第一章-自动控制理论

电机及拖动基础共98学时，其中实验16学时选用教材：刘振兴编电机与拖动

（华中科技大学大学出版社）第0章绪论本章主要介绍电机的简单分类、电力拖动系统的组成、主要内容、课程的性质与特点，回顾与总结本课程必须的基本电磁量、定理、定律、铁磁材料的特性。一方面便于读者对课程有一个简单了解，同时为后续章节提供基础。0.1电机及电力拖动系统概述

电机：是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置。电机动力类控制电机电动机发电机异步电机同步电机电动机发电机电动机发电机自动控制系统中的执行元件、检测元件变压器直流电机交流电机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、生产负载、控制设备和电源五个部分。电动机传动机构生产负载控制系统电源电力拖动系统电源提供电动机和控制系统所需的电能电动机完成电能向机械能的转换传动机构用于传递动力，并实现运转方式和运转速度的转换自动控制装置则控制电动机拖动负载按照设定的工作方式运行电机拖动具有良好的起、制动性能，平滑调速。世界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0.2

本课程的性质、任务与内容

性质：十分重要的专业基础课。任务：掌握常用交、直流电机及变压器等的基本结构与工作原理以及电力拖动系统的运行性能，分析计算，电机选择与实验方法，为学习后续课程准备必要的基础知识。内容：本课程的教学目的是，通过课程的学习,使学生掌握常用交、直流电机及变压器的基本结构、工作原理、运行性能和实验方法；了解交直流电力拖动的基础知识，掌握他励直流电动机启动、制动及调速等各种运行状态的静动态特性和参数计算；掌握异步电动机特性分析、启动、制动方法和交流电动机常用调速方法；同步电动机的简单原理

。电机与拖动是一门理论性很强的专业基础课，同时又具有专业课的性质，涉及的基础理论和实际知识面广，是电磁学、动力学、热力学等学科知识的综合。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。本课程的特点及学习方法为了学好本门课程，必须做到以下几点：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。参考书2、应崇实编《电机及拖动基础》机械工业出版社1、李发海、王岩编《电机与拖动基础》清华大学出版社3、顾绳谷编《电机及拖动基础》机械工业出版社4、宋银宾编《电机拖动基础》冶金工业出版社第一章磁路1-1磁路的基本定律1-2常用的铁磁材料及其特性1-3磁路的计算一、重点:1、磁路的基本定律;2、铁磁材料的特性及基本磁化曲线;3、铁心损耗.※重点与难点二、难点:

1、磁滞回线；2、铁心损耗；3、磁路的计算。1-1磁路的基本定律

一、磁路的概念:

磁路：磁通所通过的路径.见图１－１。

主磁通：由于铁心的导磁性能比空气要好得多，所以绝大部分磁通将在铁心内通过,这部分磁通称为主磁通。

漏磁通：围绕载流线圈、部分铁心和铁心周围的空间，还存在少量分散的磁通，这部分磁通称为漏磁通。

主磁路：主磁通所通过的路径。

漏磁路：漏磁通所通过的路径。励磁线圈：用以激励磁路中磁通的载流线圈。

励磁电流：励磁线圈中的电流。直流:直流磁路例如:直流电机交流:交流磁路例如:变压器

二、磁路的基本定律1．安培环路定律

定律内容:沿任何一条闭合回线，磁场强度的线积分值恰好等于该闭合回线所包围的总电流值（代数和）。

公式:

附图1-2,有:

2．磁路的欧姆定律

附图1-3a

定律内容:作用在磁路上的磁动势等于磁路内的磁通量乘以磁阻。

公式:

式中：

相应的模拟电路图1-3b.

点击书本进入例题1-1例题

[例1—1]

有一闭合铁心磁路，铁心的截面积，磁路的平均长度L=0.3m，铁心的磁导率，套装在铁心上的励磁绕组为500匝。试求在铁心中产生1T的磁通密度时，所需的励磁磁动势和励磁电流。？？？

解用安培环路定律来求解。磁场强度

磁动势

励磁电流

返回

定律内容:穿出(或进入)任一闭和面的总磁通量恒等于零(或者说,进入任一闭合面的磁通量恒等于穿出该闭合面的磁通量),这就是磁通连续性定律。

公式:

又称磁路的并联定律。

3．磁路的基尔霍夫第一定律

附图1-4

4．磁路的基尔霍夫第二定律

定律背景:磁路计算时，总是把整个磁路分成若干段，每段为同一材料、相同截面积，且段内磁通密度处处相等，从而磁场强度亦处处相等。

定律内容:沿任何闭合磁路的总磁动势恒等于各段磁路磁位降的代数和。

公式:

又称磁路的串联定律。

附图1-5返回1-2常用的铁磁材料及其特性一、铁磁物质的磁化

铁磁物质包括铁镍钴以及它们的合金。

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。

磁畴示意图1-6。

二、磁化曲线和磁滞回线

1．起始磁化曲线

定义: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.

曲线附图1-7.

分析:起始磁化曲线基本上可分为四段,如下

铁磁材料磁化曲线见示意图1-7.应用:

设计电机和变压器时，为使主磁路内得到较大的磁通量而又不过分增大励磁磁动势，通常把铁心内的工作磁通密度选择在膝点附近。

2．磁滞回线

示意图:图1-8。

剩磁:去掉外磁场之后，铁磁材料内仍然保留的磁通密度。

矫顽力:要使B值从减小到零，必须加上相应的反向外磁场，此反向磁场强度Hc称为矫顽力。

磁滞: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。

磁滞现象是铁磁材料的另一个特性。

3．基本磁化曲线

定义: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。

附示意图1-9。

三、铁磁材料

1．软磁材料

定义:

磁滞回线窄、剩磁和矫顽力都很小的材料。

附图1-11a

常用软磁材料:铸铁、铸钢和硅钢片等。

软磁材料的磁导率较高,故用以制造电机和变压器的铁心。

2．硬磁(永磁)材料

定义:磁滞回线宽、剩磁和矫顽力都很大的铁磁材料称为硬磁材料，又称为永磁材料。

附图1-11b

磁性能指标剩磁矫顽力最大磁能积种类示意图

四、铁心损耗

1．磁滞损耗

定义:

铁磁材料置于交变磁场中时，磁畴相互间不停地摩擦、消耗能量、造成损耗，这种损耗称为磁滞损耗。

公式:

应用:由于硅钢片磁滞回线的面积较小，故电机和变压器的铁心常用硅钢片叠成。

2．涡流损耗

涡流:当通过铁心的磁通随时间变化时,根据电磁感应定律,铁心中将产生感应电动势,并引起环流,环流在铁心内部围绕磁通作旋涡状流动称为涡流。示意图1-12。

定义:涡流在铁心中引起的损耗。

公式:

应用:为减小涡流损耗，电机和变压器的铁心都用含硅量较高的薄硅钢片叠成。3．铁心损耗

定义:

铁心中磁滞损耗和涡流损耗之和。

表达式:铁心损耗与频率的1.3次方,磁通密度的平方和铁心重量成正比。返回一、直流磁路的计算导言:

磁路计算时，通常是先给定磁通量，然后计算所需要的励磁磁动势。对于少数给定励磁磁动势求磁通量的逆问题，由于磁路的非线性，需要进行试探和多次迭代，才能得到解答。

1-3磁路的计算

1．简单串联磁路

定义:不计漏磁影响，仅有一个磁回路的无分支磁路.

附图1-13.

点击书本进入例题1-2例题[例1—2]

若在例l—l的磁路中，开一个长度

的气隙，问铁心中激励1T的磁通密度时，所需的励磁磁动势为多少?已知铁心截面积，。考虑到气隙磁场的边缘效应，在计算气隙的有效面积时，通常在长、宽方向务增加δ值。解用磁路的基尔霍夫第二定律来求解。铁心内的磁场强度:气隙磁场强度:铁心磁位降:气隙磁位降:励磁磁动势:返回2．简单并联磁路

定义:指考虑漏磁影响，或磁回路有两个以上分支的磁路。

点击书本进入例题1-３例题

[例1—3]

图1—14a所示并联磁路，铁心所用材料为DR530硅钢片，铁心柱和铁轭的截面积均为，磁路段的平均长度，气隙长度励磁线圈匝数匝。不计漏磁通，试求在气隙内产生=1．211T的磁通密度时，所需的励磁电流i。

解：画出图l—14b所示模拟电路图。由于两条并联磁路是对称的，故只需计算其中一个磁回路即可。根据磁路基尔霍夫第一定律，得

根据磁路基尔霍夫第二定律，

由图1—14a可知、中间铁心段的磁路长度左、右两边铁心段的磁路长度均为

(2)中间铁心段的磁位降磁通密度为(1)气隙磁位降中间铁心段的磁位降为左、右两边铁心段的磁位降为（3）左、右两边铁心的磁位降,磁通密度为

(4)总磁动势和励磁电流返回二、直流电机的空载磁路和磁化曲线

1.空载磁路及其计算

定义:直流电机的空载磁场是指励磁绕组内通有直流励磁电流时由励磁磁动势单独激励的磁场。

2.直流电机的磁化曲线

曲线示意图1-16。

电机的磁化曲线体现了电机磁路的非线性，这种非线性使电机运行特性的数学表达复杂化。工程分析中，常用线性分析加上适当修正的办法来考虑非线性的影响。

三、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。

交变磁通的效应:

(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)磁通量随时间交变，必然会在铁心中产生铁心损耗。

(3)磁饱和现象会导致电流、磁通和电动势波形的畸变。

小提示:本章内容已结束,及时复习可以巩固学习效果。返回主磁通漏磁通图1-1变压器的磁路返回漏磁通漏磁通漏磁通图1-2安培环路定律HL返回图1-3无分支铁心磁路A)无分支铁心磁路AN

i返回B)模拟电路图F返回图1-4磁路的基尔霍夫第一定律ANi返回图1-5磁路的基尔霍夫第二定律i返回

图1-6磁畴(A)未磁化

(B)磁化返回外加磁场H

BH图1-7铁磁材料的起始磁化曲线abcd返回

图1-8铁磁材料的磁滞回线HBabcdef返回

图1-9基本磁化曲线基本磁化曲线HB返回