电机与拖动基础1

Ph fV HdB
• 实验证明，磁滞回线的面积与磁通密度的最大值Bm的n次方成 正比。有
n Ph Ch fBmV
铁磁材料
• 铁心损耗
– 涡流损耗
• 铁心是导电的，但通过铁心的磁通随时间变化 时，由电磁感应定律知，铁心中将产生感应电 动势，并引起环流。
2 Pe Ce 2 f 2 BmV
电子与信息工程学院
电机与拖动基础
主讲教师：朱劲
课程概述
• 生产机械拖动
– 大部分早期的生产机械设备由蒸汽机拖动 – 20世纪开始大量使用电机来拖动生产机械设备 – 电机拖动历程
• 直流—交流 • 单电机—多电机
– 控制要求
• 高速—高精度，电机力矩，多电机之间张力，电机伺服等
– 随着电力电子、计算机技术和现代控制理论发展，电 机拖动向全面数字化方向进展
课程概述
• 本课程是自动化专业一门专业基础课 • 任务
– 掌握常用交、直流电机，变压器的基本结构、工作原 理 – 电力拖动系统的运行分析与计算，设备选择与实验
• 内容
– 研究电机与电力拖动系统的基本理论问题。 – 具有“电机学”和“电力拖动基础”的基本内容
• 特点
– 将电机原理与电力拖动二门课程结合而成的，其理论 性较强，又非常强调实践性
• 右手螺旋定则
– 为形象地描述磁场，引入磁感应线(磁力线)的概念。 – 磁力线是无头无尾的闭合曲线 – 磁力线方向和电流方向满足右手螺旋定则
基本概念
• 描述磁场的基本物理量
– 磁通Ф
• 也称为磁通量，磁感应通量。单位为韦伯(Weber) • 表征磁介质或真空中磁场分布的物理量 • 在磁场中，穿过截面S的磁通量为
• 基尔霍夫第一定律
– 穿出或者进入任何闭合面的总 磁通恒为零
• 对于有分支的磁路，取闭合面A， 设进入闭合面的磁通为负，穿出 闭合面的磁通为正，有

对比
1
2 3 0
电路中的基尔霍夫第一定律(节点电流)
i 0
磁路基本定律
• 基尔霍夫第二定律
– 沿任何闭合磁路的总磁动势恒等于 各段磁压降的代数和
• 电路通常满足线性特点，可以采用叠加原理进行计算 • 磁路通常呈现非线性特点，计算时通常不能采用叠加原理
铁磁材料
• 铁磁物质的磁化
– 铁磁物质
• 铁、镍、钴等以及它们的合金
– 将铁磁材料置于磁场中，这些材料的磁性会显 著增强，从而表现出很强的磁性。
• 磁畴
– 没有外磁场，排列混乱，磁效应互相抵消 – 有外磁场，顺外磁场转向，排列整齐，显示出磁性 » 产生磁化磁场 » 铁磁材料产生的磁化磁场比非铁磁材料大很多 » μFe=（ 2000-6000 ）μ0
–有

NI Hl l F Rm
B


l A
磁路基本定律
• 磁路的欧姆定律
F Rm l Rm A
对比
电路中的欧姆定律
V IR l R A
注意： 电导率通常为常数，而磁导率一般不为常数
磁路基本定律
• 示例
– 有一闭合铁心磁路，铁心截面积A=9×10-4m2，磁路的 平均长度l=0.3m，铁心的磁导率为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。
制动特性、各种调速方案等
本课程的学习方法
• 以物理概念为主、工程计算为辅 • 重点应掌握各类电动机的基本原来、机械特性以及 与其他生产机械配合时的起、制动方法，调速方案. • 教学和实验结合，理论联系实际
教学资料
• • 教材：《电机及拖动基础》 机械工业出版社 顾绳谷 参考书籍：二方面：电机学；电力拖动
磁路基本定律
• 电磁感应定律
– 切割电势
• 运动电势、旋转电势
– 法拉第电磁感应定律——发电机原理
• Faraday’s Law of Electromagnetic Induction, In 1831 • 长度为l的直导线在磁场中与磁场产生相对运 动，导线切割磁力线的速度为v，导线所在处 磁感应强度为B，且直导线、磁感应强度方 向和导线相对运动速度方向三者之间互相垂 直，这导线中的感应电动势的大小为e=Blv， 方向由右手定则确定。
磁路基本定律
直流电动机 直流电功率 直流发电机 机械功率 B·l B·l ·
i e
·
F v
磁路基本定律
• 安培环路定律
– 沿着任何一条闭合回线l，磁场强度H的 线积分等于该闭合回线所包围的总电流 值(代数和)。
Hdl i
L
– 对于均匀磁场
HL Ni
磁路基本定律
• 安培环路定律
铁磁材料
• 磁化曲线和磁滞回线
– 起始磁化曲线
M45 Semiprocessed 26 Gage Steel 2 12000 10000 8000 B (T) µ r 6000 4000 2000 0 0.1 1 10 100 Magnetic Field Intensity, H (oersteds)
磁路基本定律
• 电磁感应定律
– 楞次定律
• 在变化磁场中线圈感应电动势的方向总是使 它推动的电流产生另一个磁场，阻止原有磁 场的变化
– 变压器电势
• 匝数为W的线圈匝链着的磁通发生变化时， 在线圈两端AX产生感应电动势e • 根据电磁感应定律，e的大小与W和磁通的变 化率成正比。其方向由楞次定律(Lenz’s Law) 来决定
– 注意：任何闭合回线！！！
I
l1
S1 S2
l3 l2
Hdl Hdl Hdl Hdl i NI 理想情况 HL NI U F
L l1 l2 l3
m
其中，Um是该段磁路的磁压，F为磁动势
磁路基本定律
• 磁路的欧姆定律
– 假设
• • • • • • • 等截面无分支的铁心磁路 电流i 励磁线圈N匝 磁路平均长度l 截面积A 材料磁导率μ 不考虑漏磁通 BdA BA
课程概述
过程自动化 自动化 电气 非电气 单机自动化 开环自动控制 闭环自动控制
现代电气自动控制系统的基本构成 指令系统 计算机 控制器 单片机、数字模拟器 件、控制电器 功率放大 变流装置
执 行 电动机
执行 机械
ຫໍສະໝຸດ Baidu
反馈控制理论 微机原理 单片机原理 电路、 与控制技术 电子学 C语言 计算机控制技术 网络与通信技术
解： 由磁场强度的定义，有
H
B
Fe
1 (A/m) 159(A/m) 7 5000 4 10
由安培环路定律，磁动势为
F Hl 159 0.3(A ) 47.7(A)
可得励磁电流为
i
F 47.7 9.54 102 (A) N 500
磁路基本定律
直流磁路
– 励磁电流为直流，磁通恒定不变。如直流电机
交流磁路
– 励磁电流为交流，磁通随时间变化。如交流铁心线圈、变压器、感应电机等
磁路基本定律
• 电磁感应定律
– 电机的基础理论 – 变化的磁场产生感应电势
• 切割电势
– 导线与磁场有相对运动，导线切割磁力线，导线内产生感 应电势
• 变压器电势
– 线圈内的磁通发生变化时，线圈内产生感应电势
铁磁材料
• 铁心损耗
– 铁心损耗
• 铁心中的磁滞损耗和涡流损耗都将消耗有功功 率，使铁心发热。 • 铁心损耗为磁滞损耗和涡流损耗之和
2 n PFe Ph Pe Ce 2 f 2 Bm Ch fBm V
直流磁路的计算
• 计算类型
– 磁路计算的正问题
• 给定磁通量，计算所需的励磁磁动势 • 有具体的计算步骤
– 进行磁路计算时，可以不考虑磁滞现象，用基本磁化曲线 就行 – 常用软磁材料有电工硅钢片、铸铁、铸钢等
– 硬磁材料
• 磁滞回线宽，剩磁Br和矫顽力Hc都大的材料 • 由于剩磁Br大，常用于制成永久磁铁
– 常用硬磁材料有铝镍钴、铁氧体、稀土钴、钕铁硼等
铁磁材料
• 铁心损耗
– 磁滞损耗
• 铁磁材料置于交变磁场中，材料被反复交变磁化，磁畴相互不 断地摩擦而消耗能量，并以产生热量的形式表现出来，造成的 损耗成为磁滞损耗。
– 真空的磁导率 0 4 10 H m ，为常数 – 铁磁材料 0 ，通常不为常数
7
基本概念
• • • • • • 磁路
– 磁通所通过的路径。路径可以是铁磁物质，也可以是非磁体
磁通
– 主磁通和漏磁通(主磁路和漏磁路)
励磁线圈
– 激励磁路中磁通的载流线圈
励磁电流
– 励磁线圈中的电流
BdS
S
– 均匀磁场，且S与B垂直，则有
BS B S
– 故磁感应强度也称为磁通密度
基本概念
• 描述磁场的基本物理量
– 磁场强度H
• 矢量，辅助物理量
– 单位是A/m(安培/米)
• 磁导率
– 表征物质材料磁导能力大小的量。 – 与磁场强度的关系
B H
课程概述
• 电机与电力拖动
– 电能是一种应用非常方便的能源 – 电能的生产、变换、传输、应用和控制，绝大 部分使用电机 – 电机是以磁场为媒介进行电能和机械能相互转 换的电磁机械。
• 将机械能传换为电能的称为发电机 • 将电能转换为机械能的称为电动机
– 电力拖动是用电动机作原动力使生产机械产生 运动
– 磁路计算的逆问题
• 给定励磁磁动势，计算磁路内的磁通量 • 非线性磁路，常采用试探法求解
直流磁路的计算
• 正问题
– 将磁路按材料性质和不同的截面尺寸分段 – 计算各段磁路的有效截面积Ak和平均长度lk – 计算各段磁路的平均磁通密度Bk= Фk/Ak – 根据Bk求出对于能够的磁场强度Hk，对铁磁材 料， Hk可以从基本磁化曲线上查出，对于空气 隙，可直接用Hδ=Bδ/μ0算出 – 计算各段磁路的磁压降Hklk ，最后求得产生给 定磁通量所需的励磁磁动势F=∑Hklk
– 绝缘性质
• 在电路中可以认为电流全部在导线中流通，导线外没有电流； • 在磁路中，没有绝对的磁绝缘体，除了铁心中的磁通外，实际上总有 一部分漏磁通散布在周围的空气中。
– 电阻率与磁导率
• 电路中导体的电阻率在一定的温度下是不变的； • 磁路中铁心的磁导率却不是常数，是随铁心的饱和程度而变化的。
– 线性与非线性
Magnetic Flux Density, B (T)
1.8 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0
Realtive Permeability
1.6
铁磁材料
• 磁化曲线和磁滞回线
– 起始磁化曲线 – 磁滞回线 – 基本磁化曲线
铁磁材料
• 铁磁材料
– 软磁材料
• 磁滞回线窄，剩磁Br和矫顽力Hc都小的材料 • 磁导率较高，常用于制造电机和变压器的铁心
e W
d dt
磁路基本定律
• 电磁力定律
– 电磁力
• 安培力，载流导体在外磁场中受到磁场对它的 作用力
– 洛伦兹电磁力定律——电动机原理
• Lorentz Electromagnetic Force Law • 一根长度为l的直导线通过电流i，当将其放在磁 感应强度为B的均匀磁场中时，如果直导线与磁 感应强度方向垂直，则该导线上受到的电磁力 大小为f=Bli，方向由左手定则确定
本章内容
• • • • • • 基本概念 磁路基本定律 铁磁材料 直流磁路的计算 交流磁路 作业
基本概念
• 描述磁场的基本物理量
– 磁感应强度B
• 表征由电流产生的磁场强弱以及方向。
– 其关系由毕奥-萨伐尔定律描述
• 矢量，单位截面积上的磁通
– 国际单位制中，用T(Tesla,特斯拉)，即Wb/m2(韦伯/米2)
反馈检测器件 功率电子技术 检测技术 电力拖动基础
电力拖动自动控制系统
各类电机与运动控制系统的应用场合
高速火车
奥运会上的新能源车
电动汽车
电机学与电力拖动技术的一般分析方法
• 采用电路和磁路理论的宏观分析方法 • 采用电磁场理论的微观分析方法 分析电机和拖动系统的一般步骤
• 各类电机的基本运行原理和结构 • 根据结构的具体特点，分析各类电机内部的电磁关系 • 根据内部的电磁关系，写出电磁过程的数学描述即数学模型，包 括：基本方程式、等效电路和相量图 • 利用上述数学模型分析计算各类电机的运行特性和性能指标。运 行特性主要是反映电动机机械量输出之间关系的机械特性和发电 机输出电能质量的的外特性； • 根据机械特性和负载的转矩特性讨论各类拖动系统的稳定性、起、
• 由安培环路定律，有
F Ni H k lk H1l1 H 2l2 H 3 1Rm1 2 Rm 2 3 Rm3
k 1
3
对比
电路中的基尔霍夫第二定律(回路电压)
e v
磁路基本定律
• 磁路与电路
– 功率损耗
• 电路中有电流I时，就有功率损耗I2R； • 在直流磁路中，维持一定的磁通量Ф时，铁心中没有功率损耗。