁力定律在磁場(chǎng)中沿任意一個(gè)閉合磁回路的磁場(chǎng)強(qiáng)度H的線積分在數(shù)值上等于該閉合磁回路內(nèi)的全電流，即方向判別：左手定則3.全電流定律0.5本課程涉及的電磁學(xué)基本理論將磁路分段：假定閉合磁力線由通過(guò)電流i的N匝線圈產(chǎn)生，且沿閉合磁力線

上的磁場(chǎng)強(qiáng)度處處相等，則有0.5本課程涉及的電磁學(xué)基本理論4.磁路的歐姆定律與線圈電感的表達(dá)式由全電流定律可推得與電路的歐姆定律