电机原理与拖动(一)新教材绪论第1章

电机原理与拖动（一）东北大学边春元2015.03教材与成绩•教材：《电机原理与拖动》主编：边春元满永奎或《电机原理及拖动》主编彭鸿才《电机原理及拖动习题解答与实验》主编：李爱平边春元•学时：48•成绩：平时成绩（点名、测验、作业）20分＋考试成绩70分•实验：10分内容介绍变压器交流电机基础及三相异步电动机电磁理论基础知识绪论三相异步电动机的电力拖动绪论•本课程性质：十分重要的专业基础课，是后续专业课的基础。不能很好的掌握电机的工作原理及电力拖动的静态、动态特性，不能组成一个良好性能的自动控制系统。在工农业生产、国防军事、日常生活中，随处可见的自动化设备、电器，几乎无一例外与电机有着密切关系。自动化控制的最终目标几乎都落到电动机这个具体设备上。因此可得出结论：电机课十分重要。《电机原理及拖动》是一门理论性很强的专业基础课，涉及的基础理论和实际知识面广，需要电磁学、动力学、热力学等学科知识的综合运用。与其它基础课不同的是电机是一个具体的工业设备，受各种条件的制约，因此本课又具有专业课的性质，在用理论分析电机及拖动的实际问题时，必须结合电机的具体结构，采用工程观点和分析方法。掌握基本理论的同时，还要注意培养实验操作技能和计算方法。课程任务：本课程的任务是让大家在了解电机结构和工作原理的基础上，掌握电机的分析计算、电机选择、运行及实验方法，培养在电机及电力拖动方面分析和解决问题的能力，为今后学习和工作打下坚实的基础。为了学好本门课程，应该注意以下几点：1.抓主要矛盾，有条件地略去一些次要因素；2.抓住重点，牢固掌握基本概念、基本原理和主要特性；3.要有良好的学习方法，运用对比或比较的方法，分析电机的共性和特点，加深对原理和性能的理解；4.理论联系实际，重视科学实验和工程实践；5.充分预习和复习。电机发展简史1.初期发展时期：•1820年奥斯特发现了电磁力，直流电动机•1831年法拉第发现了电磁感应定律，直流发电机•1871年凡·麦尔准发明了交流电动机2.近代发展时期•1920年用于家用电器的单相交流电机诞生，各种主要电机成型设计，开始了电动机的近代发展时期。电机的主要作用•电机是能量转换装置，是利用电磁感应原理工作的机械，是实现电能的生产、变换、传输、分配、使用和控制的电磁机械装置。•按照功能对电机进行分类可分为：发电机、电动机、变压器和控制电机四大类；•按电机结构或旋转静止可分为：变压器和旋转电机。电机变压器直流电机直流发电机直流电动机交流电机控制电机同步电机同步发电机同步电动机异步电机异步发电机异步电动机电机分类自动控制系统中的执行元件、检测元件旋转电机动力类直线电机电力变压器特殊变压器电机拖动系统是用电动机来拖动机械运行的系统。包括：电动机、传动机构、生产机械、控制设备和电源五个部分。电动机传动机构生产负载控制设备电源电机拖动的分类电机拖动的分类电机拖动具有良好的起、制动性能，平滑调速。国内外电力拖动研究的中心。逐渐取代直流拖动交流电机拖动直流电机拖动电能生产传输过程电能的生产、传输和分配直流输电系统拖动生产机械如金属切削、矿山机械、交通运输机械、起重机械、化工机械、农用机械、电动工具、家用电器等电能驱动生产机械和装备控制系统和智能化装置的重要元件研究对象•1.电路：电路主要指电枢绕组部分，它的形式和连接方法影响电势的数量和质量。绕组带上负载对磁场的影响是研究电机的核心问题；•2.磁路：此外电机中磁路分析的准确性直接影响电路的计算，在磁路不饱和时电路参数为常数，磁路饱和时与磁路有关的电路参数是非线性的；•3.机械特性：在电机能量转换过程中涉及电磁力矩及相应的转速问题，二者关系n＝f(T)为电机的机械特性；•4.损耗：在能量转换中存在各种损耗，主要有铜损和铁损。第一章电磁理论基础知识•直流和交流电路分析原理•磁路定律•电磁关系•电、磁和力的关系•力学定律•能量转换和守恒定律•材料的特性1.电路分析和磁路定律•交、直流电路分析0ii欧姆定律：基尔霍夫定律电磁关系磁路欧姆定律磁路基尔霍夫定律iFHl0iue从物理学可知：磁场强度与磁感应强度及磁导率的关系为工程上，常将磁感应强度B表示为单位面积的磁通量，称为磁通密度，简称磁密。磁力线总是闭合的，这一现象称为磁通连续性。事实上，由于漏磁通的存在，磁路中各截面的磁通量并不相等，而且各段铁芯的饱和程度不同，其相应的磁导率也不相同。磁路基本概念HBBHSBH/m104-70真空的磁导率：0/r相对磁导率：•磁路欧姆定律：•铁磁材料的不为常数。•磁路的基尔霍夫第一定律：•说明磁通是连续的。•磁路的基尔霍夫第二定律：FlSRFmSlRmmR0NIHl（定律公式与前面是一致的）磁路与电路的类比与区别磁路电路磁动势F电动势E•物理量磁压降Um电压U磁阻Rm电阻R磁导Λ电导G•基本定律•欧姆定律Φ＝F／RmI＝E／R•基尔霍夫第一定律ΣΦ＝0ΣI＝0•基尔霍夫第二定律ΣNI＝ΣΦRmΣU＝03.电磁关系•电磁感应定律•全电流定律：•右手螺旋定则lIdlHdtdNdtdevlBe1nkkHLINI4.电、磁和力的关系•导体在磁场中运动产生电势.eBvBfi载流导体在磁场中受到的电磁力。5.力学定律•直线运动和旋转运动的动力学定律TFr力和力矩的关系：旋转运动：dtdTJ•输入能量＝输出能量＋损耗6.能量守恒铁磁物质包括铁、镍、钴等以及它们的合金。将这些材料放入磁场中，磁场会显著增强。铁磁材料在外磁场中呈现很强的磁性，此现象称为铁磁物质的磁化（图示1-8）。7.铁磁材料及其特性•铁磁材料的磁化磁化曲线和磁滞回线1.起始磁化曲线将一块尚未磁化的铁磁材料进行磁化，当磁场强度H由零逐渐增大时，磁通密度B将随之增大，曲线B=f(H)就称为起始磁化曲线（图示）。分析：起始磁化曲线基本上可分为四段磁化曲线开始拐弯的b点，称为膝点或饱和点2.磁滞回线Br称为剩余磁感应强度，简称剩磁（密度）；Hc称为矫顽力，非铁磁材料剩磁矫顽力铁磁材料所具有的这种磁通密度B的变化滞后于磁场强度H变化的现象，叫做磁滞。呈现磁滞现象的B-H闭合回线，称为磁滞回线。3.基本磁化曲线对同一铁磁材料，选择不同的磁场强度进行反复磁化，可得一系列大小不同的磁滞回线,再将各磁滞回线的顶点联接起来，所得的曲线。（图示）基本磁化曲线与起始磁化曲线的差别很小基本磁化曲线HB三、铁磁材料磁滞回线窄，剩磁和矫顽力都小的材料，称为软磁材料，常用的软磁材料有电工硅钢片、铸铁、铸钢等。软磁材料磁导率较高。如图1-13a示。碰滞回线宽，剩磁Br和矫顽力Hc都大的铁磁材料称为硬磁材料，如图1-13b所示。由于剩磁大，可用以制成永久磁铁，因而硬磁材料亦称为永磁材料，如铝镍钻、铁氧体、稀土钴、钕铁硼等。1.软磁材料2.硬磁材料四、铁芯损耗1.磁滞损耗铁磁材料置于交变磁场中，材料被反复交变磁化，磁畴相互不停地摩擦而消耗能量，并以产生热量的形式表现出来，造成的损耗称为磁滞损耗。工程上可写为：GfBCpnmhh为磁滞损耗系数hC2.涡流损耗当通过铁心的磁通随时间变化时，铁心中将产生感应电动势，并引起环流。这些环流在铁心内部作旋涡状流动，称为涡流，涡流在铁心中引起的损耗，称为涡流损耗。（图示）分析可得：GBfdCpnmee22为涡流损耗系数eC磁路与电路区别•（1）电路中有电流，就有功率损耗；而直流磁路中，维持一定的磁通量，铁心中没有功率损耗。•（2）在电路中电流全部在导线中流动，导线外没有电流；在磁路中，没有绝对的磁绝缘体，除了铁心中，总有一部分漏磁通散布在周围空气中。•（3）电阻率在一定温度下是不变的；磁阻率不是常数，是磁通密度的函数。•（4）对线性电路，计算时可以用叠加定理；铁心磁路，饱和时磁路是非线性，不能用叠加定理。交流磁路的特点1.交流磁路中，激磁电流是交流，因此磁路中的磁动势及其所激励的磁通均随时间而交变，但每一瞬时仍和直流磁路一样，遵循磁路的基本定律。2.就瞬时值而言，通常情况下，可以使用相同的基本磁化曲线。3.磁通量和磁通密度均用交流的幅值表示，磁动势和磁场强度则用有效值表示。1.磁通量随时间交变，必然会在激磁线圈内产生感应电动势；2.磁饱和现象会导致电流、磁通和电动势波形的畸变。特点交变磁通的两个效应电磁转矩是怎样产生的？它在机电能量转换过程中起着什么作用？•答：电机中电磁转矩是由载流导体在磁场中受力而产生的，在机电能量转换中是机械能和电能转换的完成者。一铁环的平均半径为0.3米，铁环的横截面积为一直径等于0.05米的圆形，在铁环上绕有线圈，当线圈中电流为5安时，在铁心中产生的磁通为0.003韦，查表知当B=1.528T时H=3180A，试求线圈应有匝数。•解：铁环中磁路平均长度（m）•圆环的截面积S＝•铁环内的磁感应强度•磁场强度H＝3180（A/m）•F＝H=3180×1.89＝6000（A）•故：匝数为N＝（匝）89.13.022RlD2232110.051.9610()44Dm30.0031.528()1.9610BTSlD12005/6000IF设上题铁心中的磁通减少一半，线圈匝数不变，问此时线圈中流过电流比原来大，还是小？