電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)課件：電機(jī)基本原理

2025/6/261

電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)2025/6/262電機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)★1.1電機(jī)的分類和應(yīng)用★1.2常用的基本電磁定律★1.3磁路計(jì)算仿真1.1電機(jī)的分類和應(yīng)用2025/6/262025/6/2641.1.1什么是電機(jī)

在電能的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、傳輸、分配、使用與控制等方面，都必須通過能夠進(jìn)行能量(或信號(hào))傳遞與變換的電磁機(jī)械裝置，這些電磁機(jī)械裝置被廣義地稱為電機(jī)。通常所說(shuō)的電機(jī)，是指那些利用電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)制造而成的、用于實(shí)現(xiàn)能量(或信號(hào))傳遞與變換的電磁機(jī)械的統(tǒng)稱。

2025/6/265按電機(jī)的功能來(lái)分類，電機(jī)可分為：

(1)發(fā)電機(jī)--把機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能；(2)電動(dòng)機(jī)--把電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能；(3)變壓器、變頻器、變流機(jī)、移相器等，是分別用于改變電壓、頻率、電流及相位的，即把一種類型的電能轉(zhuǎn)變成另一種類型的電能；(4)控制電機(jī)--應(yīng)用于各類自動(dòng)控制系統(tǒng)中的控制元件。

1.1.1什么是電機(jī)

2025/6/266始于19世紀(jì)60～70年代的第二次工業(yè)技術(shù)革命是以電力的廣泛應(yīng)用為顯著特點(diǎn)的。從此人類社會(huì)由蒸汽機(jī)時(shí)代步入了電氣化時(shí)代。1866年，德國(guó)工程師西門子制成發(fā)電機(jī)；1870年比利時(shí)人格拉姆發(fā)明了電動(dòng)機(jī);1882年法國(guó)學(xué)者德普勒發(fā)明了遠(yuǎn)距離送電的方法。同年，美國(guó)著名發(fā)明家愛迪生創(chuàng)建了美國(guó)第一個(gè)火力發(fā)電站，把輸電線結(jié)成網(wǎng)絡(luò)。1.1.2電機(jī)及電力拖動(dòng)的發(fā)展概況

2025/6/267根據(jù)不同的應(yīng)用，按照不同的設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)方式電機(jī)可做如下基本分類：1.1.3電機(jī)的種類與應(yīng)用

圖1-1電機(jī)種類示意圖2025/6/262025/6/268

電氣化、信息化時(shí)代，在性能、可靠性及容量等方面，對(duì)電機(jī)提出了更高的要求。交流變頻調(diào)速系統(tǒng)及變頻電機(jī)、大功率無(wú)刷直流電機(jī)、永磁同步無(wú)刷電機(jī)等得到了很大發(fā)展。電力拖動(dòng)技術(shù)發(fā)展至今，它具有許多其他拖動(dòng)方式無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。它啟動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)和調(diào)速的控制簡(jiǎn)單、方便、快速且效率高；電動(dòng)機(jī)的類型多，且具有各種不同的運(yùn)行特性來(lái)滿足各種類型生產(chǎn)機(jī)械的要求；整個(gè)系統(tǒng)各參數(shù)的檢測(cè)和信號(hào)的變換與傳送方便，易于實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。因此，電力拖動(dòng)已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)電氣自動(dòng)化的基礎(chǔ)。

1.1.3電機(jī)的種類與應(yīng)用

2025/6/262025/6/2691.2常用的基本電磁定律2025/6/26101.2.1電路定律

1）歐姆定律

流過電阻R的電流I的大小與加于電阻兩端的電壓U成正比，與電阻R的大小成反比。對(duì)直流電路的公式為

對(duì)于正弦交流電路，電阻R改為阻抗Z，電壓與電流以復(fù)數(shù)有效值表示，公式為2025/6/26111.2.1電路定律

如設(shè)流進(jìn)節(jié)點(diǎn)的電流為正，則流出節(jié)點(diǎn)的電流為負(fù)。

或?qū)τ谡医涣麟娐?，公式?）基爾霍夫第一定律（電流定律）

對(duì)電路中任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)，電流的代數(shù)和等于零。對(duì)于直流電路的公式為2025/6/26121.2.1電路定律

式中各個(gè)電壓和電動(dòng)勢(shì)，凡是正方向與所取回路巡行方向相同者為正，相反者為負(fù)。或?qū)τ谡医涣麟娐?，公式?）基爾霍夫第二定律（電壓定律）

對(duì)于電路中的任一閉合回路，所有電壓降的代數(shù)和等于所有電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和，對(duì)于直流電路，公式為2025/6/26131．電流磁效應(yīng)

凡是電流均會(huì)在其周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，叫電流的磁效應(yīng)，即所謂“電生磁”。1.2.2全電流定律

2025/6/26142．磁路的幾個(gè)基本物理量（1）磁感應(yīng)強(qiáng)度Ｂ

磁場(chǎng)中任意一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向，即過該點(diǎn)磁力線的切線方向，磁感應(yīng)前度B的大小為通過該點(diǎn)與B垂直的單位面積上的磁力線的數(shù)目。磁感應(yīng)強(qiáng)度B的單位為T，工程上常沿用Gs為單位，其換算關(guān)系為

1T=104Gs

1.2.2全電流定律

2025/6/26151.2.2全電流定律

磁通的單位為Wb，有時(shí)沿用Mx為單位，其換算關(guān)系為

1Wb=108Mx磁場(chǎng)均勻且與截面垂直時(shí)，上式可簡(jiǎn)化為（2）磁感應(yīng)通量

穿過某一截面Ｓ的磁感應(yīng)強(qiáng)度Ｂ的通量，即穿過某截面Ｓ的磁力線的數(shù)目，故稱為磁感應(yīng)通量，簡(jiǎn)稱磁通。2025/6/26161.2.2全電流定律

為此，磁感應(yīng)強(qiáng)度B又稱為磁通密度。其單位與磁通和面積的單位相對(duì)應(yīng)，即1T=1Wb/m21Gs=1Wb/cm2

由上式可知，磁場(chǎng)均勻，且磁場(chǎng)與截面垂直時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小可用下式表示2025/6/262025/6/26171.2.2全電流定律

其他導(dǎo)磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率通常用

的倍數(shù)來(lái)表示，即μ為導(dǎo)磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率，反映導(dǎo)磁介質(zhì)性能的物理量，磁導(dǎo)率μ大則導(dǎo)磁性能好。磁導(dǎo)率μ的單位Ｈ/ｍ，真空中的磁導(dǎo)率（3）磁場(chǎng)強(qiáng)度Ｈ

磁場(chǎng)強(qiáng)度H是為建立電流與由其產(chǎn)生的磁場(chǎng)之間的數(shù)量關(guān)系而引入的物理量，其方向與B相同，其大小與B之間相差一個(gè)導(dǎo)磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率μ即2025/6/26181.2.2全電流定律

3．全電流定律

磁場(chǎng)中沿任一閉回路的磁場(chǎng)強(qiáng)度Ｈ的線積分等于該閉回路所包圍的所有導(dǎo)體電流的代數(shù)和。

這就是全電流定律。當(dāng)導(dǎo)體電流的方向與積分路徑的方向符合右螺旋關(guān)系時(shí)為正，反之為負(fù)。2025/6/2619所謂磁路，即磁通流經(jīng)的路徑。1.2.3磁路及磁路定律

1.磁路的歐姆定律將全電流定律用于圖1-2所示的無(wú)分支磁路，可得圖1-2無(wú)分支磁路2025/6/26201.2.3磁路及磁路定律

磁路中的磁通

與作用在該磁路的上的磁動(dòng)勢(shì)成正比，與磁路的磁阻成反比，稱為磁路的歐姆定律。磁阻磁導(dǎo)2025/6/26211.2.3磁路及磁路定律

圖1-3中，圖1-3磁路的基爾霍夫律第一定律2．磁路的基爾霍夫第一定律

對(duì)任一封閉面而言，穿入的磁通等于穿出的磁通，這是磁通連續(xù)原理。對(duì)有分支的磁路在磁通匯合處的封閉面上磁通的代數(shù)和等于零，即2025/6/26221.2.3磁路及磁路定律

磁壓降的代數(shù)和等于磁動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和。3．磁路的基爾霍夫第二定律

將全電流定律應(yīng)用到任一閉合磁路上，有2025/6/26231.2.3磁路及磁路定律

磁路和電路的差別：（1）電路可以有電勢(shì)無(wú)電流，磁路中有磁動(dòng)勢(shì)必然有磁通；（2）電路中有電流就有損耗（），恒定磁通下，磁路中無(wú)損耗；（3），而磁路中必須考慮漏磁通；（4）電阻率

在一定溫度下恒定不變，而鐵磁材料構(gòu)成的磁路中，

隨

變化，即

隨飽和度增加而增加。

2025/6/2624

磁場(chǎng)變化會(huì)在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與線圈的匝數(shù)N和線圈所交鏈的磁通對(duì)時(shí)間的變化率

成正比，這是電磁感應(yīng)定律。當(dāng)按慣例規(guī)定電動(dòng)勢(shì)的正方向與產(chǎn)生它的磁通的正方向之間符合右手螺旋關(guān)系時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的公式為因磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場(chǎng)里做切割磁感線的運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中就會(huì)產(chǎn)生電流，這種現(xiàn)象叫電磁感應(yīng)，產(chǎn)生的電流稱為感應(yīng)電流。1.2.4電磁感應(yīng)定律

2025/6/2625

電動(dòng)勢(shì)的方向（公式中的負(fù)號(hào)）由楞次定律提供。楞次定律指出：感應(yīng)電流的磁場(chǎng)要阻礙原磁通的變化。對(duì)于動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)也可用右手定則判斷感應(yīng)電流的方向，進(jìn)而判斷感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向。傳統(tǒng)上有兩種改變通過電路的磁通量的方式。至于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)時(shí)，改變的是自身的磁場(chǎng)。而至于動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)時(shí)，改變的是磁場(chǎng)中的整個(gè)或部份電路的運(yùn)動(dòng)。1.2.4電磁感應(yīng)定律

感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小由法拉第電磁感應(yīng)定律確定：2025/6/26261．變壓器電動(dòng)勢(shì)

線圈與磁通之間沒有相對(duì)切割關(guān)系，僅由線圈交鏈的磁通發(fā)生變化而引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)稱為變壓器電勢(shì)。這類電動(dòng)勢(shì)又分自感電動(dòng)勢(shì)和互感電動(dòng)勢(shì)兩種。1.2.4電磁感應(yīng)定律

（1）自感電動(dòng)勢(shì)eL

線圈中流過交變電流i時(shí)，由i產(chǎn)生的與線圈自身交鏈的磁鏈亦隨時(shí)間發(fā)生變化，由此在線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)稱為自感電動(dòng)勢(shì)，用eL表示，則公式為2025/6/26271.2.4電磁感應(yīng)定律

式中--自感磁通；--自感磁鏈。

線圈中流過單位電流所產(chǎn)生的自感磁鏈稱為線圈的自感系數(shù)L,即自感系數(shù)L為常數(shù)時(shí)，自感電動(dòng)勢(shì)的公式可改為2025/6/26281.2.4電磁感應(yīng)定律

--由線圈1產(chǎn)生而與線圈2交鏈的互感磁鏈。式中

eM2--線圈2中產(chǎn)生的互感電動(dòng)勢(shì)；（2）互感電動(dòng)勢(shì)eM

在相鄰的兩個(gè)線圈中，當(dāng)線圈1中的電流

交變時(shí)，由它產(chǎn)生并與線圈2相交鏈的磁通

亦發(fā)生變化，由此在線圈2產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)稱為互感電動(dòng)勢(shì)，用eM表示，則其公式為2025/6/26291.2.4電磁感應(yīng)定律

式中--磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；--導(dǎo)體切割磁力線部分的有效長(zhǎng)度；--導(dǎo)體切割磁力線的線速度。2.運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)（速率電動(dòng)勢(shì)）

若磁場(chǎng)恒定，構(gòu)成線圈的導(dǎo)體切割磁力線，使線圈交鏈的磁通發(fā)生變化，導(dǎo)體中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)稱為運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)，三方向互相垂直時(shí)，其大小為：2025/6/26301.2.5電磁力定律

就是通常所說(shuō)的電磁力定律，也叫畢奧薩伐電磁力定律.

載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中要受到電磁力的作用，三方向互相垂直時(shí)，其大小為方向的確定:

2025/6/2631能量守恒定律（energyconservationlaw）即熱力學(xué)第一定律是指在一個(gè)封閉（孤立）系統(tǒng)的總能量保持不變。其中總能量一般說(shuō)來(lái)已不再只是動(dòng)能與勢(shì)能之和，而是靜止能量（固有能量）、動(dòng)能、勢(shì)能三者的總量

。能量守恒定律可以表述為：一個(gè)系統(tǒng)的總能量的改變只能等于傳入或者傳出該系統(tǒng)的能量的多少?？偰芰繛橄到y(tǒng)的機(jī)械能、熱能及除熱能以外的任何內(nèi)能形式的總和。

如果一個(gè)系統(tǒng)處于孤立環(huán)境，即不可能有能量或質(zhì)量傳入或傳出系統(tǒng)。對(duì)于此情形，能量守恒定律表述為：“孤立系統(tǒng)的總能量保持不變?！?.2.6能量守恒定律

2025/6/26321.2.6能量守恒定律

能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只會(huì)從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到其它物體，而能量的總量保持不變。能量守恒定律是自然界普遍的基本定律之一。機(jī)械能、化學(xué)能、熱能、電（磁）能、輻射能、核能等不同類型的能量之間相互轉(zhuǎn)化的方式多種多樣。例如，最常見的電能（交流電和電池）可以由多種其他形式的能量轉(zhuǎn)變而來(lái)，如機(jī)械能–電能的轉(zhuǎn)變（水力發(fā)電）、核能–熱能–機(jī)械能–電能的轉(zhuǎn)變（核能發(fā)電）、化學(xué)能–電能的轉(zhuǎn)變（電池）等。1.3磁路計(jì)算仿真2025/6/262025/6/2634[例題1-1]繪制磁化曲線問題,用M語(yǔ)言編寫繪制磁化曲線的MATLAB程序如下：clcclearHdata=[38,59,67,71,77,83.5,88,97,100,112,120,...135,147,165,183,196,210,237,300,375,...410,533,600,750,900,1250,2000];%磁場(chǎng)強(qiáng)度H值Bdata=0.2:0.05:1.50;%磁感應(yīng)強(qiáng)度B值ydata=0:0.001:1.6;%y坐標(biāo)0~1.6xdata=interp1(Bdata,Hdata,ydata,'spline');%采用樣條插值的方法分析數(shù)據(jù)1.3磁路計(jì)算仿真

2025/6/2635plot(Hdata