电机与拖动 中国石油大学

绪论 中国石油大学 华东 信控学院赵仁德 一 联系方式 zhaorende础实验楼B座226集中答疑地点 基础实验楼B座226集中答疑时间 周一下午4 00 6 00其他时间 如有疑问 可以电话预约 二 关于大学生活四点建议 珍惜时间多读好书善用网络学好专业 论语别裁 老子他说 南怀瑾复旦大学出版社 求医不如求己 中里巴人中国中医出版社 学精基础 掌握技术电机与拖动基础 自动控制原理 电力系统分析 三 学习电机与拖动基础对本学科的意义 第一门专业基础课 发电机 电动机 变压器我们都要学习是电机调速的基础是电力系统相关学科的基础 四 学习这门课程的方法 重视原理 重视理解 不必过于重视计算 物理量的关系曲线 相量图 等效电路 重要的公式 温故而知新联系实际电气工程创新实验室 国家大学生创新实验 电子设计竞赛 许多公司组织的比赛问 五 说明与要求 课堂考查 课堂提问 课后作业 大作业参考书目 电机学 许实章机械工业出版社 电机与运动控制系统 杨耕罗应立清华大学出版社 电机学 A E Fitzgerald著 刘新正 苏少平译电子工业出版社 电机与拖动基础 顾绳谷机械工业出版社 0 1 1电机的主要类型 电机 0 1 2电机的发展史简介 1821 法拉第 Faraday 发现了载流导体在磁场中受力的现象 也就是电动机的作用原理 并首次用模型表演了这种电能转换为机械能的过程 这就是最早的直流电机 当时是用电池供电的 1831年 法拉第发现了电磁感应定律 第二年 皮克西 Pixii 制成一台直流发电机的原型机 第三年 楞次 Lenz 证明了电机的可逆原理 1866年 西门子兄弟 W CWSiemens 发现了发电机的自励过程 1880年 爱迪生 Edison 提出采用叠片铁心 减少铁心损耗 降低绕组温升 GE的创始人之一 0 1 2电机的发展史简介 1882年 台勃莱兹 Depratz 将米斯巴哈水电站发出的2kW的直流电 通过一条长57km的输电线送到了慕尼黑 从而为电能和电机的应用开辟了广阔的前景 1884年 霍普金森兄弟发明了具有闭合磁路的变压器 交流电的远距离输电的问题得到缓解 1885年 费拉里斯 Ferraris 制成第一台两相感应电动机 并于1888年发表了 利用交流电产生电动机旋转 的经典论文 与此同时 特斯拉 Tesla 也是独立地从事旋转磁场的研究 也发明了感应电动机 0 1 2电机的发展史简介 1889年 多利夫多夫 罗夫斯基 Doliv Dobrovsky 又进一步提出了采用三相制的建议 并设计和制造了三相感应电动机 与单相和两相系统相比 三相系统效率更高 用铜省 电机的性价比 材料的利用率有明显改进 20世纪初 交流三相制在电力工业就占据了绝对统治地位 法拉第 楞次 爱迪生 西门子 特斯拉 相信 这些名字大家都不寞生 我们应站在这些前辈的肩膀上学好电机 用好电机 0 2磁路和磁路的基本定律 一 场和路分析流动量和流动轨迹的两种抽象方法 电的良导体构成电荷运动的顺畅通道 将绝大部分电荷约束在由良导体连接的电路中 所以分析电荷运动及运动的效果时 我们分析电路就可以了 一 场和路 如果我们能用高导磁材料在磁场中构建一条顺畅的通道 让绝大多数磁力线均从这条路上走 那么 我们分析磁场问题会大大简化 一 场和路 磁通所通过的路径就叫磁路 电流通过的路径就叫电路 磁路由大部分的高导磁材料和小部分的低导磁材料构成 高导磁材料的出现 使得磁通被限制在确定的路径中 与电流被限制在电路的导体中相似 低导磁材料起的作用与电路中的阻抗相似 即限制磁路的磁通不要太大 二 基本概念和基本原理复习 1 磁场的四个基本物理量磁感应强度 单位 特斯拉 T 磁场强度 单位 A m 为介质的磁导率 磁通 单位 韦伯 Wb 磁链 单位 韦伯 Wb 二 基本概念和基本原理复习 课堂练习 0 5 对吗 二 基本概念和基本原理复习 2 法拉第电磁感应定律 楞次定律 磁生电 设匝数为N的线圈处在磁场中 它所交链的磁链为 当磁链发生变化时 在线圈中就有感应电动势产生 感应电动势的大小和磁链的变化率成正比 如果感应电动势的正方向与磁通的正方向符合右手螺旋关系 则电磁感应定律用下式表示 二 基本概念和基本原理复习 关于感应电动势的方向 有另外一种说法 感应电动势的方向是企图在线圈内产生感应电流 使之所建立的磁通用来阻止线圈中磁通的变化 即楞次定律 一般用于判断实际方向 二 基本概念和基本原理复习 正方向与实际方向的关系 正方向只是一种规定 有了这种规定 就可以用正负数来表示相同方向的量或不同方向的量 与实际方向没有任何关系 但是可以根据正方向的规定和在这种规定下物理量的正负来得到实际方向 若磁通的正方向与感应电动势的方向不符合右手螺旋法则 法拉第电磁感应定律公式应写成什么形式 为什么 二 基本概念和基本原理复习 根据法拉第电磁感应定律 写出 的表达式 课堂练习 0 4 用法拉第电磁感应定律和楞次定律两种方法 自感电动势 互感电动势 二 基本概念和基本原理复习 变压器电动势线圈和磁场相对静止 但穿过线圈的磁通本身发生变化 由此产生的感应电动势称为变压器电动势 运动电动势 旋转电动势 速率电动势若导体 磁力线和运动方向三者互相垂直 则导体内的感应电动势为 方向符合右手定则 二 基本概念和基本原理复习 3 电磁力定律 电磁作用产生力 载流导体在磁场中受到力的作用 这种力是磁场与电流相互作用产生的 故称为电磁力 若磁场与导体相互垂直 则作用在导体上的电磁力为 方向的规定 左手定则 二 基本概念和基本原理复习 左手定则和右手定则只是一种正方向的约定 如果不是这样的约定 前面的两个公式要带负号 与右手螺旋法则一样 二 基本概念和基本原理复习 4 安培环路定理 也称全电流定律 电生磁 在电机和变压器中 我们认为没有变化的电场 所以可以简化为 这仍是一个场的问题 如果由高导磁材料构成磁路 如下图所示 则可以写成分段形式 二 基本概念和基本原理复习 F为作用在整段磁路上的磁动势 与磁通的正方向一致 与电流i符合右手螺旋法则 在单回路的电路中 电流处处相等 那么在单回路的磁路中 什么处处相等 H1和H2相等吗 分段的原则 H相同 即截面积相同 材料相同 三 磁路的基本定律 1 磁路的欧姆定律 设铁心处处截面积相等不计漏磁磁通磁通均匀通过各截面 且垂直于各截面 三 磁路的基本定律 三 磁路的基本定律 2 磁路的基尔霍夫第一定律 三 磁路的基本定律 3 磁路的基尔霍夫第二定律 例1如图所示的磁路有尺寸Ac Ag 9cm2 lg 0 05cm lc 30cm N 500匝 假设铁芯材料的磁导率 r 7000 相对磁导率 求 1 磁阻Rmc和Rmg 2 对于磁路工作在Bc 1 0T的情况 求出磁通 电流i和线圈的自感 3 已知单位体积内的磁场能量为BH 2 比较铁芯和气隙中储存的磁场能量 假设i不变 气隙过大和过小对磁路的储能有何影响 线圈两端施加的正弦交流电压的幅值和频率不变呢 1 气隙的磁阻和铁芯的磁阻之比为35 3 磁通相同 所以 气隙上的磁压降与铁芯上的磁压降之比为35 3 通常 铁芯中的磁压降可以忽略不计 2 线圈的自感与匝数的平方成正比 与整个磁路的磁阻成反比 与整个磁路的磁导成正比 与电路相对比 高导磁材料的作用与导线类似 就是构建磁通的便捷通路 3 0 3电机中铁磁材料的特性 高导磁材料也叫磁性材料 是指具有高导磁性能铁 钴 镍及其合金 这其中以铁及铁合金应用最广 所以一般又称为铁磁材料 最基本的特性 良好的导电性 高导磁性及磁化曲线的非线性 磁滞现象与磁滞损耗 涡流现象与涡流损耗 1 良好的导电性虽然电阻率较大 与铜 铝相比较 但仍是电的良导体 2 高导磁性与磁化曲线的非线性 0 3电机中铁磁材料的特性 磁畴假说 磁畴假说 没有外加磁场时 铁磁材料内部的磁畴杂乱无章 相互抵消磁作用 对外不呈现磁性 一旦将铁磁物质放入磁场 在外施磁场的作用下 磁畴的方向趋向一致 形成一个附加磁场 叠加在外磁场上 从而使磁场大大加强 两种思路 1 塑料环的磁场只是由电流励磁产生的 而铁芯中的磁场由两部分叠加而成 一部分是由电流励磁得到的磁场 铁心经磁化后 内部的磁畴变成同一方向 对外磁场有加强作用 2 励磁电流一样 磁路的总的磁动势一样 但后者的磁路的磁阻小 所以磁通大 所以B大 材料的导磁性能用磁导率来表示 如何来测材料的磁导率 先想一下 电阻率是如何测的 利用欧姆定律电压除以电流 测出电阻 然后测算出导线的长度和截面积 利用电阻公式可求电阻率 类比 可测磁导率 磁滞损耗的相关因素 最大磁感应强度 励磁频率 材料 3 磁滞 磁滞回线 剩磁 基本磁化曲线 磁滞损耗 4 涡流及涡流损耗 叠片来减少涡流 是谁的创意 涡流损耗的影响因素 磁通的交变频率 磁通密度幅值 铁心的电阻率及铁心厚度 本章小结 重点掌握正方向的含义 理解它与实际方向之间的关系掌握法拉第电磁感应定律 电磁力定律 安培环路定理理解磁路的概念掌握磁性材料的特性 良好的导电性 高导磁性 磁化曲线的非线性 理解磁滞损耗和涡流损耗产