電機(jī)拖動(dòng)與基礎(chǔ)第1章 緒論

清華大學(xué)出版社

電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)FundamentalofElectricMotorandDriver9/23/20231電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)目錄

第一章緒論

第二章電力拖動(dòng)的動(dòng)力學(xué)

第三章直流電機(jī)原理

第四章他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行

第五章變壓器第六章交流電機(jī)理論的共同問題

9/23/20232電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)第七章異步電動(dòng)機(jī)第八章三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與制動(dòng)第九章同步電機(jī)第十章三相交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速第十一章電動(dòng)機(jī)的選擇第十二章微控電機(jī)9/23/20233電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)一、本課程性質(zhì)及其特點(diǎn)：

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(fù)雜（電流、電壓、磁場(chǎng)、力矩關(guān)系）4、該課程以大學(xué)物理和電路理論為基礎(chǔ)第一章緒論(Preface)§1-1課程簡(jiǎn)介9/23/20234電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)

1、做好預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)

2、準(zhǔn)備兩個(gè)作業(yè)本，按要求交作業(yè)

3、實(shí)驗(yàn)前認(rèn)真預(yù)習(xí)，實(shí)驗(yàn)后完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告二要求：9/23/20235電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)三、參考書：1、許曉峰主編《電機(jī)及拖動(dòng)》高等教育出版社2、顧繩谷編《電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)》機(jī)械工業(yè)出版社3、劉新正譯《電機(jī)學(xué)》電子工業(yè)出版社《ElectricMachinery》.A.E.FitzgeraldCharlesKingsley,Jr.StephenD.Umans.9/23/20236電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)四、本課程學(xué)習(xí)內(nèi)容：直流機(jī)及拖動(dòng)、變壓器、異步機(jī)及拖動(dòng)、同步機(jī)掌握內(nèi)容：1）工作原理及基本結(jié)構(gòu)2）電磁關(guān)系，電壓、電流關(guān)系，功率關(guān)系3）工作或運(yùn)行特性及應(yīng)用4）起動(dòng)、制動(dòng)與調(diào)速9/23/20237電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)五、電機(jī)的作用與功能：電機(jī)是以電磁感應(yīng)和電磁力定律為基本工作原理進(jìn)行電能的傳遞或機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的機(jī)械

。電動(dòng)機(jī)：電能機(jī)械能發(fā)電機(jī)：機(jī)械能電能變壓器：U1交流電U2交流電9/23/20238電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)六、電機(jī)的分類：1、按電能形式分直流電機(jī)（發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)）交流電機(jī)（異步機(jī)、同步機(jī)）（發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)）9/23/20239電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)2、按能量轉(zhuǎn)換形式分發(fā)電機(jī)（直流電機(jī)、交流電機(jī)）（異步機(jī)、同步機(jī)）電動(dòng)機(jī)（直流電機(jī)、交流電機(jī)）（異步機(jī)、同步機(jī)）9/23/202310電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)9/23/202311電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)七、電機(jī)的作用：

1、進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化、傳輸和分配電能一簡(jiǎn)單供電系統(tǒng)圖9/23/202312電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)9/23/202313電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)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(jī)完成的，發(fā)電機(jī)把機(jī)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(jìn)行。為了減少輸電中的能量損失，遠(yuǎn)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(dòng)機(jī)則把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)稱為電力拖動(dòng)。9/23/202314電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)風(fēng)力發(fā)電機(jī)9/23/202315電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)水輪發(fā)電機(jī)現(xiàn)場(chǎng)9/23/202316電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)單機(jī)容量７０萬千瓦的三峽水電發(fā)電機(jī)組使用。這個(gè)“巨無霸”般的定子機(jī)座安裝定位后直徑可達(dá)２２米、高５米、總重量２００余噸；三峽電站7號(hào)水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子直徑為18.43米，高3.5米，重1700噸9/23/202317電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)9/23/202318電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)9/23/202319電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)自耦變壓器9/23/202320電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)交流電機(jī)圖片9/23/202321電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)同步發(fā)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)9/23/202322電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)2、驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械磁懸浮列車大型車床9/23/202323電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)3、控制各種自動(dòng)設(shè)備盲人引路車爬行機(jī)器人9/23/202324電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)主要應(yīng)用領(lǐng)域1.工業(yè)應(yīng)用：各種生產(chǎn)機(jī)床、軋鋼機(jī)、礦井提升機(jī)、球磨機(jī)、造紙機(jī)等2.交通運(yùn)輸：電力機(jī)車、電動(dòng)汽車、磁懸浮列車3.國(guó)防軍事：軍艇的電力推進(jìn)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(dòng)系統(tǒng)5.民用：冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)、風(fēng)扇、吸塵器6.電子儀器設(shè)備：各種伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)、計(jì)算機(jī)硬盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)9/23/202325電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)9/23/202326電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)車用電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

9/23/202327電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)八、電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r大型和超小型方向發(fā)展同步發(fā)電機(jī)定子各種微電機(jī)

9/23/202328電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)§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9/23/202329電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)要求：掌握磁路的基本概念及其電機(jī)磁路的特點(diǎn)掌握描述磁路的基本物理量掌握研究磁路的幾個(gè)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9/23/202330電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)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(qiáng)度B（磁密）單位：Wb/m2;或T2、磁通

單位：WB3、磁場(chǎng)強(qiáng)度H單位：A/m4、磁動(dòng)勢(shì)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(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)強(qiáng)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(dòng)勢(shì)F。9/23/202331電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)6、磁導(dǎo)率

表示物質(zhì)導(dǎo)磁能力強(qiáng)弱的物理量

=B/H單位：亨/米空氣磁導(dǎo)率

0=4

×10-7H/m鐵磁材料磁導(dǎo)率

>>

09/23/202332電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)7、磁阻Rm磁阻Rm=L/(

S)L:磁路長(zhǎng)度；

：磁導(dǎo)率；S：磁路截面積單位：1/亨9/23/202333電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)二.磁路的基本定律1、安培環(huán)路定律（全電流定律）磁場(chǎng)強(qiáng)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。9/23/202334電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)

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?cè)诜治龃怕窌r(shí)，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?yàn)?/p>

,即于是：

9/23/202335電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)

即磁路中的磁通Φ等于作用在該磁路上的磁動(dòng)勢(shì)F除以磁路的磁阻Rm或乘以磁導(dǎo)，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：9/23/202336電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)4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(gè)部分的材料和截面會(huì)有所不同，這樣在分析時(shí)，我們要將磁路進(jìn)行分段，每段有相同的材料和截面，即B和μ要相同。則9/23/202337電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)1、電磁感應(yīng)定律在我們回顧的所有定律中這將是最重要的一個(gè).簡(jiǎn)單的說電磁感應(yīng)定律就是變化的電場(chǎng)附近會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，而變化的磁場(chǎng)附近會(huì)產(chǎn)生變化的電場(chǎng)。

定義：無論何種原因使的與閉合線圈交鏈的磁鏈ψ隨著時(shí)間T變化時(shí)，線圈中將會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e分類：根據(jù)原因的不同，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可分為以下兩類：三.基本電磁定律9/23/202338電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)1）運(yùn)動(dòng)電勢(shì)(動(dòng)生電動(dòng)勢(shì))：導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中會(huì)感應(yīng)出電勢(shì)e。大?。弘妱?shì)e=Blv。B:磁密；l：導(dǎo)體長(zhǎng)度；v：導(dǎo)體與磁場(chǎng)的相對(duì)速度。正方向：用右手定則判斷電勢(shì)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(shí)，e=-U。9/23/202339電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)2）變壓器電勢(shì)：線圈中的磁通變化時(shí)，線圈中會(huì)感應(yīng)電勢(shì)e：電勢(shì)e正方向：e的正方向與

正方向符合右手螺旋關(guān)系9/23/202340電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)2、電磁力定律一個(gè)通電流的導(dǎo)體，在磁場(chǎng)中要受到力的作用，這個(gè)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，左手定則磁感應(yīng)強(qiáng)度（磁通密度）B、和磁通Ф:9/23/202341電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)四、鐵磁材料的磁性能（一）高導(dǎo)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9/23/202342電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)鐵磁物質(zhì)是一種性能特異，在現(xiàn)代科技和國(guó)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(chǎng)作用下能被強(qiáng)烈磁化，磁導(dǎo)率μ很高。另一特性是磁滯，即磁場(chǎng)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(qiáng)度Β與磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間的關(guān)系曲線。9/23/202343電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)B-HsHc-HcHs-BmBm0Brabscr-BrH9/23/202344電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)圖中的原點(diǎn)。表示磁化之前鐵磁物質(zhì)處于磁中性狀態(tài)，即B=H=O。當(dāng)外磁場(chǎng)H從零開始增加時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨之緩慢上升，如線段落0a所示；繼之B隨H迅速增長(zhǎng)，如ab段所示；其后，B的增長(zhǎng)又趨緩慢；當(dāng)H值增至Hs時(shí)，B的值達(dá)到Bs，在S點(diǎn)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。9/23/202345電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)當(dāng)磁場(chǎng)從Hs逐漸減少至零時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B并不沿起始磁化曲線恢復(fù)到o點(diǎn)，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(gè)現(xiàn)象稱為磁滯，磁滯的明顯特征就是當(dāng)H=0時(shí)，B不為0，而保留剩磁Br。當(dāng)磁場(chǎng)反向從o逐漸變?yōu)?Hc時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=O，這就說明要想消除剩磁，必須施加反向磁場(chǎng)，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。9/23/202346電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)圖還表明，當(dāng)外磁場(chǎng)按Hs→0→-Hc→-Hs→0→Hc→Hs次序變化時(shí)，相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度則按閉合曲線srcs’r’c’s變化時(shí)，這閉合曲線稱為磁滯回線。所以，當(dāng)鐵磁材料處于交變磁場(chǎng)中時(shí)（如變壓器鐵心），將沿磁滯回線反復(fù)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(dāng)初始態(tài)為H=B=O的鐵磁材料，在峰值磁場(chǎng)強(qiáng)度H由弱到強(qiáng)的交變磁場(chǎng)作用下磁化，可以得到面積由小到大向外擴(kuò)張的一組磁滯回線，9/23/202347電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)9/23/202348電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)鐵磁材料的磁化過程可分為四階段：可逆磁化階段、不可逆磁化階段、可逆與不可逆磁化階段、趨近飽和階段磁場(chǎng)強(qiáng)度H與鐵磁材料中B的關(guān)系曲線B=f(H)9/23/202349電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)（三）、鐵磁材料的磁滯和剩磁現(xiàn)象鐵磁材料中磁場(chǎng)B的變化落后于外磁場(chǎng)H的變化稱為磁滯現(xiàn)象，從而在鐵磁材料中產(chǎn)生了剩磁。飽和磁滯回線與換向磁化曲線上的各有關(guān)磁學(xué)量9/23/202350電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)(四)鐵磁材料的磁損耗當(dāng)鐵磁材料處于變化磁場(chǎng)中，會(huì)產(chǎn)生渦流損耗和磁滯損耗。1、渦流損耗

CFe

：系數(shù)D：厚度

f:頻率B：磁密2、磁滯損耗小磁鐵來回翻轉(zhuǎn)，摩擦耗能。9/23/202351電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)注意：盡管磁路和電路在物理量和基本定律上有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，但是，磁路