西南交大電機與運動控制系統(tǒng)教案-電機與運動控制

電機與運動控制系統(tǒng)

劉黎liuli_link@163.com西南交通大學電氣工程學院？？？學什么？為什么學？怎么學？怎么考核？總評成績：平時10%，實驗10%，考試80%。電機是實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換和信號轉(zhuǎn)換的電磁裝置用作能量轉(zhuǎn)換的電機稱為動力電機用做信號轉(zhuǎn)換的電機稱為控制電機什么是電機？什么是運動控制系統(tǒng)？以電動機及機械設備為控制對象，以控制器為核心，基于控制理論，實現(xiàn)電氣傳動的自動控制系統(tǒng)。典型電力拖動控制系統(tǒng)指令系統(tǒng)計算機控制器單片機、數(shù)字模擬器件、控制電器功率放大變流裝置執(zhí)行電動機執(zhí)行機械反饋檢測器件反饋控制理論微機原理電路、電子學功率電子技術(shù)檢測技術(shù)電力拖動基礎電力拖動自動控制系統(tǒng)C語言計算機控制技術(shù)單片機原理與控制技術(shù)自動化電氣非電氣過程自動化單機自動化開環(huán)自動控制閉環(huán)自動控制現(xiàn)代電氣自動控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成課程目的了解電機的功能和分類；掌握機電能量轉(zhuǎn)換基本理論；掌握交、直流電動機的基本原理、基本特性及作為被控對象時的動、靜態(tài)數(shù)學模型的建立；掌握交、直流運動控制系統(tǒng)原理及設計；了解控制電機的功能、分類及應用背景。西南交通大學信息科學與技術(shù)學院5課程內(nèi)容機電能量轉(zhuǎn)換基礎直流電機與直流調(diào)速控制系統(tǒng)交流電機與交流調(diào)速控制系統(tǒng)控制電機（測速電機、伺服電動機、步進電動機）電機控制實驗先修課程高等數(shù)學大學物理電路分析參考書目電機與運動控制系統(tǒng)，楊耕等編著．清華大學出版社（教材）A.E.Fitzgerald等著.劉新正等譯.電機學.

電子工業(yè)出版社，2004控制電機及其應用，巫付專等，電子工業(yè)出版社，2008年第一章概述重點與難點：了解電機分類、基本原理；機電能量轉(zhuǎn)換常用的基本定律；電機磁材料與磁路；熟悉電機系統(tǒng)基本分析方法。第一節(jié)電機概況什么是電機？電機的基本工作原理？－應用電磁感應原理實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的機械電機的分類發(fā)電機：將機械能轉(zhuǎn)換成電能電動機：把電能轉(zhuǎn)換成機械能變壓器：改變電壓等級控制電機：用于信號的變換與傳遞特種電機電機的用途電力工業(yè)（發(fā)電機、變壓器）－電能的生產(chǎn)、傳輸、分配機械、冶金、化學工業(yè)（電動機拖動）運輸行業(yè)（牽引）控制系統(tǒng)（控制電機）第二節(jié)機電能量轉(zhuǎn)換相關(guān)基本定律全電流定律（安培環(huán)路定律）電磁感應定律電磁力定律電路定律牛頓第二運動定律與磁場、磁路相關(guān)與等值電路相關(guān)與動力學問題相關(guān)1、全電流定律（安培環(huán)路定律）在磁場中沿任意閉合回路磁場強度的線積分等于穿過該回路所有電流的代數(shù)和，即：式中，電流方向與閉合回路環(huán)繞方向符合右手螺旋關(guān)系時為正，反之為負。安培環(huán)路定律HL思考對于僅存在載流導體的情況：1、全電流定律（安培環(huán)路定律）（續(xù)）例：按圖中順時針l1、l2取回路有：按圖中順時針l1、l3取回路有：1i1N2i2N1l1F2F3F2l3l2、電磁感應定律當與線圈交鏈的磁鏈Ψ隨時間變化時，線圈中將感應電動勢e，e的大小等于線圈所交鏈的磁鏈對時間的變化率，e的方向符合楞次定律，數(shù)學描述為：（式中N為線圈匝數(shù)）(1)線圈感應電動勢:(2)運動導體感應電動勢：當磁場均勻、導線為直線、且運動方向與磁場和導體三者相互垂直。則：導體在磁場中運動切割磁力線，產(chǎn)生電動勢：2、電磁感應定律（續(xù)）（方向用右手定則確定）3、電磁力定律（方向用左手定則確定）載流導體在磁場中受力，大小為：當磁場均勻、導體為直線且導體方向與磁場相互垂直。則：注：旋轉(zhuǎn)電機中，轉(zhuǎn)子導體上電磁力電磁轉(zhuǎn)矩Tem4、電路定律

基爾霍夫第二定律（電壓定理）KVL:

基爾霍夫第一定律（電流定理）KCL:

歐姆定律5、牛頓第二運動定律對平動剛體對旋轉(zhuǎn)剛體第三節(jié)電機中所用的材料與磁路電機電路部分磁路部分結(jié)構(gòu)部分－結(jié)構(gòu)材料－導電材料、絕緣材料導磁材料－一、電機中所用的材料

導電材料：作為電機中的電路，常采用導電性能好的材料，如紫銅或鋁絕緣材料：作為帶電體之間和鐵心間的電氣隔離。要求材料介電強度高而且耐熱強度好。導磁材料：作為電機中的磁路，常用硅鋼片、鋼板和鑄鋼結(jié)構(gòu)材料：使各部分構(gòu)成整體、支撐和連接其他機械。要求機械強度好、加工方便。常用鑄鐵、鑄鋼、鋁合金及工程材料二、基本磁路物理量磁場強度H(A/m)磁感應密度(磁密)B(T)磁動勢(磁勢)F(A)：勵磁繞組產(chǎn)生的安匝數(shù)F=Ni磁通量(磁通)Φ(Wb)：穿過曲面S的磁通是磁感應密度B的法線分量的面積分磁場強度H與磁感應密度B的關(guān)系由材料特性決定

B＝μH

μ稱為材料的磁導率相對磁導率：材料的磁導率與真空磁導率的比值基本磁路物理量（續(xù)）電機中使用的鐵磁材料的典型相對磁導率范圍：2000－80000三.磁性材料的特性按相對磁導率，將材料分為非磁性物質(zhì)：μr約為1磁性（鐵磁）物質(zhì)：μr遠大于1鐵磁物質(zhì)包括鐵、鎳、鈷等和他們的合金鐵磁物質(zhì)在外磁場中呈現(xiàn)磁性大幅度增強的現(xiàn)象非磁性物質(zhì)

非磁性物質(zhì)分子電流的磁場方向雜亂無章，幾乎不受外磁場的影響而互相抵消，不具有磁化特性。非磁性材料的磁導率都是常數(shù)，有：此時B與H呈線性關(guān)系。OHB

0

r

1B=

0H(

)(I)磁性物質(zhì)磁性物質(zhì)特點：磁疇。在外磁場作用下，磁疇方向發(fā)生變化，使之與外磁場方向趨于一致，整體顯示出磁性來，稱為磁化。即磁性物質(zhì)能被磁化。磁疇外磁場在無外磁場作用時，各個磁疇排列雜亂無章，磁場互相抵消，整體對外不顯磁性。磁疇磁性材料的磁性能高導磁性

r1

磁飽和性當外磁場增大到一定程度時，磁性物質(zhì)的全部磁疇的磁場方向都轉(zhuǎn)向與外部磁場方向一致，磁化磁場的磁感應強度將趨向某一定值。OHBB0BJB?a?b磁化曲線思考磁滯現(xiàn)象磁滯回線：磁性材料在交變磁場中反復磁化，其B-H關(guān)系曲線形成一條的回形閉合曲線。磁滯現(xiàn)象：磁性材料中磁感應強度B的變化總是滯后于外磁場變化的性質(zhì)。磁滯回線OHB????BrHc注：磁性物質(zhì)不同，其磁滯回線和磁化曲線也不同。鐵磁材料分類軟磁材料磁滯回線窄，剩磁Br和矯頑力Hc小鑄鐵、鋼、硅鋼片等軟磁材料的磁導率較高硬磁（永磁）材料磁滯回線寬、Br和Hc都大的鐵磁材料永磁材料的性能用剩磁Br、矯頑力Hc和最大磁能積（BH）max三項指標表征四.磁路

1.磁路的概念：磁通所通過的閉合路徑。是以高導磁性材料構(gòu)成的使磁通被限制在結(jié)構(gòu)所確定的路徑之中的一種結(jié)構(gòu)(和電流在電路中被導體所限制是極為相似)。+–NIfNSS直流電機的磁路變壓器的磁路+–

1

磁路歐姆定理對于等截面、磁密分布均勻、材料一致的簡單磁路假設磁通為Φ，磁動勢為F=Ni，磁路截面積為A，磁路平均長度為l+–

磁位降磁阻磁路與電路的比較磁路磁通勢F磁通

磁阻電路電動勢E電流密度J電阻磁感應強度B電流I

NI+_EIR第四節(jié)電機的能量變換效率與損耗一.電機的損耗銅耗pCu：導體中流過電流產(chǎn)生的損耗；鐵耗pFe：鐵心中產(chǎn)生的磁滯損耗和渦流損耗；機械損耗pmec：機械運動產(chǎn)生的摩擦和風阻；附加損耗pad：其他原因引起的損耗。電機中的損耗→熱能→電機的溫度升高鐵心損耗（1）磁滯損耗鐵磁材料在交流磁場中反復磁化，磁疇相互摩擦產(chǎn)生的損耗。－由于硅鋼片磁滯回線的面積較小，故電機和變壓器的鐵心常用硅鋼片疊成。（2）渦流損耗交變磁場在鐵心中產(chǎn)生感應電勢感應電勢產(chǎn)生渦流渦流產(chǎn)生損耗－為減小渦流損耗，電機和變壓器的鐵心都用含硅量較高的薄硅鋼片疊成。（3）鐵心損耗二、電機的發(fā)熱電機中的重要參數(shù)：溫升電機溫升＝電機溫度-環(huán)境溫度（國家規(guī)定環(huán)境計算溫度為40℃）絕緣材料按耐熱能力可以分為A(105℃)、E(120℃)、B(130℃)、F(155℃)、H(180℃)、C(>180℃)級思考電機中哪種材料耐熱性最差？三、電機的冷卻電機的冷卻決定了電機的散熱能力和電機的溫升，從而直接影響電機的壽命和額定容量。冷卻介質(zhì)：電機中能直接或間接帶走電機所產(chǎn)生的熱量的物質(zhì)。常用空氣、氫氣、水和油冷卻方