电机拖动与基础第1章-绪论教材课件

电机与拖动基础电机与拖动基础清华大学出版社7/12/20241电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础目目 录录 第一章 绪论 第二章电力拖动的动力学 第三章直流电机原理 第四章 他励直流电动机的运行 第五章 变压器 第六章 交流电机理论的共同问题 7/12/20242电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础第七章 异步电动机 第八章 三相异步电动机的起动与制动 第九章同步电机第十章三相交流电动机调速第十一章电动机的选择第十二章微控电机7/12/20243电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础一、本课程性质及其特点：一、本课程性质及其特点：1、本课程属于技术基础课、本课程属于技术基础课2、基本概念多、基本概念多 3、电磁力关系复杂（电流、电压、磁场、电磁力关系复杂（电流、电压、磁场、力矩关系）力矩关系）4、该课程以大学物理和电路理论为基础、该课程以大学物理和电路理论为基础第一章第一章 绪论绪论(Preface)1-1 1-1 课程简介课程简介7/12/20244电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础1、做好预习和复习、做好预习和复习2、准备两个作业本，按要求交作业、准备两个作业本，按要求交作业3、实验前认真预习，实验后完成实、实验前认真预习，实验后完成实 验验报告报告二二 要求：要求：7/12/20245电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础三、参考书：三、参考书：1、许晓峰主编、许晓峰主编电机及拖动电机及拖动高等教育出高等教育出版社版社2、顾绳谷编、顾绳谷编电机及拖动基础电机及拖动基础机械工业机械工业出版社出版社3、刘新正译、刘新正译电机学电机学电子工业出版社电子工业出版社Electric Machinery.A.E.Fitzgerald Charles Kingsley,Jr.Stephen D.Umans.7/12/20246电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础四、本课程学习内容：四、本课程学习内容：直流机及拖动、变压器、异步机及拖动、直流机及拖动、变压器、异步机及拖动、同步机同步机掌握内容：掌握内容：1）工作原理及基本结构）工作原理及基本结构2）电磁关系，电压、电流关系，功率关系）电磁关系，电压、电流关系，功率关系3）工作或运行特性及应用）工作或运行特性及应用4）起动、制动与调速）起动、制动与调速7/12/20247电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础五、电机的作用与功能：五、电机的作用与功能：电机是以电磁感应和电磁力定律为基本工电机是以电磁感应和电磁力定律为基本工作原理进行电能的传递或机电能量转换的作原理进行电能的传递或机电能量转换的机械机械。电动机：机：电能能 机械能机械能发电机：机械能机：机械能 电能能变压器：器：U1交流交流电 U2交流交流电7/12/20248电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础六、电机的分类：六、电机的分类：1、按、按电能形式分能形式分直流直流电机机（发电机机、电动机机）交流交流电机机（异步机异步机、同步机同步机）（发电机机、电动机机）7/12/20249电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础2、按能量、按能量转换形式分形式分发电机机（直流直流电机机、交流交流电机机）（异步机异步机、同步机同步机）电动机机（直流直流电机机、交流交流电机机）（异步机异步机、同步机同步机）7/12/202410电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础7/12/202411电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础七、电机的作用：七、电机的作用：1、进行能量转化、传输和分配电能、进行能量转化、传输和分配电能一一简单供供电系系统图7/12/202412电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础7/12/202413电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础电能易于转换、传输、分配和控制，是电能易于转换、传输、分配和控制，是现代能源的主要形式。现代能源的主要形式。电能的生产是由发电机完成的，发电机电能的生产是由发电机完成的，发电机把机械能转换为电能。而电能的生产集把机械能转换为电能。而电能的生产集中在火力、水力及原子能发电厂进行。中在火力、水力及原子能发电厂进行。为了减少输电中的能量损失，远距离输为了减少输电中的能量损失，远距离输电均采用高电压方式，然后经降压再供电均采用高电压方式，然后经降压再供给用户；电压的升高和降低都是由变压给用户；电压的升高和降低都是由变压器完成的。器完成的。电动机则把电能转换为机械能，电动电动机则把电能转换为机械能，电动机拖动生产机械运转称为电力拖动。机拖动生产机械运转称为电力拖动。7/12/202414电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础风力发电机7/12/202415电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础水轮发电机现场7/12/202416电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础 单机容量万千瓦的三峡水电发电机组使用。这个“巨无霸”般的定子机座安装定位后直径可达米、高米、总重量余吨；三峡电站7号水轮发电机的转子 直径为18.43米，高3.5米，重1700吨7/12/202417电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础汽轮发动机7/12/202418电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础7/12/202419电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础自耦变压器7/12/202420电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础交流电机图片7/12/202421电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础同步发电机定子结构7/12/202422电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础2、驱动生生产机械机械磁磁悬浮列浮列车 大型大型车床床7/12/202423电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础3、控制各种自、控制各种自动设备盲人引路盲人引路车爬行机器人爬行机器人7/12/202424电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础主要应用领域主要应用领域1.工业应用：各种生产机床、轧钢机、矿井提升机、球磨机、造纸机等2.交通运输：电力机车、电动汽车、磁悬浮列车3.国防军事：军艇的电力推进系统、鱼雷发射、坦克的电力牵引系统4.航空航天：卫星发射电力推动系统5.民用：冰箱、洗衣机、空调、风扇、吸尘器6.电子仪器设备：各种伺服驱动电机、计算机硬盘驱动电机7/12/202425电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础7/12/202426电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础车用电机及其驱动系统车用电机及其驱动系统 7/12/202427电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础八、电机的发展状况八、电机的发展状况大型和超小型方向发展大型和超小型方向发展同步发电机定子同步发电机定子各种微电机各种微电机 7/12/202428电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础1-21-2磁路的基本概念和基本定律磁路的基本概念和基本定律磁路的基本概念和基本定律磁路的基本概念和基本定律铁磁材料的磁性能铁磁材料的磁性能7/12/202429电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础要求：要求：掌握磁路的基本概念及其掌握磁路的基本概念及其电机磁路的特点机磁路的特点掌握描述磁路的基本物理量掌握描述磁路的基本物理量掌握研究磁路的几个基本定律掌握研究磁路的几个基本定律熟熟练掌握掌握电磁感磁感应定律和定律和电磁力定律磁力定律掌握掌握铁磁材料的性磁材料的性质及其磁化曲及其磁化曲线7/12/202430电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础一、磁路的基本概念一、磁路的基本概念 磁路：磁通磁路：磁通磁路：磁通磁路：磁通 经过的路径。经过的路径。经过的路径。经过的路径。基本物理量：基本物理量：基本物理量：基本物理量：1 1、磁感应强度磁感应强度磁感应强度磁感应强度B B（磁密）单位：磁密）单位：磁密）单位：磁密）单位：Wb/mWb/m2 2;或或或或T T 2 2、磁通磁通磁通磁通 单位：单位：单位：单位：WBWBWBWB 3 3、磁场强度磁场强度磁场强度磁场强度HH单位：单位：单位：单位：A/mA/m 4 4、磁动势磁动势磁动势磁动势F=NI F=NI 单位：单位：单位：单位：A A 5 5、磁压降磁压降磁压降磁压降V=HV=Hl l 单位：单位：单位：单位：A A 线圈中有电流线圈中有电流线圈中有电流线圈中有电流I I，线圈周围就会产生磁场，磁场强弱取决线圈周围就会产生磁场，磁场强弱取决线圈周围就会产生磁场，磁场强弱取决线圈周围就会产生磁场，磁场强弱取决于线圈匝数于线圈匝数于线圈匝数于线圈匝数N N N N和电流和电流和电流和电流I I的乘积的乘积的乘积的乘积ININ，该乘积就叫磁动势该乘积就叫磁动势该乘积就叫磁动势该乘积就叫磁动势F F。7/12/202431电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础6、磁、磁导率率 表示物表示物质导磁能力磁能力强弱的物理量弱的物理量=B/H单位：亨位：亨/米米空气磁空气磁导率率 0=4 10-7H/m铁磁材料磁磁材料磁导率率 07/12/202432电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础7、磁阻、磁阻Rm磁阻磁阻Rm=L/(S)L:磁路磁路长度；度；：磁：磁导率；率；S：磁路截面磁路截面积单位：位：1/亨亨7/12/202433电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础二二.磁路的基本定律磁路的基本定律1、安培、安培环路定律（全路定律（全电流定律）流定律）磁磁场强度度H沿任意沿任意闭合回路合回路l的的线积分，等于分，等于该闭合回路所包合回路所包围的全的全电流，即流，即L LH dl=I H dl=I 其中电流的正方向其中电流的正方向与闭合回路的正方向与闭合回路的正方向满足右手定则。满足右手定则。7/12/202434电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础 2、磁路欧姆定律、磁路欧姆定律 考虑到磁路和电路在分析考虑到磁路和电路在分析思路上基本一直，所以思路上基本一直，所以 我们在分析磁路时，我们在分析磁路时，可以将全电流定律可以将全电流定律应用到磁路中来。应用到磁路中来。如图所示，截面相等的无分支闭如图所示，截面相等的无分支闭合磁路上，则有：合磁路上，则有：因为因为 ,即即 于是：于是：7/12/202435电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础 即磁路中的磁通即磁路中的磁通等于作用在该磁路上的磁动势等于作用在该磁路上的磁动势 F除以磁路的磁阻除以磁路的磁阻Rm或乘以磁导或乘以磁导 ，这就是磁，这就是磁 路的欧路的欧姆定律。姆定律。3 磁路的基尔霍夫第一定律磁路的基尔霍夫第一定律于是如图所示：于是如图所示：7/12/202436电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础4 磁路的基尔霍夫第二定律磁路的基尔霍夫第二定律 磁路和电路在这里有所不同，在磁路中，构成磁磁路和电路在这里有所不同，在磁路中，构成磁路的各个部分的材料和截面会有所不同，这样在路的各个部分的材料和截面会有所不同，这样在分析时，我们要将磁路进行分段，每段有相同的分析时，我们要将磁路进行分段，每段有相同的材料和截面，即材料和截面，即B和和要相同。则要相同。则7/12/202437电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础1、电磁感应定律、电磁感应定律 在我们回顾的所有定律中这将是最重要的一个在我们回顾的所有定律中这将是最重要的一个在我们回顾的所有定律中这将是最重要的一个在我们回顾的所有定律中这将是最重要的一个.简单简单简单简单的说电磁感应定律就是变化的电场附近会产生变化的的说电磁感应定律就是变化的电场附近会产生变化的的说电磁感应定律就是变化的电场附近会产生变化的的说电磁感应定律就是变化的电场附近会产生变化的磁场，而变化的磁场附近会产生变化的电场。磁场，而变化的磁场附近会产生变化的电场。磁场，而变化的磁场附近会产生变化的电场。磁场，而变化的磁场附近会产生变化的电场。定义：无论何种原因使的与闭合线圈交链的定义：无论何种原因使的与闭合线圈交链的定义：无论何种原因使的与闭合线圈交链的定义：无论何种原因使的与闭合线圈交链的 磁链磁链磁链磁链随着时间随着时间随着时间随着时间T T变化时，线圈中将会变化时，线圈中将会变化时，线圈中将会变化时，线圈中将会 产生感应电动势产生感应电动势产生感应电动势产生感应电动势e e分类：根据原因的不同，感应电动势可分为以分类：根据原因的不同，感应电动势可分为以分类：根据原因的不同，感应电动势可分为以分类：根据原因的不同，感应电动势可分为以 下两类：下两类：下两类：下两类：三三.基本电磁定律基本电磁定律7/12/202438电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础1）运）运动电势(动生生电动势)：导体在磁体在磁场中运中运动时，导体中会感体中会感应出出电势e。大小：大小：电势e=Blv。B:磁密；磁密；l：导体体长度；度；v：导体与磁体与磁场的相的相对速度。正方向：用速度。正方向：用右手定右手定则判断判断电势e正方向表示正方向表示电位升高的方向，与位升高的方向，与U相反。如果同一元件上相反。如果同一元件上e和和U正方向相同正方向相同时，e=-U。7/12/202439电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础2）变压器器电势：线圈中的磁通圈中的磁通变化化时，线圈中会感圈中会感应电势e：电势e正方向：正方向：e 的正方向的正方向与与 正方向符合右手螺旋关系正方向符合右手螺旋关系7/12/202440电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础2 2、电电磁力定律磁力定律磁力定律磁力定律 一个通电流的导体，在磁场中要受到力的作用，一个通电流的导体，在磁场中要受到力的作用，这个力叫电磁力。这个力叫电磁力。电磁力电磁力f=Bli 电磁力方向：左手定则判断电磁力方向：左手定则判断*回顾右手定则，左手定则回顾右手定则，左手定则磁感应强度磁感应强度（磁通密度）（磁通密度）B、和磁通和磁通 :7/12/202441电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础四四、铁铁 磁磁 材材 料料 的的 磁磁 性性 能能（一）高（一）高导磁性磁性（二）（二）铁磁材料的磁化磁材料的磁化过程和磁化曲程和磁化曲线（三）（三）铁磁材料的磁滞和剩磁磁材料的磁滞和剩磁现象象7/12/202442电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础铁磁物质是一种性能特异，在现代科技和国防上用途广泛的材料。铁，钴，镍及其众多合金以及含铁的氧化物（铁氧体）均属铁磁物质。其特征是在外磁场作用下能被强烈磁化，磁导率 很高。另一特性是磁滞，即磁场作用停止后，铁磁材料仍保留磁化状态。下图为铁磁物质的磁感应强度与磁场强度H之间的关系曲线。7/12/202443电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础B-HsHc-HcHs-BmBm0Brabscr-BrH7/12/202444电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础图中的原点。表示磁化之前铁磁物质处于磁中性状态，即B=H=O。当外磁场H从零开始增加时，磁感应强度B随之缓慢上升，如线段落0a所示；继之B随H迅速增长，如ab段所示；其后，B的增长又趋缓慢；当H值增至Hs 时，B 的值达到 Bs，在S点的Bs和Hs，通常又称本次磁滞回线的Bm和Hm。曲线oabs段称为起始磁化曲线。7/12/202445电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础当磁场从Hs逐渐减少至零时，磁感应强度B并不沿起始磁化曲线恢复到o点，而是沿一条新的曲线sr下降，比较线段os和sr，我们看到：H减小，B也相应减小，但B的变化滞后于H的变化，这个现象称为磁滞，磁滞的明显特征就是当H=0时，B不为0，而保留剩磁Br。当磁场反向从o逐渐变为-Hc时，磁感应强度B=O，这就说明要想消除剩磁，必须施加反向磁场，Hc称为矫顽力。它的大小反映铁磁材料保持剩磁状态的能力，线段rc称为退磁曲线。7/12/202446电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础图还表明，当外磁场按Hs 0-Hc-Hs 0 Hc Hs次序变化时，相应的磁感应强度则按闭合曲线srcsrcs变化时，这闭合曲线称为磁滞回线。所以，当铁磁材料处于交变磁场中时（如变压器铁心），将沿磁滞回线反复被磁化去磁反向磁化反向去磁，由于磁畴的存在，此过程要消耗能量，以热的形式从铁磁材料中释出。这种损耗称为磁滞损耗，可以证明，磁滞损耗与磁滞回线所围面积成正比。当初始态为H=B=O的铁磁材料，在峰值磁场强度H由弱到强的交变磁场作用下磁化，可以得到面积由小到大向外扩张的一组磁滞回线，7/12/202447电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础7/12/202448电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础 铁铁磁材料的磁化磁材料的磁化磁材料的磁化磁材料的磁化过过程可分程可分程可分程可分为为四四四四阶阶段段段段：可逆磁化可逆磁化可逆磁化可逆磁化阶阶段、不可逆磁化段、不可逆磁化段、不可逆磁化段、不可逆磁化阶阶段、可逆与不可逆磁化段、可逆与不可逆磁化段、可逆与不可逆磁化段、可逆与不可逆磁化阶阶段、段、段、段、趋趋近近近近饱饱和和和和阶阶段段段段 磁磁磁磁场强场强度度度度HH与与与与铁铁磁材料中磁材料中磁材料中磁材料中B B的关系曲的关系曲的关系曲的关系曲线线 B=f(H)B=f(H)7/12/202449电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础（三）、（三）、铁磁材料的磁滞和剩磁磁材料的磁滞和剩磁现象象铁磁材料中磁磁材料中磁场B的的变化落后于外磁化落后于外磁场H的的变化称化称为磁滞磁滞现象，从而在象，从而在铁磁材料中磁材料中产生了剩磁。生了剩磁。饱和磁滞回线与换向磁化曲线上的各有关饱和磁滞回线与换向磁化曲线上的各有关磁学量磁学量 7/12/202450电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础(四四)铁磁材料的磁损耗铁磁材料的磁损耗 当铁磁材料处于变化磁场中，会产生涡流损耗和磁滞损耗。当铁磁材料处于变化磁场中，会产生涡流损耗和磁滞损耗。1、涡流损耗、涡流损耗 C Fe：系数：系数 D：厚度：厚度 f:频率频率 B：磁密：磁密2、磁滞损耗、磁滞损耗 小磁铁来回翻转，摩擦耗能。小磁铁来回翻转，摩擦耗能。7/12/202451电机与拖动基础电机与拖动基础电机与拖动基础注意：尽管磁路和电路在物理量和基本定律注意：尽管磁路和电路在物理量和基本定律上有一一对应的关系，但是，磁路和电路上有一一对应的关系，但是，磁路和电路仍有本质的区别：仍有本质的区别：1）电路中可以有电动势而无电流，磁路中有电路中可以有电动势而无电流，磁路中有磁动势必有磁通磁动势必有磁通2）电路中有电流就有功率损耗，而在恒磁通）电路中有电流就有功率损耗，而在恒磁通下，磁路中无损耗下，磁路中无损耗3）电流只在导体中流过，而磁路中除了主磁）电流只在导体中流过，而磁路中除了主磁通外还必须考虑到漏磁通的影响通外还必须考虑到漏磁通的影响4）电路中电阻率在一定温度下恒定不变，而）电路中电阻率在一定温度下恒定不变，而由于铁磁材料构成的磁路中，磁导率是随由于铁磁材料构成的磁路中，磁导率是随着磁密而变化的，所以磁导率不是一个常着磁密而变化的，所以磁导率不是一个常数。数。第三第三第三第三7/12/202452电机与拖动基础I在稳恒电路中无论导线粗细电流强度均相等在稳恒电路中无论导线粗细电流强度均相等 m在磁路中无论铁芯截面积大小磁感应通量均相等在磁路中无论铁芯截面积大小磁感应通量均相等电路与磁路相对比电路与磁路相对比磁动势（磁通势）磁动势（磁通势）磁化力、安匝数磁化力、安匝数磁阻磁阻7/12/20247/12/20245353电机与拖动基础电机与拖动基础