電機(jī)原理與拖動(一)新教材——緒論、第1章

1、電機(jī)原理與拖動（一）電機(jī)原理與拖動（一）東北大學(xué)東北大學(xué)邊春元2015.03教材與成績 教材：教材：電機(jī)原理與拖動電機(jī)原理與拖動主編：邊春元主編：邊春元 滿永奎滿永奎 或或電機(jī)原理及拖動電機(jī)原理及拖動 主編主編 彭鴻才彭鴻才 電機(jī)原理及拖動習(xí)題解答與實驗電機(jī)原理及拖動習(xí)題解答與實驗 主編：李愛平主編：李愛平 邊春元邊春元 學(xué)時：學(xué)時：48 成績：平時成績（點(diǎn)名、測驗、作業(yè)）成績：平時成績（點(diǎn)名、測驗、作業(yè)）20分分考試成考試成績績70分分 實驗：實驗：10分分內(nèi)容介紹變壓器交流電機(jī)基礎(chǔ)及三相異步電動機(jī)電磁理論基礎(chǔ)知識緒論三相異步電動機(jī)的電力拖動緒 論 本課程性質(zhì)：十分重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，是后續(xù)專

2、業(yè)課本課程性質(zhì)：十分重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，是后續(xù)專業(yè)課的基礎(chǔ)。不能很好的掌握電機(jī)的工作原理及電力拖動的基礎(chǔ)。不能很好的掌握電機(jī)的工作原理及電力拖動的靜態(tài)、動態(tài)特性，不能組成一個良好性能的自動控的靜態(tài)、動態(tài)特性，不能組成一個良好性能的自動控制系統(tǒng)制系統(tǒng)。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防軍事、日常生活中，隨工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防軍事、日常生活中，隨處可見的自動化設(shè)備、電器，幾乎無一例外與電機(jī)有處可見的自動化設(shè)備、電器，幾乎無一例外與電機(jī)有著密切關(guān)系。自動化控制的最終目標(biāo)幾乎都落到電動著密切關(guān)系。自動化控制的最終目標(biāo)幾乎都落到電動機(jī)這個具體設(shè)備上。因此可得出結(jié)論：機(jī)這個具體設(shè)備上。因此可得出結(jié)論：電機(jī)課十分重電機(jī)課十分重要

3、要。 電機(jī)原理及拖動電機(jī)原理及拖動是一門理論性很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，涉是一門理論性很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，涉及的基礎(chǔ)理論和實際知識面廣，需要電磁學(xué)、動力學(xué)、熱及的基礎(chǔ)理論和實際知識面廣，需要電磁學(xué)、動力學(xué)、熱力學(xué)等學(xué)科知識的綜合運(yùn)用。與其它基礎(chǔ)課不同的是電機(jī)力學(xué)等學(xué)科知識的綜合運(yùn)用。與其它基礎(chǔ)課不同的是電機(jī)是一個具體的工業(yè)設(shè)備，受各種條件的制約，因此本課又是一個具體的工業(yè)設(shè)備，受各種條件的制約，因此本課又具有專業(yè)課的性質(zhì)，在用理論分析電機(jī)及拖動的實際問題具有專業(yè)課的性質(zhì)，在用理論分析電機(jī)及拖動的實際問題時，必須結(jié)合電機(jī)的具體結(jié)構(gòu)，時，必須結(jié)合電機(jī)的具體結(jié)構(gòu)，采用工程觀點(diǎn)和分析方法采用工程觀點(diǎn)和分析方法。

4、掌握基本理論的同時，還要注意培養(yǎng)實驗操作技能和計掌握基本理論的同時，還要注意培養(yǎng)實驗操作技能和計算方法。算方法。課程任務(wù)：本課程的任務(wù)是讓大家在了解電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作課程任務(wù)：本課程的任務(wù)是讓大家在了解電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，掌握電機(jī)的分析計算、電機(jī)選擇、運(yùn)行及原理的基礎(chǔ)上，掌握電機(jī)的分析計算、電機(jī)選擇、運(yùn)行及實驗方法，培養(yǎng)在電機(jī)及電力拖動方面分析和解決問題的實驗方法，培養(yǎng)在電機(jī)及電力拖動方面分析和解決問題的能力，為今后學(xué)習(xí)和工作打下堅實的基礎(chǔ)。能力，為今后學(xué)習(xí)和工作打下堅實的基礎(chǔ)。 為了學(xué)好本門課程，應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：1.抓主要矛盾，有條件地略去一些次要因素有條件地略去一些次要因素；2.抓住

5、重點(diǎn)，牢固掌握基本概念、基本原理和主要特性；3.要有良好的學(xué)習(xí)方法，運(yùn)用對比或比較的方法，分析電機(jī)的共性和特點(diǎn)，加深對原理和性能的理解；4.理論聯(lián)系實際，重視科學(xué)實驗和工程實踐；5.充分預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)。 電機(jī)發(fā)展簡史1.初期發(fā)展時期： 1820年奧斯特發(fā)現(xiàn)了電磁力，直流電動機(jī) 1831年法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律，直流發(fā)電機(jī) 1871年凡麥爾準(zhǔn)發(fā)明了交流電動機(jī)2.近代發(fā)展時期 1920年用于家用電器的單相交流電機(jī)誕生，各種主要電機(jī)成型設(shè)計，開始了電動機(jī)的近代發(fā)展時期。電機(jī)的主要作用 電機(jī)是能量轉(zhuǎn)換裝置，是利用電磁感應(yīng)原理工作的機(jī)械，是實現(xiàn)電能的生產(chǎn)、變換、傳輸、分配、使用和控制的電磁機(jī)械裝置。 按照

6、功能對電機(jī)進(jìn)行分類可分為：發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、變壓器和控制電機(jī)四大類； 按電機(jī)結(jié)構(gòu)或旋轉(zhuǎn)靜止可分為：變壓器和旋轉(zhuǎn)電機(jī)。電機(jī)變壓器直流電機(jī)直流發(fā)電機(jī)直流電動機(jī)交流電機(jī)控制電機(jī)同步電機(jī)同步發(fā)電機(jī)同步電動機(jī)異步電機(jī)異步發(fā)電機(jī)異步電動機(jī)電機(jī)分類自動控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件、檢測元件旋轉(zhuǎn)電機(jī)動力類直線電機(jī)電力變壓器特殊變壓器 電機(jī)拖動系統(tǒng)是用電動機(jī)來拖動機(jī)械運(yùn)行的系統(tǒng)。包括：電動機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)、生產(chǎn)機(jī)械、控制設(shè)備和電源五個部分。電動機(jī)傳動機(jī)構(gòu)生產(chǎn)負(fù)載控制設(shè)備電源電機(jī)拖動的分類電機(jī)拖動的分類電機(jī)拖動具有良好的起、制動性能，平滑調(diào)速。國內(nèi)外電力拖動研究的中心。逐漸取代直流拖動交流電機(jī)拖動直流電機(jī)拖動電能生產(chǎn)傳輸過程電

7、能的生產(chǎn)、傳輸和分配直流輸電系統(tǒng)拖動生產(chǎn)機(jī)械如金屬切削、礦山機(jī)械、交通運(yùn)輸機(jī)械、起重機(jī)械、化工機(jī)械、農(nóng)用機(jī)械、電動工具、家用電器等控制系統(tǒng)和智能化裝置的重要元件研究對象 1.電路：電路主要指電樞繞組部分，它的形式和連接方法影響電勢的數(shù)量和質(zhì)量。繞組帶上負(fù)載對磁場的影響是研究電機(jī)的核心問題； 2.磁路：此外電機(jī)中磁路分析的準(zhǔn)確性直接影響電路的計算，在磁路不飽和時電路參數(shù)為常數(shù)，磁路飽和時與磁路有關(guān)的電路參數(shù)是非線性的； 3.機(jī)械特性：在電機(jī)能量轉(zhuǎn)換過程中涉及電磁力矩及相應(yīng)的轉(zhuǎn)速問題，二者關(guān)系nf(T)為電機(jī)的機(jī)械特性； 4.損耗：在能量轉(zhuǎn)換中存在各種損耗，主要有銅損和鐵損。第一章 電磁理論基礎(chǔ)知

8、識 直流和交流電路分析原理 磁路定律 電磁關(guān)系 電、磁和力的關(guān)系 力學(xué)定律 能量轉(zhuǎn)換和守恒定律 材料的特性1.電路分析和磁路定律 交、直流電路分析UI R 0ii歐姆定律：基爾霍夫定律電磁關(guān)系磁路歐姆定律磁路基爾霍夫定律iFH l 0imFR ue從物理學(xué)可知：磁場強(qiáng)度 與磁感應(yīng)強(qiáng)度 及磁導(dǎo)率 的關(guān)系為 工程上，常將磁感應(yīng)強(qiáng)度B表示為單位面積的磁通量，稱為磁通密度，簡稱磁密。磁力線總是閉合的，這一現(xiàn)象稱為磁通連續(xù)性。事實上，由于漏磁通的存在，磁路中各截面的磁通量并不相等，而且各段鐵芯的飽和程度不同，其相應(yīng)的磁導(dǎo)率也不相同。 磁路基本概念HBBH SBH/m 104-70真空的磁導(dǎo)率：0 /r相

9、對磁導(dǎo)率： 磁路歐姆定律： 鐵磁材料的 不為常數(shù)。 磁路的基爾霍夫第一定律： 說明磁通是連續(xù)的。 磁路的基爾霍夫第二定律：FlSRFmSlRmmR0NIHl（定律公式與前面是一致的）磁路與電路的類比與區(qū)別 磁路 電路 磁動勢F 電動勢E 物理量 磁壓降Um 電壓U 磁阻Rm 電阻R 磁導(dǎo) 電導(dǎo)G 基本定律 歐姆定律 F Rm IE R 基爾霍夫第一定律 0 I0 基爾霍夫第二定律 NIRm U03.電磁關(guān)系 電磁感應(yīng)定律 全電流定律： 右手螺旋定則lIdlHdtdNdtdevlBe1nkkH LINI 4. 電、磁和力的關(guān)系 導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動產(chǎn)生電勢.eBvBfi載流導(dǎo)體在磁場中受到的電磁力。

10、5.力學(xué)定律 直線運(yùn)動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的動力學(xué)定律TF r 力和力矩的關(guān)系：旋轉(zhuǎn)運(yùn)動： dtdTJ 輸入能量輸出能量損耗6.能量守恒鐵磁物質(zhì)包括鐵、鎳、鈷等以及它們的合金。將這些材料放入磁場中，磁場會顯著增強(qiáng)。鐵磁材料在外磁場中呈現(xiàn)很強(qiáng)的磁性，此現(xiàn)象稱為鐵磁物質(zhì)的磁化（圖示1-8）。7.鐵磁材料及其特性 鐵磁材料的磁化磁化曲線和磁滯回線 1.起始磁化曲線將一塊尚未磁化的鐵磁材料進(jìn)行磁化，當(dāng)磁場強(qiáng)度H由零逐漸增大時，磁通密度B將隨之增大，曲線B=f(H)就稱為起始磁化曲線（圖示）。分析：起始磁化曲線基本上可分為四段 磁化曲線開始拐彎的b點(diǎn)，稱為膝點(diǎn)或飽和點(diǎn) 2. 磁滯回線Br稱為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，簡稱剩

11、磁（密度）；Hc稱為矯頑力，非鐵磁材料剩磁矯頑力鐵磁材料所具有的這種磁通密度B的變化滯后于磁場強(qiáng)度H變化的現(xiàn)象，叫做磁滯。呈現(xiàn)磁滯現(xiàn)象的B-H閉合回線，稱為磁滯回線。 3. 基本磁化曲線對同一鐵磁材料，選擇不同的磁場強(qiáng)度進(jìn)行反復(fù)磁化，可得一系列大小不同的磁滯回線,再將各磁滯回線的頂點(diǎn)聯(lián)接起來，所得的曲線。（圖示） 基本磁化曲線與起始磁化曲線的差別很小基本磁化曲線HB三、鐵磁材料 磁滯回線窄，剩磁和矯 頑力都小的材料，稱為軟磁材料，常用的軟磁材料有電工硅鋼片、鑄鐵、 鑄鋼等。軟磁材料磁導(dǎo)率較高。如圖1-13a示。碰滯回線寬，剩磁Br和矯頑力Hc都大的鐵磁材料稱為硬磁材料，如圖1-13b所示。由于

12、剩磁大，可用以制成永久磁鐵，因而硬磁材料亦稱為永磁材料，如鋁鎳鉆、鐵氧體、稀土鈷、釹鐵硼等。1.軟磁材料2.硬磁材料四、鐵芯損耗1.磁滯損耗 鐵磁材料置于交變磁場中，材料被反復(fù)交變磁化，磁疇相互不停地摩擦而消耗能量，并以產(chǎn)生熱量的形式表現(xiàn)出來，造成的損耗稱為磁滯損耗。工程上可寫為：GfBCpnmhh 為磁滯損耗系數(shù)hC2.渦流損耗 當(dāng)通過鐵心的磁通隨時間變化時，鐵心中將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，并引起環(huán)流。這 些環(huán)流在鐵心內(nèi)部作旋渦狀流動，稱為渦流，渦流在鐵心中引起的損耗，稱為渦流損耗。（圖示）分析可得：GBfdCpnmee22 為渦流損耗系數(shù)eC磁路與電路區(qū)別 （1）電路中有電流，就有功率損耗； 而直

13、流磁路中，維持一定的磁通量，鐵心中沒有功率損耗。 （2）在電路中電流全部在導(dǎo)線中流動，導(dǎo)線外沒有電流； 在磁路中，沒有絕對的磁絕緣體，除了鐵心中，總有一部分漏磁通散布在周圍空氣中。 （3）電阻率在一定溫度下是不變的； 磁阻率不是常數(shù)，是磁通密度的函數(shù)。 （4）對線性電路，計算時可以用疊加定理； 鐵心磁路，飽和時磁路是非線性，不能用疊加定理。交流磁路的特點(diǎn)1. 交流磁路中，激磁電流是交流，因此磁路中的磁動勢及其所激勵的磁通均隨時間而交變，但每一瞬時仍和直流磁路一樣，遵循磁路的基本定律。2.就瞬時值而言，通常情況下，可以使用相同的基本磁化曲線。 3.磁通量和磁通密度均用交流的幅值表示。 1.磁通量隨時間交變，必然會在激磁線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢； 2.磁飽和現(xiàn)象會導(dǎo)致電流、磁通和電動勢波形的畸變。 特點(diǎn)交變磁通的兩個效應(yīng)電磁轉(zhuǎn)矩是怎樣產(chǎn)生的？它在機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過程中起著什么作用？答：電機(jī)中電磁轉(zhuǎn)矩是由載流導(dǎo)體在磁場中受力而產(chǎn)生的，在機(jī)電能量轉(zhuǎn)換中是機(jī)械能和電能轉(zhuǎn)換的完成者。一鐵環(huán)的平均半徑為0.3米，鐵環(huán)的橫截面積為一直徑等于0.05米的圓形，在鐵環(huán)上繞有線圈，當(dāng)線圈中電流為5安時，在鐵心中產(chǎn)生的磁通為0.003韋，查表知當(dāng)B=1.528T