电机及拖动基础第一章

电机及拖动基础第四版冯浩源电机与拖动课程介绍

本课程主要讲授直流电动机、变压器、交流异步电动机的构成及原理，内部电、磁、力关系，能量转换关系等。在此基础上，讲解电机的外部特性及其起动、制动、调速特性。拖动系统的动力学特征。介绍部分控制电机。本课既是研究该领域的基础理论学科，又是一门独立的基础应用课，可以直接为工农业生产服务。本科程的理论性与实践性都很强。通过本课程学习，使学生掌握各种电机的基本结构与工作原理，独立分析电力拖动系统各种运行状态，掌握有关计算方法，合理地选择和使用电动机，为本专业“运动控制专业方向”的专业课打下基础。2（一）目的：本课程是“工业自动化”专业的一门专业基础课。“电机及其拖动系统”作为自动化专业的典型控制对象。本课程的目标一方面是从理论的角度讲清楚电机内部电、磁、力的相互关系，同时从拖动系统角度观察，电机只是个控制对象，所以更应突出电机的外部特性及其形成的原因。本课程是自动化专业后续课程的基础（体现它的基础性），又是具体的工程实际对象（体现它的专业性）。（二）任务：要从理论的角度讲清楚电机内部的电、磁、力的相互关系，外部的基本特性。同时处理好时间、空间、线性、非线性、电路、磁路、旋转、静止等的关系，以及如何将一个实际问题转换为理论问题和在理论指导下分析实际问题的能力。本课程的目的和任务3本课程的基本要求及讲授大纲

第一章：磁路（2学时）（一）基本要求：本章复习磁路的基本知识和基本定律和计算方法，主要讲述磁路的欧姆定律、基尔霍夫第一定律、基尔霍夫第二定律。通过磁路和电路的类比，建立起较清晰的磁路概念。（二）内容：第一节：磁路的基本定律第二节：常用的铁磁材料及其特性第三节：直流磁路计算4第二章：直流电机（8学时）（一）基本要求：直流电动机的基本原理、基本结构、磁路、主极磁场、电枢绕组（单波）、电枢磁场（静止特征）、电枢反应；电磁转矩、电枢电动势的计算；电动势及功率平衡方程式；机械特性及励磁方式对其的影响。熟练掌握和运用他励直流电动机的等值电路图。（二）内容：第一节：直流电动机的工作原理及结构，实验室参观第三节：直流电动机的绕组第四节：直流电动机的励磁方式及磁场第五节：感应电动势和电磁转矩的计算第六节：直流电机的运行原理第七节：直流电机的换向5第三章：变压器（6学时）（一）基本要求：掌握变压器的基本原理、结构；三种分析方法，特别是对等值电路图的理解；变压器的空载和短路实验；三相变压器的连接组别的判断。（二）内容：第一节：变压器的工作原理、分类及结构第二节：单相变压器的空载运行第三节：单相变压器的基本方程式第四节：变压器的等效电路及相量图第五章：等效电路的参数测定第六节：三相变压器第七节：变压器的稳态运行第八节：自耦变压器与互感器6第四章：三相异步电动机的基本原理（4学时）（一）基本要求：掌握三相异步电动机的原理、结构；熟悉三相异步电动机绕组及其磁势；掌握三相异步电动机内部的电磁过程和三种分析方法，特别是等值电路图和变压器等值电路图的比较；掌握三相异步电动机的功率、转矩平衡方程式；掌握三相异步电动机的机械特性；熟悉参数测定方法。（二）内容：第一节：三相异步电动机的工作原理及结构第三节：三相异步电动机的定子绕组第四节：三相异步电动机的定子磁动势及磁场第五节：三相异步电动机定子绕组的电动势7第五章：三相异步电动机的运行原理（6学时）（一）基本要求：掌握三相异步电动机内部的电磁过程和三种分析方法，特别是等值电路图和变压器等值电路图的比较；掌握三相异步电动机的功率、转矩平衡方程式；掌握三相异步电动机的机械特性。（二）内容：第一节：三相异步电动机运行时的电磁过程第二节：三相异步电动机的等效电路及相量图第三节：三相异步电动机的功率和转矩8第七章：控制电机（2学时）（一）基本要求：在熟悉一般电机基本原理的基础上，了解几种常用的控制电机的工作原理和基本结构，以便在电力拖动系统中的正确使用这些控制电机。（二）内容：第一节：伺服电动机第二节：测速发电机第三节：自整角机第四节：旋转变压器9第八章：电力拖动系统动力学基础（2学时）（一）基本要求：讲解电力拖动的机械特性与过渡过程，分析运动方程，对方程中各参数的折算方法进行分析和生产机械的负载转矩特性（二）内容：第一节：电力拖动系统的运动方程式第二节：工作机构转矩、力、飞轮惯量和质量的折算第三节：电动机和工作机构间速比可变的系统第五节：生产机械的负载转矩特性10第九章：直流电动机的电力拖动（4学时）（一）基本要求：掌握工作机械的负载特性；掌握直流电动机的启动和调速的基本方法；掌握他励直流电动机的四象限运行；比较熟练地掌握各种制动状态及其计算。重要概念：工作机械的负载特性、直流电动机的启动、调速、制动（二）内容：第一节：他励直流电动机的机械特性第二节：他励直流电动机的起动第三节：他励直流电动机的制动第四节：他励直流电动机的调速11第十章：三相异步电动机机械特性

及各种运转状态（2学时）（一）基本要求：主要学习三相异步电动机机械特性和在各种运转状态下机械特性的计算，着重介绍机械特性三种表达式的建立、固有机械特性与人为机械特性的分析及绘制方法。（二）内容：第一节：三相异步电动机机械特性的三种表达式第二节：三相异步电动机的固有机械特性与人为机械特性12第十一章：三相异步电动机的起动

及起动设备的计算（4学时）（一）基本要求：全面介绍三相异步电动机的各种起动方法和起动电阻与起动设备的计算方法。（二）内容：第一节：三相异步电动机的起动方法第三节：三相笼型异步电动机定子对称起动电阻的计算第四节：三相笼型异步电动机起动自耦变压器的计算第五节：三相绕线转子异步电动机转子对称起动电阻计算13第一章磁路第一节磁路的基本定律

电机是进行机电能量转换的装置

机电能量转换的媒介是磁场，磁场的路径称为磁路。在工程中，通常将磁场问题简化为磁路问题。14一.磁场的几个常用量

磁感应强度（又称磁通密度）B

——表征磁场强弱及方向的物理量。单位：Wb/m2(或:T特斯拉)

磁通量Φ

——垂直穿过某截面积的磁力线总和。单位：Wb

磁场强度H

——计算磁场时引用的物理量。

B=μH

，单位：A/m(或:Oe奥斯特)15磁通所通过的路径称为磁路二.磁路的概念通过铁心内的磁通称为主磁通，主磁通用来进行能量转换或传递。围绕载流线圈，在部分铁心和铁心周围，还存在少量分散的磁通，称为漏磁通，漏磁通不参加能量转换和传递。16用以激励磁路中磁通的载流线圈称为励磁线圈，励磁线圈中的电流称为励磁电流。若励磁电流为直流，磁路中的磁通是恒定的，这种磁路称为直流磁路，直流电机的磁路属于直流磁路。若励磁电流为交流，磁路中的磁通是随时间变化而变化的，这种磁路称为交流磁路，变压器、感应电机的磁路属交流磁路。17三、磁路的基本定律1、安培环路定律

沿任何一条闭合回线L，磁场强度H的线积分等于该闭合回线所包围的电流的代数和。

如果在均匀磁场中，沿着回线L磁场强度H处处相等，则182、磁路的欧姆定律

作用在磁路上的磁动势

F

等于磁路内的磁通量Φ乘以磁阻Rm。磁通量Φ等于磁通密度乘以面积

磁场强度等于磁通密度除以磁导率

于是令：则：F：作用在铁心磁路上的安匝数，称为磁路的磁动势，单位：ARm:磁路的磁阻，取决于磁路的尺寸和材数的磁导率，单位H-119磁路与电路的类比：与电路中的欧姆定律在形式上十分相似。磁路磁动势等于磁通乘以磁阻电路电动势等于电流乘以电阻磁通量Φ类比于电流I，用相应的模拟电路来说明。20

[例1-1]有一闭合铁心磁路，铁心的截面积A=9×10-4m2,磁路的平均长度

l=0.3m，铁心的磁导率μFe=5000μ0，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，需要多少励磁磁动势和励磁电流？解用安培环路定律求解如下,已知:B=1T213、磁路的基尔霍夫定律（1）磁路的基尔霍夫电流定律或

穿出或进入任何一闭合面的总磁通恒等于零。22（2）磁路的基尔霍夫电压定律沿任何闭合磁路的总磁动势恒等于各段磁路磁位差的代数和。实际上，电机和变压器的磁路是由数段不同截面，不同铁磁材料的铁心组成，其中还可能含有气隙。在计算磁路时，总是把整个磁路分成若干段，每一段由同一材料构成、截面积相同且段内磁通密度处处相等。这样总的磁动势为：23磁路和电路有相似之处，却要注意有以下几点差别：1）电路中有电流I时，就有功率损耗；而在直流磁路中，维持一定磁通量，铁心中没有功率损耗。2）电路中的电流全部在导线中流动；而在磁路中，总有一部分漏磁通。3）电路中导体的电阻率在一定的温度下是恒定的；而磁路中铁心的导磁率随着饱和程度而有所变化。4）对于线性电路，计算时可以用叠加原理；而在磁路中，B和H之间的关系为非线性，因此计算时不可以用叠加原理。24第二节常用铁磁材料及其特性

一、铁磁物质的磁化

在外磁场的作用下，磁畴顺着外磁场方向转向，排列整齐，显示出磁性。磁化磁场叠加在外磁场上，使合成磁场在为加强，由于磁畴产生的磁化磁场比非铁磁物质在同一磁场强度下所激励的磁场强得多，所以铁磁材料的磁导率μFe

要比非铁磁材料大得多。μFe=（2000～6000）μ0μ0=4π×10-7H/m25二、磁化曲线和磁滞回线1、起始磁化曲线

将一块未磁化的铁磁材料进行磁化，当磁场强度H由零逐渐增加时，磁通密度B将随之增加。用B=f(H)描述的曲线就称为起始磁化曲线。开始磁化时，外磁场较弱，磁通密度增加不快，如Oa段，随着外磁场的增强，铁磁材料内部大量的磁畴开始转向，此时B值增加得很快，如ab段，若外磁场继续增加，可转向的磁畴越来越少，B值增加得越来越慢，如bc段，这种现象称为饱和。达到饱和后，磁化曲线基本上与非铁磁材料的特性相平行的直线。如cd段。磁化曲线开始拐弯的b点，称为膝点或饱和点。26由于铁磁材料的磁化曲线不是一条直线，所磁导率也不是常数，将随着H值的变化而变化。进入饱和区后，μFe急剧下降，直到趋近于μ0，这表明，在铁磁材料中，磁阻随饱和度增加而增大。μfe各种电机、变压器的主磁路中，为了获得较大的磁通量，又不过分增大磁动势，通常把铁心内工作点的磁通密度选择在膝点附近。272、磁滞回线剩磁——当H从零增加到Hm时，B相应地从零增加到Bm；然后再逐渐减小H，B值将沿曲线ab下降。当H=0时，B值并不等于零，而是Br。这就是剩磁。磁滞回线——当H在Hm和－

Hm之间反复变化时，呈现磁滞现象的B－H闭合曲线，称为磁滞回线。283、基本磁化曲线

对同一铁磁材料，选择不同的Hm反复磁化，得到不同的磁滞回线。将各条回线的顶点连接起来，所得曲线称为基本磁化曲线。29三、铁磁材料1、软磁材料：磁滞回线较窄。剩磁和矫顽力都小的材料。软磁材料磁导率较高，可用来制造电机、变压器的铁心。2、硬磁材料：磁滞回线较宽。剩磁和矫顽力都大的铁磁材料称为硬磁材料，可用来制成永久磁铁。30四、铁心损耗1、磁滞损耗——材料被交流磁场反复磁化，磁畴相互摩擦而消耗的能量。2、涡流损耗——铁心内部由于涡流在铁心电阻上产生的热能损耗。3、铁心损耗——磁滞损耗和涡流损耗之和。31第三节直流磁路的计算

磁路计算正问题——给定磁通量，计算所需的励磁磁动势磁路计算逆问题——给定励磁磁势，计算磁路内的磁通量磁路计算正问题的步骤：1）将磁路按材料性质和不同截面尺寸分段；2）计算各段磁路的有效截面积Ak和平均长度lk；3）计算各段磁路的平均磁通密度Bk

，Bk=Φk/Ak；4）根据Bk求出对应的Hk；5）计算各段磁位降Hklk，最后求出

F=∑Hklk。磁路计算逆问题——因为磁路为非线性的，用试探法。32一、简单串联磁路

[例1-2]铁心由铸钢和空气隙构成，截面积AFe=0.