电机及拖动基础课件-第四版(全)

绪论电机、电力拖动的基本概况关于能量关于电机关于本课程绪论一、关于能量1.能量的运动方式风能变换一种形式另一种形式2.能量的基本存在形式机械能电能热能核能磁能光能关于能量化学能二、关于电机一种能量变换装置集电能、磁能和机械能为一体一种典型的机电一体化设备可控性越来越强关于电机电机的应用分类电动方式消耗电能发电方式产生电能二、关于电机关于本课程(一)三、关于本课程1.专业目的研究电机，对其实施预想的控制（后续课程：运动控制系统）2.预备知识电路原理（电动势，电势平衡，复阻抗，电路的相量分析）电磁学（电磁效应）运动力学（力矩，运动状态）3.学习内容电动势，电势平衡，电磁转矩，相量图及其分析；工作特性，机械特性，机械负载，功率损耗，有功功率，无功功率；空载运行，负载运行，电机起动，电动运行，制动运行；三、关于本课程4.学习方式以物理概念领先，数学描述随后；突出主要知识点，以点带面；注意知识的持续性、关联性；摈弃“按例解题”学习模式，建立独立的、发散的和思辩的思维方式；5.教与学课堂教学：参与和互动；成绩评价体系：课堂记录实验记录作业记录理论考试四部分60%左右40%左右关于本课程(二)第一章磁路基本定律及物理概念磁场与电流磁路与电路第一章磁路1-1磁路的基本定律一、（电）磁场存在的基本要素1.磁场源，励磁源，励磁电流2.磁路，磁通路径二、（电）磁场的基本物理量1.磁通描述通过一定横截面积的磁力线总数符号类型矢量量纲Wb；1Wb=108lines2.磁感应强度，磁通密度描述通过单位面积的磁力线数量符号B；B=/A(面积)类型矢量量纲Wb/m2面积A磁力线单位面积1-1磁路的基本定律（一）Ф3.磁势（磁动势）描述衡量磁场源的基本强度符号FF=iN类型矢量量纲A·turn(安匝)4.磁场强度描述在单位长度的磁力线上磁场源所分配的励磁磁势大小符号HB=μH类型矢量量纲T（特斯拉）或A/m或A·turn/m5.磁导率描述衡量指定物质导磁能力大小的物理量符号μ类型标量量纲H/m在真空介质中μo=4π10-7H/m1-1磁路的基本定律1-1磁路的基本定律（三）提示：磁势不仅与流过电流载体的安培强度有关，还与电流载体围绕磁路的匝数有关提示：此量纲称为：亨每米1-1磁路的基本定律（四）1-1磁路的基本定律三、磁与电的联系1.磁场与电流安培环路定律P7右手定则LiHdl+_绕组N匝磁性铁心横截面A铁心平均长度lci磁势的大小：F=iN=Hclc磁路的基本定律（六）RVImRF1-1磁路的基本定律2.磁路与电路磁路欧姆定律P7磁路与电路的区别P9+_VRIF+_Rm电路磁路思考（一）1-1磁路的基本定律1.磁导率（H/m）的量纲H是即电感量的量纲，解释1H的物理含义是什么?预测电磁元件的电感量受哪些参量的影响？2.在假定每种磁介质的为常数的前提下，如何解释磁导率（H/m）的物理意义？试写出可能的物理描述。—思考题—常用的铁磁材料及其特性1-2常用的铁磁材料及其特性一、铁磁物质的磁化1.很多铁磁材料在常态下不显磁性，只有通过外磁场的激励，才表现出很强的磁性。磁畴未加激励状态激励磁化状态2.一般用于电机的铁磁材料其μFe=(2000—6000)μ0，因而采用铁磁材料构成磁路——铁心，再由电场激励磁场成为产生电机电磁场的必然途径。、铁磁材料的磁化特性1-2常用的铁磁材料及其特性二、铁磁材料的磁化特性1.磁化曲线P10铁磁材料的磁化特性具有非线性的特点，当磁化强度达到一定临界值，磁感应能力开始下降2.磁滞回线P10当铁磁材料受到周期性的交变磁化时，磁化特性具有滞后回环特点。三、铁磁材料的分类和损耗1-2常用的铁磁材料及其特性三、铁磁材料的分类和损耗2.铁心损耗P12磁滞损耗：铁心的磁能热耗散涡流损耗：铁心的电热损耗1.软磁和硬磁材料的分类P12第二章直流电机原理与构造基本物理量与工作特性数学描述第二章直流电机一、直流电动机的电磁力运动现象（左手定则）2-1工作原理及结构2-1工作原理及结构1.恒定磁场，带电导体（相互垂直）f=Bil皮——萨电磁力定律ax、by段虽然有电流，由于其平行于磁力线，无切割运动，故不会产生感应力而影响旋转运动NSlaxby通电后，导体ab段受到向左的电磁力作用，导体ab段受到向右的电磁力作用，整个导体框产生以虚线为轴心得逆时针旋转运动。换向器——连续转动2-1工作原理及结构由于通电导线的空间位置不断变化，如何保证旋转方向恒定不变外电源固定极性电流三维图示+_2-1工作原理及结构外电源固定极性电流换向片一个电枢绕组电机旋转体电枢换向电刷电枢结构示意2-1工作原理及结构2-1工作原理及结构直流电源导电体电磁场左手定则瞬间旋转运动换向器持续旋转运动输出转矩产生电磁转矩直流电动机的能量变换途径：2-1工作原理及结构二、直流发电机的电磁感应现象（右手定则）1.恒定磁场，运动的导体（单方向运动）2.借助换向器，保证输出为直流电压直流电源导电体电磁场右手定则交变感应电势换向器直流感应电势输入转矩产生感应电势2-1工作原理及结构2-1+U_+Ea_+_+Ea_+_电动运行发电运行2-1工作原理及结构直流电机电气原理图2-1工作原理及结构三、直流电机的基本结构1.机械结构定子部分转子部分主磁极换向极机座电刷装置电枢铁心电枢绕组换向器2.电气结构励磁回路电枢回路主磁极换向极电刷装置电枢绕组换向器三、直流电机结构2-1工作原理及结构电枢（绕组）电刷换向器电源接线端机械连结轴主磁极，励磁绕组2-1工作原理及结构NS123784652-3直流电机的绕组结构特征直流电机电枢绕组的基本结构特征2-3直流电机的绕组为产生足够的电磁力或发电电动势需要将均匀分布的多个电枢线圈相互并串联，形成绕组。+−单绕组结构:优：增加线圈数量，在旋转一周过程中始终有一个绕组产生均衡的电磁力或发电电势。劣：任何时刻只有一个绕组产生电磁效应，结构利用率低，效能差。多绕组结构NS14328567+−该绕组结构工作时有几条电流支路？图示状态的电流路径如何，以绕组端排序表示。多绕组结构:绕组1-2，3-4，5-6，7-8共四组。利用换向片将绕组端1和8，3和2，4和5，6和7永久短接。优：通过绕组串并联，增加通电线圈的数量（匝数），大大提高了在旋转一周过程中产生的电磁力或发电电势。2-3直流电机的绕组多对极励磁12378465极对数：P=22-3直流电机的绕组多对励磁极结构:2-4直流电机的励磁方式和磁场++++并励方式他励方式串励方式2-4励磁方式复励方式一、直流电机的基本励磁结构空载和负载励磁状态2-4直流电机的励磁方式和磁场二、直流电机的空载励磁状态P30直流电机的空载状态定义：无负载的运行状态主磁通取决于励磁电流强度三、直流电机的负载励磁状态P32直流电机的负载达到一定强度后，其电枢电流的励磁作用不可忽略电枢反应：去磁作用2-6感应电动势和电磁转矩在电机的物理量中：感应电动势主要的电气特征量电磁转矩主要的机械特征量一、感应电动势Ea1.量纲：伏特2.无论导体是否带电，只要按一定方向切割磁力线，导体都将产生感应电动势。3.直流电机的感应电动势；Ce电动势常数Ea=Cen；合成磁通；n电机转速2-6感应电动势和电磁转矩ia,Фt0π2πP=2的直流电动机感应电动势分析2-6感应电动势和电磁转矩元件的指定支路边电流变化波形NNSS14328567++__电枢空间位置与电角度的关系由于磁极与换向电刷的配合,使电枢元件边的电流极性与磁极极性总保持相对一致性。当电流相角度发生半周变化即π时，元件边切割的磁通也正好发生半周变化即π。电角度+Ф-Ф2-6感应电动势和电磁转矩n602P=1：设定电枢绕组每一边支路经过磁通变化半个周期π时，需要的时间为Δt：tn604P=2：导出P38(2-18)式电枢支路边电流的电角速度ω与电枢的机械转速n的关系：nP602n：转/分（rpm）2-6感应电动势和电磁转矩求Δt时间内最后感应电势平均值，最后考虑电枢绕组总有效元件电势总量值。式2-21由电磁感应定律，匝数为Ny的元件的感应电势瞬时值表达结果：dtdNdtdey磁链感应电动势dtdNydtdetaedttE011nCenaPZEa604.推导线索电磁感应定律单位绕组以速度n旋转时的平均感应电动势考虑总量2-6感应电动势和电磁转矩电磁转矩axyxilBNf二、电磁转矩Tm2-6感应电动势和电磁转矩1.量纲：牛顿米2.具有矢量特征（顺反两种方向）。3.直流电机的电磁转矩；合成磁通Tm=CMIa；CM转矩常数；Ia电机电枢电流4.推导线索电磁力定律——单个元件所受电磁力；Ny每个元件的匝数电磁转矩2axemDfTldxBIaZTxaem04ldxBx0元件所受电磁转矩2-6感应电动势和电磁转矩；Da电枢转轴直径每极下的电磁转矩由于每个磁极下的磁通为电磁转矩amaemICIaZpT42电枢（P对磁极）总电磁转矩为2-6感应电动势和电磁转矩电磁转矩Tem的大小与每极磁通和电枢电流的乘积成正比—思考—1.当电枢回路电流为零时，是否能确定Ea为零？2.当机转速为零时，是否能断定Tem为零？机电能量的关系aaaaaemIEnIaPZIaPZIaPZT60260602三、机电能量的关系2-6感应电动势和电磁转矩EaIa：通过电磁感应输送到电机的电功率Tem：通过电枢转轴输送的机械功率转矩常数CT电动势常数Ce见P38~392-7直流电机的运行原理2-7直流电机的运行原理一、描述运行规律的一般数学表达1.电动势平衡方程式(以电枢回路为主)dtdiLRiEuaaaaaadtidLRiEuaaaaa)()(电动运行状态发电运行状态+U_+Ea_+Uf_LaRaia电动运行稳态时为零TemT2Tl—思考—一台直流电机，励磁磁场恒定，电枢电阻Ra=1，当作为电动机稳定运行时，外加Ua=200V直流电压，电枢电流为10A；当作为发电机运行时，外力拖动其稳定运行于同一转速，发电输出电流为20A。估算其输出的发电电压UF=？转矩平衡方程式2.转矩平衡方程式电动运行状态发电运行状态dtdJTTTem02dtdΩJTTT0em12-7直流电机的运行原理+U_+Uf_ia电动运行TemT2Tl稳态时为零能量平衡方程式2-7直流电机的运行原理3.能量平衡方程式(以电动机为例)emcCuaCufPpppaffUIIUUIP1mecFe20202ppPPP)ΩT(TΩememTPPCufPCuaPFePCPmecP1PemP2电功率机械功率转速特性2-7直流电机的运行原理二、直流电动机的工作特性电机为使用者提供的典型运行规律P43~45定义：在U=UN，If=IfN，电枢回路无外串电阻时，电动机的n，Tem，=f(P2或Ia)关系。1.转速特性(以并励电动机为例)n=f(Ia)aeaeICRCUn负斜率项n0nIaNIa转速特性的特殊工作点nnICRCUnaeae02-7直流电机的运行原理n0nINIan0：电机在电枢电流为0时的转速，称为电机在该工作条件下的理想空载转速。当n=nNIa=IN时：电机工作在额定工作点。理想空载点额定工作载点转矩特性aTemICT忽略电枢反应的影响2-7直流电机的运行原理——思考——电动机处于稳定空载运行时，大致在该特性的哪个位置点？2.转矩特性(以并励电动机为例)Tem=f(Ia)正斜率项Tem0TemIaNIa效率特性100%)IU(IΔU2IRIppp-1100%)Pp(1100%PPηfacaa2aCufmecFe1123.效率特性(以并励电动机为例)=f(Ia)所有的损耗和2-7直流电机的运行原理思考题2