《電機及其拖動》省公開課金獎全國賽課一等獎微課獲獎?wù)n件

電機及拖動基礎(chǔ)第四版電機與拖動1/39課程介紹

本課程主要講授直流電動機、變壓器、交流異步電動機組成及原理，內(nèi)部電、磁、力關(guān)系，能量轉(zhuǎn)換關(guān)系等。在此基礎(chǔ)上，講解電機外部特征及其起動、制動、調(diào)速特征。拖動系統(tǒng)動力學(xué)特征。介紹部分控制電機。本課既是研究該領(lǐng)域基礎(chǔ)理論學(xué)科，又是一門獨立基礎(chǔ)應(yīng)用課，能夠直接為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)。本科程理論性與實踐性都很強。經(jīng)過本課程學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握各種電機基本結(jié)構(gòu)與工作原理，獨立分析電力拖動系統(tǒng)各種運行狀態(tài)，掌握相關(guān)計算方法，合理地選擇和使用電動機，為本專業(yè)“運動控制專業(yè)方向”專業(yè)課打下基礎(chǔ)。22/39（一）目標(biāo)：本課程是“工業(yè)自動化”專業(yè)一門專業(yè)基礎(chǔ)課?！半姍C及其拖動系統(tǒng)”作為自動化專業(yè)經(jīng)典控制對象。本課程目標(biāo)首先是從理論角度講清楚電機內(nèi)部電、磁、力相互關(guān)系，同時從拖動系統(tǒng)角度觀察，電機只是個控制對象，所以更應(yīng)突出電機外部特性及其形成原因。本課程是自動化專業(yè)后續(xù)課程基礎(chǔ)（表達它基礎(chǔ)性），又是詳細工程實際對象（表達它專業(yè)性）。（二）任務(wù)：要從理論角度講清楚電機內(nèi)部電、磁、力相互關(guān)系，外部基本特征。同時處理好時間、空間、線性、非線性、電路、磁路、旋轉(zhuǎn)、靜止等關(guān)系，以及怎樣將一個實際問題轉(zhuǎn)換為理論問題和在理論指導(dǎo)下分析實際問題能力。本課程目標(biāo)和任務(wù)33/39本課程基本要求及講授綱領(lǐng)

第一章：磁路（2課時）（一）基本要求：本章復(fù)習(xí)磁路基本知識和基本定律和計算方法，主要講述磁路歐姆定律、基爾霍夫第一定律、基爾霍夫第二定律。經(jīng)過磁路和電路類比，建立起較清楚磁路概念。（二）內(nèi)容：第一節(jié)：磁路基本定律第二節(jié)：慣用鐵磁材料及其特征第三節(jié)：直流磁路計算44/39第二章：直流電機（8課時）（一）基本要求：直流電動機基本原理、基本結(jié)構(gòu)、磁路、主極磁場、電樞繞組（單波）、電樞磁場（靜止特征）、電樞反應(yīng)；電磁轉(zhuǎn)矩、電樞電動勢計算；電動勢及功率平衡方程式；機械特征及勵磁方式對其影響。熟練掌握和利用他勵直流電動機等值電路圖。（二）內(nèi)容：第一節(jié)：直流電動機工作原理及結(jié)構(gòu)，試驗室參觀第三節(jié)：直流電動機繞組第四節(jié)：直流電動機勵磁方式及磁場第五節(jié)：感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩計算第六節(jié)：直流電機運行原理第七節(jié)：直流電機換向55/39第三章：變壓器（6課時）（一）基本要求：掌握變壓器基本原理、結(jié)構(gòu)；三種分析方法，尤其是對等值電路圖了解；變壓器空載和短路試驗；三相變壓器連接組別判斷。（二）內(nèi)容：第一節(jié)：變壓器工作原理、分類及結(jié)構(gòu)第二節(jié)：單相變壓器空載運行第三節(jié)：單相變壓器基本方程式第四節(jié)：變壓器等效電路及相量圖第五章：等效電路參數(shù)測定第六節(jié)：三相變壓器第七節(jié)：變壓器穩(wěn)態(tài)運行第八節(jié)：自耦變壓器與互感器66/39第四章：三相異步電動機基本原理（4課時）（一）基本要求：掌握三相異步電動機原理、結(jié)構(gòu)；熟悉三相異步電動機繞組及其磁勢；掌握三相異步電動機內(nèi)部電磁過程和三種分析方法，尤其是等值電路圖和變壓器等值電路圖比較；掌握三相異步電動機功率、轉(zhuǎn)矩平衡方程式；掌握三相異步電動機機械特征；熟悉參數(shù)測定方法。（二）內(nèi)容：第一節(jié)：三相異步電動機工作原理及結(jié)構(gòu)第三節(jié)：三相異步電動機定子繞組第四節(jié)：三相異步電動機定子磁動勢及磁場第五節(jié)：三相異步電動機定子繞組電動勢77/39第五章：三相異步電動機運行原理（6課時）（一）基本要求：掌握三相異步電動機內(nèi)部電磁過程和三種分析方法，尤其是等值電路圖和變壓器等值電路圖比較；掌握三相異步電動機功率、轉(zhuǎn)矩平衡方程式；掌握三相異步電動機機械特征。（二）內(nèi)容：第一節(jié)：三相異步電動機運行時電磁過程第二節(jié)：三相異步電動機等效電路及相量圖第三節(jié)：三相異步電動機功率和轉(zhuǎn)矩88/39第七章：控制電機（2課時）（一）基本要求：在熟悉普通電機基本原理基礎(chǔ)上，了解幾個慣用控制電機工作原理和基本結(jié)構(gòu)，方便在電力拖動系統(tǒng)中正確使用這些控制電機。（二）內(nèi)容：第一節(jié)：伺服電動機第二節(jié)：測速發(fā)電機第三節(jié)：自整角機第四節(jié)：旋轉(zhuǎn)變壓器99/39第八章：電力拖動系統(tǒng)動力學(xué)基礎(chǔ)（2課時）（一）基本要求：講解電力拖動機械特征與過渡過程，分析運動方程，對方程中各參數(shù)折算方法進行分析和生產(chǎn)機械負(fù)載轉(zhuǎn)矩特征（二）內(nèi)容：第一節(jié)：電力拖動系統(tǒng)運動方程式第二節(jié)：工作機構(gòu)轉(zhuǎn)矩、力、飛輪慣量和質(zhì)量折算第三節(jié)：電動機和工作機構(gòu)間速比可變系統(tǒng)第五節(jié)：生產(chǎn)機械負(fù)載轉(zhuǎn)矩特征1010/39第九章：直流電動機電力拖動（4課時）（一）基本要求：掌握工作機械負(fù)載特征；掌握直流電動機開啟和調(diào)速基本方法；掌握他勵直流電動機四象限運行；比較熟練地掌握各種制動狀態(tài)及其計算。主要概念：工作機械負(fù)載特征、直流電動機開啟、調(diào)速、制動（二）內(nèi)容：第一節(jié)：他勵直流電動機機械特征第二節(jié)：他勵直流電動機起動第三節(jié)：他勵直流電動機制動第四節(jié)：他勵直流電動機調(diào)速1111/39第十章：三相異步電動機機械特征

及各種運轉(zhuǎn)狀態(tài)（2課時）（一）基本要求：主要學(xué)習(xí)三相異步電動機機械特征和在各種運轉(zhuǎn)狀態(tài)下機械特性計算，著重介紹機械特征三種表示式建立、固有機械特征與人為機械特征分析及繪制方法。（二）內(nèi)容：第一節(jié)：三相異步電動機機械特征三種表示式第二節(jié)：三相異步電動機固有機械特征與人為機械特征1212/39第十一章：三相異步電動機起動

及起動設(shè)備計算（4課時）（一）基本要求：全方面介紹三相異步電動機各種起動方法和起動電阻與起動設(shè)備計算方法。（二）內(nèi)容：第一節(jié)：三相異步電動機起動方法第三節(jié)：三相籠型異步電動機定子對稱起動電阻計算第四節(jié)：三相籠型異步電動機起動自耦變壓器計算第五節(jié)：三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子對稱起動電阻計算1313/39第一章磁路第一節(jié)磁路基本定律

電機是進行機電能量轉(zhuǎn)換裝置

機電能量轉(zhuǎn)換媒介是磁場，磁場路徑稱為磁路。在工程中，通常將磁場問題簡化為磁路問題。1414/39一.磁場幾個慣用量

磁感應(yīng)強度（又稱磁通密度）B

——表征磁場強弱及方向物理量。單位：Wb/m2(或:T特斯拉)

磁通量Φ

——垂直穿過某截面積磁力線總和。單位：Wb

磁場強度H

——計算磁場時引用物理量。

B=μH，單位：A/m(或:Oe奧斯特)1515/39磁通所經(jīng)過路徑稱為磁路二.磁路概念經(jīng)過鐵心內(nèi)磁通稱為主磁通，主磁通用來進行能量轉(zhuǎn)換或傳遞。圍繞載流線圈，在部分鐵心和鐵心周圍，還存在少許分散磁通，稱為漏磁通，漏磁通不參加能量轉(zhuǎn)換和傳遞。1616/39用以激勵磁路中磁通載流線圈稱為勵磁線圈，勵磁線圈中電流稱為勵磁電流。若勵磁電流為直流，磁路中磁通是恒定，這種磁路稱為直流磁路，直流電機磁路屬于直流磁路。若勵磁電流為交流，磁路中磁通是隨時間改變而變化，這種磁路稱為交流磁路，變壓器、感應(yīng)電機磁路屬交流磁路。1717/39三、磁路基本定律1、安培環(huán)路定律

沿任何一條閉合回線L，磁場強度H線積分等于該閉合回線所包圍電流代數(shù)和。

假如在均勻磁場中，沿著回線L磁場強度H處處相等，則1818/392、磁路歐姆定律

作用在磁路上磁動勢

F等于磁路內(nèi)磁通量Φ乘以磁阻Rm。磁通量Φ等于磁通密度乘以面積

磁場強度等于磁通密度除以磁導(dǎo)率

于是令：則：F：作用在鐵心磁路上安匝數(shù)，稱為磁路磁動勢，單位：ARm:磁路磁阻，取決于磁路尺寸和材數(shù)磁導(dǎo)率，單位H-11919/39磁路與電路類比：與電路中歐姆定律在形式上十分相同。磁路磁動勢等于磁通乘以磁阻電路電動勢等于電流乘以電阻磁通量Φ類比于電流I，用對應(yīng)模擬電路來說明。2020/39[例1-1]有一閉合鐵心磁路，鐵心截面積A=9×10-4m2,磁路平均長度

l=0.3m，鐵心磁導(dǎo)率μFe=5000μ0，套裝在鐵心上勵磁繞組為500匝。試求在鐵心中產(chǎn)生1T磁通密度時，需要多少勵磁磁動勢和勵磁電流？解用安培環(huán)路定律求解以下,已知:B=1T2121/393、磁路基爾霍夫定律（1）磁路基爾霍夫電流定律或

穿出或進入任何一閉合面總磁通恒等于零。2222/39（2）磁路基爾霍夫電壓定律沿任何閉合磁路總磁動勢恒等于各段磁路磁位差代數(shù)和。實際上，電機和變壓器磁路是由數(shù)段不一樣截面，不一樣鐵磁材料鐵心組成，其中還可能含有氣隙。在計算磁路時，總是把整個磁路分成若干段，每一段由同一材料組成、截面積相同且段內(nèi)磁通密度處處相等。這么總磁動勢為：2323/39磁路和電路有相同之處，卻要注意有以下幾點差異：1）電路中有電流I時，就有功率損耗；而在直流磁路中，維持一定磁通量，鐵心中沒有功率損耗。2）電路中電流全部在導(dǎo)線中流動；而在磁路中，總有一部分漏磁通。3）電路中導(dǎo)體電阻率在一定溫度下是恒定；而磁路中鐵心導(dǎo)磁率伴隨飽和程度而有所改變。4）對于線性電路，計算時能夠用疊加原理；而在磁路中，B和H之間關(guān)系為非線性，所以計算時不能夠用疊加原理。2424/39第二節(jié)慣用鐵磁材料及其特征

一、鐵磁物質(zhì)磁化

在外磁場作用下，磁疇順著外磁場方向轉(zhuǎn)向，排列整齊，顯示出磁性。磁化磁場疊加在外磁場上，使合成磁場在為加強，因為磁疇產(chǎn)生磁化磁場比非鐵磁物質(zhì)在同一磁場強度下所激勵磁場強得多，所以鐵磁材料磁導(dǎo)率μFe要比非鐵磁材料大得多。μFe=（～6000）μ0μ0=4π×10-7H/m2525/39二、磁化曲線和磁滯回線1、起始磁化曲線

將一塊未磁化鐵磁材料進行磁化，當(dāng)磁場強度H由零逐步增加時，磁通密度B將隨之增加。用B=f(H)描述曲線就稱為起始磁化曲線。開始磁化時，外磁場較弱，磁通密度增加不快，如Oa段，伴隨外磁場增強，鐵磁材料內(nèi)部大量磁疇開始轉(zhuǎn)向，此時B值增加得很快，如ab段，若外磁場繼續(xù)增加，可轉(zhuǎn)向磁疇越來越少，B值增加得越來越慢，如bc段，這種現(xiàn)象稱為飽和。到達飽和后，磁化曲線基本上與非鐵磁材料特征相平行直線。如cd段。磁化曲線開始拐彎b點，稱為膝點或飽和點。2626/39因為鐵磁材料磁化曲線不是一條直線，所磁導(dǎo)率也不是常數(shù)，將伴隨H值改變而改變。進入飽和區(qū)后，μFe急劇下降，直到趨近于μ0，這表明，在鐵磁材料中，磁阻隨飽和度增加而增大。μfe各種電機、變壓器主磁路中，為了取得較大磁通量，又不過分增大磁動勢，通常把鐵心內(nèi)工作點磁通密度選擇在膝點附近。2727/392、磁滯回線剩磁——當(dāng)H從零增加到Hm時，B對應(yīng)地從零增加到Bm；然后再逐步減小H，B值將沿曲線ab下降。當(dāng)H=0時，B值并不等于零，而是Br。這就是剩磁。磁滯回線——當(dāng)H在Hm和－

Hm之間重復(fù)改變時，展現(xiàn)磁滯現(xiàn)象B－H閉合曲線，稱為磁滯回線。2828/393、基本磁化曲線

對同一鐵磁材料，選擇不一樣Hm重復(fù)磁化，得到不一樣磁滯回線。將各條回線頂點連接起來，所得曲線稱為基本磁化曲線。2929/39三、鐵磁材料1、軟磁材料：磁滯回線較窄。剩磁和矯頑力都小材料。軟磁材料磁導(dǎo)率較高，可用來制造電機、變壓器鐵心。2、硬磁材料：磁滯回線較寬。剩磁和矯頑力都大鐵磁材料稱為硬磁材料，可用來制成永久磁鐵。3030/39四、鐵心損耗1、磁滯損耗——材料被交流磁場重復(fù)磁化，磁疇相互摩擦而消耗能量。2、渦流損耗——鐵心內(nèi)部因為渦流在鐵心電阻上產(chǎn)生熱能損耗。3、鐵心損耗——磁滯損耗和渦流損耗之和。3131/39第三節(jié)直流磁路計算

磁路計算正問題——給定磁通量，計算所需勵磁磁動勢磁路計算逆問題——給定勵磁磁勢，計算磁路內(nèi)磁通量磁路計算正問題步驟：1）將磁路按材料性質(zhì)和不一樣截面尺寸分段；2）計算各段磁路有效截面積Ak和平均長度lk；3）計算各段磁路平均磁通密度Bk

，Bk=Φk/Ak；4）依據(jù)Bk求出對應(yīng)Hk；5）計算各段磁位降Hklk，最終求出F=∑Hklk。磁路計算逆問題——因為磁路為非線性，用試探法。3232/39一、簡單串聯(lián)磁路[例1-2]鐵心由鑄鋼和空氣隙組成，截面積AFe=0.0009m2，磁路平均長度lF