电机与拖动第一章绪论

page1电机与拖动电机与拖动page2上下ch1绪论§1.1引言§1.2基本电磁定律和铁磁材料特性§1.3电力拖动系统动力学电机与拖动page31、性质一、本课程性质及学时安排：电类专业的专业技术基础课2、学时（36+18）电机与拖动——§1.1引言上下专业限选课page42、基本概念多3、电磁力关系复杂（电流、电压、磁场、力矩关系）1、该课程以大学物理和电路理论为基础二、课程特点4、分析各类电机的电磁物理过程及复杂的而且往往带有综合性的工程实际问题上下电机与拖动——§1.1引言page5三、课程学习内容：掌握内容：2）工作原理3）电磁力分析4）特性及应用直流机、变压器、异步机、同步机、微特电机1）基本结构上下电机与拖动——§1.1引言page6四、参考书：1、王毓东编《电机学》上、下浙江大学出版2、顾绳谷编《电机及拖动基础》机械工业出版社上下电机与拖动——§1.1引言page7电机与拖动——§1.1引言page8电机与拖动——§1.1引言page9五、电机的作用与功能：电机是实现机械能与电能相互转换的电磁机器电动机：电能机械能发电机：机械能电能变压器：U1交流电能U2交流电能上下电机与拖动——§1.1引言page10六、电机的分类：1、按电能形式分直流电机交流电机发电机电动机异步机同步机发电机电动机发电机电动机上下电机与拖动——§1.1引言page112、按能量转换形式分直流电机交流电机发电机电动机异步机同步机交流电机异步机同步机直流电机上下电机与拖动——§1.1引言page12上下电机与拖动——§1.1引言page13上下绕线异步电动机电机与拖动——§1.1引言page14上下同步电机电机与拖动——§1.1引言page15上下自耦变压器电机与拖动——§1.1引言page16上下电机与拖动——§1.1引言三相变压器page17七、电机的作用：1、进行能量转化、传输和分配电能一简单供电系统图电厂1升压Tr降压Tr用户电厂2升压Tr降压Tr用户上下电机与拖动——§1.1引言page182、驱动生产机械磁悬浮列车大型车床上下电机与拖动——§1.1引言page193、控制各种自动设备盲人引路车爬行机器人上下电机与拖动——§1.1引言page20八、电机的发展状况大型和超小型方向发展同步发电机定子各种微电机上下Return电机与拖动——§1.1引言page21一、磁路的基本概念磁路：磁通经过的路径。上下I、磁路的基本概念和基本定律电机与拖动——§1.2基本电磁定律和铁磁材料特性铁心磁通线圈变压器磁路图page22气隙电枢漏磁通主磁通NS磁轭直流电机磁路图上下电机与拖动——§1.2基本电磁定律和铁磁材料特性page23上下电机与拖动——§1.2基本电磁定律和铁磁材料特性单位：Wb/m2;或T1、磁通单位：Wb2、磁感应强度B（磁密）3、磁场强度H单位：A/m基本物理量：4、磁导率表示物质导磁能力强弱的物理量=B/H单位：亨/米空气磁导率0=4×10-7H/m铁磁材料磁导率0page245、磁阻Rm磁阻Rm=L/(S)L:磁路长度；：磁导率；S：磁路截面积单位：1/亨上下电机与拖动——§1.2基本电磁定律和铁磁材料特性6、磁动势F=NI单位：A线圈中有电流I，线圈周围就会产生磁场，磁场强弱取决于线圈匝数N和电流I的乘积I*N，该乘积就叫磁动势F。7、磁压降V=Hl单位：Apage25二.磁路的基本定律1、安培环路定律（全电流定律）lNIFHdl磁场强度H沿任意闭合回路L的线积分，等于该闭合回路所包围的全电流，即上下电机与拖动——§1.2基本电磁定律和铁磁材料特性page262、磁路欧姆定律磁路中的磁通与磁势成正比，与磁阻成反比即磁通=F/RmIN磁通=F/Rm=NI/Rm上下电机与拖动——§1.2基本电磁定律和铁磁材料特性page273、磁路的基尔霍夫第一定律任何磁路中，流进节点的磁通代数和为零132A节点A：1+2+3=04、磁路的基尔霍夫第二定律在闭合磁回路中，磁路各段磁压降代数和等于作用于该磁路上的磁动势之和。上下电机与拖动——§1.2基本电磁定律和铁磁材料特性page28三.基本电磁定律1）运动电势：导体在磁场中运动时，导体中会感应出电势e。大小：电势e=Blv。B:磁密；l：导体长度；v：导体与磁场的相对速度。正方向：用右手定则判断。电势e正方向表示电位升高的方向，与U相反。如果同一元件上e和U正方向相同时，e=-U。ev1、电磁感应定律上下电机与拖动——§1.2基本电磁定律和铁磁材料特性page292）变压器电势：线圈中的磁通变化时，线圈中会感应电势e：感应电势e=ddt=ddt-N电势e正方向：e的正方向与正方向符合右手螺旋关系INe上下电机与拖动——§1.2基本电磁定律和铁磁材料特性page302、电磁力定律一个通电流的导体，在磁场中要受到力的作用，这个力叫电磁力。电磁力f=B*l*iif电磁力方向：左手定则判断上下电机与拖动——§1.2基本电磁定律和铁磁材料特性page31一、高导磁性1、含义：在一个空间（外）磁场中，放入铁磁材料，该磁场会被大大加强。2、高导磁性原因附加磁场外磁场上下II、铁磁材料的磁性能电机与拖动——§1.2基本电磁定律和铁磁材料特性磁畴page323、材料导磁率µµ=B/HµHiiB1iiB2B1B2上下电机与拖动——§1.2基本电磁定律和铁磁材料特性page33二、铁磁材料的磁化过程和磁化曲线上下电机与拖动——§1.2基本电磁定律和铁磁材料特性换向（正常）磁化曲线OHBpage34三、铁磁材料的磁滞和剩磁现象铁磁材料中磁场B的变化落后于外磁场H的变化称为磁滞现象，从而在铁磁材料中产生了剩磁。饱和磁滞回线与换向磁化曲线上的各有关磁学量BH-Hc剩磁矫顽力0BsHcBr上下电机与拖动——§1.2基本电磁定律和铁磁材料特性page35蜂腰形狭长型肥胖型长方形退化型不对称型上下电机与拖动——§1.2基本电磁定律和铁磁材料特性page36正规的磁滞回线HB0颠倒的磁滞回线HB0上下电机与拖动——§1.2基本电磁定律和铁磁材料特性page37四、铁磁材料的磁损耗当铁磁材料处于变化磁场中，会产生涡流损耗和磁滞损耗。1、涡流损耗pFe=CFeD2f2B2CFe：系数D：厚度f:频率B：磁密2、磁滞损耗小磁铁来回翻转，摩擦耗能。ph=khfB2上下return电机与拖动——§1.2基本电磁定律和铁磁材料特性page38电机与拖动——1.3电力拖动系统动力学电力拖动系统的基本概念:电力拖动是用电动机带动生产机械运动，以完成一定的生产任务。电力拖动系统的组成:电源控制设备电动机传动和工作机构上下page39一、单轴系统的运动方程电动机生产机械TnTmT0研究运动方程,以电动机的轴为研究对象，电动机运行时的轴受力如图示：电力拖动系统正方向的规定：先规定转速n的正方向，然后规定电磁转矩的正方向与n的正方向相同，规定负载转矩的正方向与n的正方向相反。上下电机与拖动——1.3电力拖动系统动力学I、单轴电力拖动系统的运动方程式page40轴TTLn电动机运行时的轴受力如图示，由力学定律可知，其必须遵守方程式:T：电磁转矩；TL：负载转矩,N.mJ：电动机轴上的总转动惯量，kg.m2：电动机角速度,rad/s在工程计算中,常用n代替表示系统速度,用飞轮力矩GD2代替J表示系统机械惯性。上下电机与拖动——1.3电力拖动系统动力学dtdJTTLpage41T-TL=Jddt=2n/60J=m2=(G/g)(D2)/4=GD2/4gm：系统转动部分的质量，KgG：系统转动部分的重量，N：系统转动部分的转动半径，mD：系统转动部分的转动直径，mg：重力加速度=9.8m/s2T-TL=GD24gdndt260=GD2375dndt上下电机与拖动——1.3电力拖动系统动力学page42T-TL=GD2375dndtGD2：系统转动部分的总飞轮惯量（飞轮矩）电力拖动系统的运动状态：当T=TL，dndt=0稳态，匀速当TTL，dndt0暂态，加速当TTL，dndt0暂态，减速上下电机与拖动——1.3电力拖动系统动力学page43三、功率平衡方程得出功率平衡方程T-TL=JddtT-TL=Jddt=(1/2J2)ddt电动机产生(T0)或吸收的机械功率（T0)生产机械吸收(TL0)或释放的机械功率(TL0)拖动系统动能的变化上下电机与拖动——1.3电力拖动系统动力学page44多轴系统需等效（系统传递的功率不变）为单轴系统。一.旋转运动负载转矩及飞轮矩的折算电动机生产机械Tj1j2TmmGDR2GD12GD22GDm2TGDeq2等效负载电动机Tmeq上下II、多轴电力拖动系统转矩及飞轮矩的折算电机与拖动——1.3电力拖动系统动力学page451.负载转矩的折算电动机生产机械Tj1j2TmmGDR2GD12GD22GDm2TGDeq2等效负载电动机Tmeq折算前负载功率P2=Tmm等效负载功率P2´=TmeqTmm=TmeqTmeq=Tmm/Tmeq=Tmnm/n=Tm/j总转速比j=n/nm=各级转速比的乘积=j1j2...考虑传动损耗Tmeq=Tm/(jC)传动效率C=各级传动效率乘积=12...上下电机与拖动——1.3电力拖动系统动力学page462.飞轮矩(转动惯量)的折算TJeq等效负载电动机Tmeq折算原则：折算前后系统动能不变电动机生产机械Tj1j2TmmJRJ1Jm11/2Jeq2=1/2Jmm2+1/2J112+1/2JR2除以21/2Jeq=j2Jmj12J1JR++乘以4g上下电机与拖动——1.3电力拖动系统动力学page47TJeq等效负载电动机TmeqT0多轴系统等效为单轴系统后的运动方程为：其中：TL=T0+TmeqT-TL=GDeq2375dndtGDeq2=j2GDm2j12GD12GDR2++GDR2+j2GDm2其中：修正系数=1.1~1.25上下电机与拖动——1.3电力拖动系统动力学page48二、平移运动系统的折算质量m电动机刨刀TnVmFm1、阻力Fm的折算TJeq等效负载电动机TmeqT0折算前负载功率P2=FmVm折算后负载功率P2´=TmeqTmeq=FmVmTmeq=FmVm/=2n/60Tmeq=9.55FmVmn考虑传动损耗Tmeq=9.55FmVmnC上下电机与拖动——1.3电力拖动系统动力学page49折算前运动部件动能为：)602(42121222ngDGvgGmeqmm折算后运动部件动能为：)602(42121222ngDGJmeqmeq222121mmmvgGmvnmmmmVGnVGDGmeq22222365)602(42、平移部件质量的折算折算原则：系统动能不变上下电机与拖动——1.3电力拖动系统动力学page50三、升降运动系统的折算电机与拖动——1.3电力拖动系统动力学电动机生产机械Tj1j2TmmJRJ1Jm1GzVz1.上升重物cZLjRGT提升重物传动机构的损耗有电机承担。page51电机与拖动——1.3电力拖动系统动力学电动机生产机械Tj1j2TmmJRJ1Jm1重物GzVz2.下放重物cZLjRGT下放重物传动机构的损耗有负载承担。page52电机与拖动——1.3电力拖动系统动力学3.提升下放重物的不同1.提升时的等效负载转矩大于下放的等效负载转矩2.提升与下放传动效率不同提升时：)11(cjZjZcjZcRGRGRGp负载功率电动机功率page53电机与拖动——1.3电力拖动系统动力学下放时：)1(cjZcjZjZcRGRGRGp电动机功率负载功率假定提升和下放时，传动机构的损耗相同，有：)11()1(cjZcjZcRGRGp)1