电机与拖动基础C01电机基本原理-修改

1、电机与拖动基础电机与拖动基础C01C01电机基本原理电机基本原理2021-12-132电机是什么？电机是一种装置，一种能量转换装置。1.1 电机的分类和应用电机的分类和应用2021-12-132021-12-13101.1.1 什么是电机什么是电机 在电能的生产、转换、传输、分配、使用与控制等方面，都必须通过能够进行能量(或信号)传递与变换的电磁机械装置，这些电磁机械装置被广义地称为电机。通常所说的电机，是指那些利用电磁感应原理设计制造而成的、用于实现能量(或信号)传递与变换的电磁机械的统称。 2021-12-1311按电机的功能来分类，电机可分为：按电机的功能来分类，电机可分为： (1) 发

2、电机-把机械能转变成电能； (2) 电动机-把电能转变成机械能； (3) 变压器、变频机、变流机、移相器等，是分别用于改变电压、频率、电流及相位的，即把一种类型的电能转变成另一种类型的电能； (4) 控制电机-应用于各类自动控制系统中的控制元件。 1.1.1 什么是电机什么是电机 2021-12-1312 始于 19 世纪 6070 年代的第二次工业技术革命是以电力的广泛应用为显著特点的。从此人类社会由蒸汽机时代步入了电气化时代。在法拉第电磁感应定律基础上，一系列电气发明相继出现。1866 年，德国工程师西门子制成发电机；1870 年比利时人格拉姆发明了电动机，电力开始成为取代蒸汽来拖动机器的

3、新能源。随后，各种用电设备相继出现。1882年法国学者德普勒发明了远距离送电的方法。同年，美国著名发明家爱迪生创建了美国第一个火力发电站，把输电线结成网络。从此电力作为一种新能源而广泛应用。那时，电机刚刚在工业上初步应用，各种电机初步定型，电机设计理论和电机设计计算初步建立。 1.1.2 电机及电力拖动的发展概况电机及电力拖动的发展概况 2021-12-1313 随着社会生产的发展和科技的进步，对电机也提出了更高的要求，如：性能良好、运行可靠、单位容量的重量轻体积小等，而且随着自动控制系统的发展要求，在旋转电机的理论基础上，又派生出多种精度高、响应快的控制电机，成为电机学科的一个独立分支。电机

4、制造也向着大型、巨型发展。中小型电机正向多用途、多品种方向发展，向高效节能方向发展。各种响应快速、起停快速的种电机在各种复杂的计算机控制系统和无人工厂中实现了比人的手脚更复杂而精巧的运动。古老的电机学已经和电力电子学、计算机、控制论结合起来，发展成了一门新的学科。 1.1.2 电机及电力拖动的发展概况电机及电力拖动的发展概况 1.1.2 电机及电力拖动的发展概况电机及电力拖动的发展概况 在我国，电机制造业也发生了巨大的变化。我国的电机生产从 1917 年至今已有 80 多年的历史，经过改革开放 20 多年的发展，特别是近 10 年的发展，有了长足的进步，令世人瞩目。目前已经形成比较完整的产业体

5、系，电机产品的品种、规格、性能和产量满足了我国国民经济发展的需要。而且一些产品已经达到或接近世界先进水平。 2021-12-132021-12-1315 我国的电力拖动系统取得的发展是有目共睹的，但是，与国外比较，还是有很大差距。主要体现在：技术水平相对较低、拖动运行效率不高、成套技术不成熟等。目前，正在奋起直追，狠抓基础，开展一些关键技术的研究，以期尽快缩短和国外的差距，力争达到拖动系统的综合技术经济指标最佳。 1.1.2 电机及电力拖动的发展概况电机及电力拖动的发展概况 2021-12-1316 我国的电力拖动系统取得的发展是有目共睹的，但是，与国外比较，还是有很大差距。主要体现在：技术水

6、平相对较低、拖动运行效率不高、成套技术不成熟等。目前，正在奋起直追，狠抓基础，开展一些关键技术的研究，以期尽快缩短和国外的差距，力争达到拖动系统的综合技术经济指标最佳。 1.1.2 电机及电力拖动的发展概况电机及电力拖动的发展概况 2021-12-132021-12-1317 但电机根据不同的应用，按照不同的设计和驱动方式进行了基本的分类。 1.1.3 电机的种类与应用电机的种类与应用 图1-1 电机种类示意图2021-12-132021-12-1318 电气化、信息化时代，在性能、可靠性及容量等方面，对电机提出了更高的要求。交流变频调速系统及变频电机、大功率无刷直流电机、永磁同步无刷电机等得

7、到了很大发展。 电力拖动技术发展至今，它具有许多其他拖动方式无法比拟的优点。它启动、制动、反转和调速的控制简单、方便、快速且效率高；电动机的类型多，且具有各种不同的运行特性来满足各种类型生产机械的要求；整个系统各参数的检测和信号的变换与传送方便，易于实现最优控制。因此，电力拖动已成为国民经济电气自动化的基础。 1.1.3 电机的种类与应用电机的种类与应用 2021-12-132021-12-13191.2 常用的基本电磁定律常用的基本电磁定律2021-12-13201.2.1 电路定律电路定律 1）欧姆定律 流过电阻R的电流I的大小与加于电阻两端的电压U成正比，与电阻R的大小成反比。对直流电路

8、的公式为UIRUIRURI 对于正弦交流电路，电阻R改为阻抗Z，电压与电流以复数有效值表示，公式为UIZ2021-12-13211.2.1 电路定律电路定律 如设流进节点的电流为正，则流出节点的电流为负。 0I或0i对于正弦交流电路，公式为0I 2）基尔霍夫第一定律（电流定律） 对电路中任意一个节点，电流的代数和等于零。对于直流电路的公式为 2021-12-13221.2.1 电路定律电路定律 式中各个电压和电动势，凡是正方向与所取回路巡行方向相同者为正，相反者为负。ue或UE对于正弦交流电路，公式为3）基尔霍夫第二定律（电压定律） 对于电路中的任一闭合回路，所有电压降的代数和等于所有电动势的

9、代数和，对于直流电路，公式为UE2021-12-13231电流磁效应 凡是电流均会在其周围产生磁场，叫电流的磁效应，即所谓“电生磁”。例如电流通过一根直的导体，在导体周围产生的磁场用磁力线描写时，磁力线以导体为轴线的同心圆，磁力线的方向可根据电流的方向由右手螺旋定则确定，即将右手四指轻握作螺旋状，大拇指伸直，当大拇指指向电流方向，则弯曲的四指所指方向即为磁力线方向。如果是电流通过导体绕成的线圈，产生的磁场的磁力线方向仍可用右手螺旋定则确定，这时，使弯曲的四指方向与电流方向一致，则大拇指的方向即为线圈内磁力线的方向。1.2.2 全电流定律全电流定律 2021-12-13242磁路的几个基本物理量

10、（1）磁感应强度 磁场中任意一点的磁感应强度B的方向，即过该点磁力线的切线方向，磁感应前度B的大小为通过该点与B垂直的单位面积上的磁力线的数目。磁感应强度B的单位为T，工程上常沿用Gs为单位，其换算关系为 1T=104Gs 1.2.2 全电流定律全电流定律 2021-12-13251.2.2 全电流定律全电流定律 磁通的单位为Wb，有时沿用Mx为单位，其换算关系为 1Wb=108 MxBS磁场均匀且与截面垂直时，上式可简化为sBds（2）磁感应通量 穿过某一截面的磁感应强度的通量，即穿过某截面的磁力线的数目，故称为磁感应通量，简称磁通。2021-12-13261.2.2 全电流定律全电流定律

11、为此，磁感应强度B又称为磁通密度。其单位与磁通和面积的单位相对应，即 1T=1 Wb/ m2 1Gs=1 Wb/ cm2BS 由上式可知，磁场均匀，且磁场与截面垂直时，磁感应强度的大小可用下式表示2021-12-132021-12-13271.2.2 全电流定律全电流定律 0r其他导磁介质的导磁率通常用 的倍数来表示，即mH /1047-0为导磁介质的磁导率，反映导磁介质性能的物理量，磁导率大则导磁性能好。磁导率的单位/，真空中的磁导率（3）磁场强度 磁场强度H是为建立电流与由其产生的磁场之间的数量关系而引入的物理量，其方向与B相同，其大小与B之间相差一个导磁介质的磁导率即710BH或2021

12、-12-13281.2.2 全电流定律全电流定律 3全电流定律 磁场中沿任一闭回路的磁场强度的线积分等于该闭回路所包围的所有导体电流的代数和。 这就是全电流定律。当导体电流的方向与积分路径的方向符合右螺旋关系时为正，反之为负。lHdlI2021-12-1329所谓磁路，即磁通流经的路径。图1-2 无分支磁路1.2.3 磁路及磁路定律磁路及磁路定律 图1-2 无分支磁路mmFRFAlNilHlNiA1.磁路的欧姆定律将全电流定律用于图1-2所示的无分支磁路，可得HlINi2021-12-13301.2.3 磁路及磁路定律磁路及磁路定律 mmR1AlRm 磁路中的磁通 与作用在该磁路的上的磁动势成

13、正比，与磁路的磁阻成反比，称为磁路的欧姆定律。磁阻磁导2021-12-13311.2.3 磁路及磁路定律磁路及磁路定律 0321图1-3中，图1-3 磁路的基尔霍夫律第一定律02磁路的基尔霍夫第一定律 对任一封闭面而言，穿入的磁通等于穿出的磁通，这是磁通连续原理。对有分支的磁路在磁通汇合处的封闭面上磁通的代数和等于零，即2021-12-13321.2.3 磁路及磁路定律磁路及磁路定律 22112211221121mmRRlHlHiNiNFF磁压降的代数和等于磁动势的代数和。图例中 3磁路的基尔霍夫第二定律 将全电流定律应用到任一闭合磁路上，有mRFNiHlldH2021-12-13331.2.

14、3 磁路及磁路定律磁路及磁路定律 磁路和电路的差别：（1）电路可以有电势无电流，磁路中有磁动势必然有磁通；（2）电路中有电流就有损耗（ ），恒定磁通下，磁路中无损耗；（3） 而， 磁路中必须考虑漏磁通；（4）电阻率 在一定温度下恒定不变，而铁磁材料构成的磁路中， 随 变化，即 随饱和度增加而增加。 mRB2010绝导GG043)1010(FeRI22021-12-1334 磁场变化会在线圈中产生感应电动势，感应电动势的大小与线圈的匝数N和线圈所交链的磁通对时间的变化率 成正比，这是电磁感应定律。当按惯例规定电动势的正方向与产生它的磁通的正方向之间符合右手螺旋关系时，感应电动势的公式为ddeNd

15、tdt 因磁通量变化产生感应电动势的现象，闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁感线的运动时，导体中就会产生电流，这种现象叫电磁感应，产生的电流称为感应电流。 1.2.4 电磁感应定律电磁感应定律 2021-12-1335 电动势的方向（公式中的负号）由楞次定律提供。楞次定律指出：感应电流的磁场要阻碍原磁通的变化。对于动生电动势也可用右手定则判断感应电流的方向，进而判断感应电动势的方向。传统上有两种改变通过电路的磁通量的方式。至于感应电动势时，改变的是自身的磁场。而至于动生电动势时，改变的是磁场中的整个或部份电路的运动。1.2.4 电磁感应定律电磁感应定律 感应电动势的大小由法拉第电磁感应定律确

16、定：deNdt 2021-12-13361变压器电动势 线圈与磁通之间没有相对切割关系，仅由线圈交链的磁通发生变化而引起的感应电动势称为变压器电势。这类电动势又分自感电动势和互感电动势两种。1.2.4 电磁感应定律电磁感应定律 lllddNdtdte （1）自感电动势eL 线圈中流过交变电流i时，由i产生的与线圈自身交链的磁链亦随时间发生变化，由此在线圈中产生的感应电动势称为自感电动势，用eL表示，则公式为2021-12-13371.2.4 电磁感应定律电磁感应定律 式中l-自感磁通；llN-自感磁链。 线圈中流过单位电流所产生的自感磁链称为线圈的自感系数L,即lLI自感系数L为常数时，自感电

17、动势的公式可改为lLddiLdtdte 2021-12-13381.2.4 电磁感应定律电磁感应定律 -线圈1产生而与线圈2交链的互感磁链。21221N式中 eM2 -线圈2中产生的互感电动势；dtddtdNeM21212（2）互感电动势eM 在相邻的两个线圈中，当线圈1中的电流 交变时，由它产生并与线圈2相交链的磁通 亦发生变化，由此在线圈2产生的感应电动势称为互感电动势，用eM表示，则其公式为1i212021-12-13391.2.4 电磁感应定律电磁感应定律 式中 -磁场的磁感应强度； -导体切割磁力线部分的有效长度； -导体切割磁力线的线速度。vBl2.运动电动势（速率电动势） 若磁场

18、恒定，构成线圈的导体切割磁力线，使线圈交链的磁通发生变化，导体中感应的电动势称为运动电动势，三方向互相垂直时，其大小为：eB lv2021-12-13401.2.5 电磁力定律电磁力定律 就是通常所说的电磁力定律，也叫毕奥萨伐电磁力定律。式中电磁力F、磁场B和载流导体I的关系由左手定则（又称电动机定则）确定。 显然，当磁场与载流导体相互垂直时，由式子 计算的电磁力有最大值。普通电机中，通常沿轴线方向，而 在径向方向，正是出于这种考虑。这种考虑与产生最大感应电动势的基本设计准则完全一致，实际上隐含了电机的可逆性原理。 载流导体在磁场中要受到电磁力的作用，三方向互相垂直时，其大小为fBli2021

19、-12-1341 能量守恒定律（energy conservation law）即热力学第一定律是指在一个封闭（孤立）系统的总能量保持不变。其中总能量一般说来已不再只是动能与势能之和，而是静止能量（固有能量）、动能、势能三者的总量 。 能量守恒定律可以表述为：一个系统的总能量的改变只能等于传入或者传出该系统的能量的多少。总能量为系统的机械能、热能及除热能以外的任何内能形式的总和。 如果一个系统处于孤立环境，即不可能有能量或质量传入或传出系统。对于此情形，能量守恒定律表述为： “孤立系统的总能量保持不变。”1.2.6 能量守恒定律能量守恒定律 2021-12-13421.2.6 能量守恒定律能量

20、守恒定律 能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到其它物体，而能量的总量保持不变。能量守恒定律是自然界普遍的基本定律之一。 机械能、化学能、热能、电（磁）能、辐射能、核能等不同类型的能量之间相互转化的方式多种多样。例如，最常见的电能（交流电和电池）可以由多种其他形式的能量转变而来，如机械能电能的转变（水力发电）、核能热能机械能电能的转变（核能发电）、化学能电能的转变（电池）等。1.3 磁路计算仿真磁路计算仿真2021-12-132021-12-1344例题例题1-1绘制磁化曲线问题,用M语言编写绘制磁化曲线的MATLAB程序如下：clcclea

21、rHdata=38,59,67,71,77,83.5,88,97,100,112, 120, .135,147,165,183,196,210,237, 300,375, .410,533,600,750,900, 1250,2000 ; % 磁场强度H值Bdata=0.2:0.05:1.50; % 磁感应强度B值ydata=0:0.001:1.6; % y坐标01.6xdata=interp1(Bdata,Hdata,ydata,spline); % 1.3 全电流定律全电流定律 2021-12-1345采用样条插值的方法分析数据plot(Hdata,Bdata,*); % 用*描点绘制磁化

22、曲线hold on % 保持当前坐标轴和图形plot(xdata,ydata); % 绘制x，y坐标hold on % 保持当前坐标轴和图形title(磁化曲线) % 标题磁化曲线xlabel(itH(A/m) % x坐标标签H(A/m)ylabel(itB(T) % y坐标标签B(T)ylim(0,1.80) % y坐标标注01.81.3 全电流定律全电流定律 2021-12-1346仿真结果如图1-4所示1.3 全电流定律全电流定律 -1000010002000300040005000600000.20.40.60.811.21.41.61.8磁 化 曲 线H(A/m)B(T)图1-4 磁化曲线2021-12-1347例题例题1-2 用MATLAB计算励磁电流,已知：铁心截面积为0.008平方米，叠片系数0.94。程序如下：clc % 清除主程序窗口clear % 清除变量空间的变量A=0.8*1e-2; % 已知铁心截面积m2kFe=0.94; % 已知铁心叠片系数Ph=1*1e-3; % 需产生的磁通量Wbu0=4*pi