1、2022-8-51The Theory of Electric Machine2022-8-52绪论第一章 直流电机第二章 直流电动机的电力拖动第三章 变压器第四章 三相异步电动机第五章 三相异步电动机的电力拖动第六章 同步电机第七章 驱动和控制微电机第八章 电力拖动系统中电动机的选择电机及拖动电子教案2022-8-53绪 论 电机是利用电磁感应原理工作的机械。电机常用的分类方式有两种：一是按功能分，有发电机、电动机、变压器和控制电机四大类；二是按电机结构或转速分，有变压器和旋转电机。注意“机”与“器”的区别。0.1 电机及电力拖动系统概述两种方法归纳如下：电机变压器直流电机直流发电机直流电动
2、机交流电机控制电机同步电机同步发电机同步电动机异步电机异步发电机异步电动机2022-8-54绪 论 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、生产机械、控制设备和电源五个部分。0.1 电机及电力拖动系统概述它们之间的关系如下 电动机传动机构生产负载控制设备电源2022-8-55电机技术发展简介 1821年英国科学家法拉第,1834年亚哥比研制成功第一台实用直流电动机 1871年凡麦尔准发明交流发电机 20世纪性能方面改进 我国解放前直流发电机200kw，电动机135kw，变压器2000kvA JO,JO2,Y系列改进，50年代生产5万千瓦汽轮发电机，7.25万千瓦水轮
3、发电机，12万千瓦变压器。2022-8-56电机技术发展简介 2002年交流电机累计7005万千瓦，03年8920万千瓦。03与加拿大合作三峡电站70万千瓦混流式水轮发电机，05制造外径18.43m、1694.5吨发电机转子装于珠海发电厂。2022-8-57电机技术发展简介 三峡工程共装设32台70万千瓦机组，为当今世界最大的水电机组。三峡工程目前已有17台机组投产发电，投产总装机容量达到1,190万千瓦，发电能力居中国水电站首位。2022-8-58绪 论 本课程是工业电气与自动化、电气技术和供用电技术等专业的一门专业基础课。0.2 本课程的性质、任务和内容 本课程的任务是让学生掌握电机的基本
4、结构和工作原理，以及拖动系统的运行性能、分析计算、电机选择及试验方法，培养在电机及电力拖动方面分析和解决问题的能力，为今后学习和工作打下坚实的基础。本课程的内容有直流电机、直流电动机的电力拖动、变压器、三相异步电动机、三相异步电动机的电力拖动、同步电机、驱动和微控电机、电动机的选择八个部分。2022-8-59绪 论 电机及拖动是一门理论性很强的技术基础课，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。0.3
5、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；提高定量计算能力。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。2022-8-510绪 论 磁场可由电流产生，整个磁场的情况可形象地用磁感线来描述，磁感线是闭合的曲线，且与闭合电路相交链，其方向与产生该磁场的电流方向符合右手螺旋定则。0.4 磁场的基本物理量（1）磁通磁场中穿过某一截面积A的总磁感应线数称为通过该面积的磁通量，简称磁通（
6、magnetic flux),用 表示，单位为韦（Wb)。（2）磁感应强度B(flux density)描述磁介质中实际的磁场强弱和方向的物理量，它是一个矢量。B=/A。单位为特斯拉。2022-8-511绪 论0.4 磁场的基本物理量（3）磁场强度H（magnetic intensity)是进行磁场计算时引进的一个辅助物理量。方向与磁场方向相同。H与B的区别是：H代表电流本身产生的磁场强弱，反映了电流的励磁能力。其大小只与产生该磁场的电流大小成正比。与介质的 性质无关；B代表电流所产生的以及介质被磁化后产生的总磁场的强弱，其大小不仅与电流的大小有关，还与介质的性质有关。H的单位为安每米（A/m
7、)。（4）磁导率u(Permeability)u=B/H；它是衡量物质导磁能力的物理量，单位为亨每米H/m)。真空的磁导率为一常数，用u0表示，mH/104702022-8-512绪 论0.5 物质的磁性能物质按磁导率的不同分为：磁性物质（magnetic material)和非磁性物质（non-magnetic material)。非磁性物质的磁导率u近似等于真空的磁导率u0。磁性物质亦称为铁磁物质，主要性能有：（1）高磁导性铸钢的u约为u0的1000倍，硅钢片的u约为u0的60007000倍。磁性物质的特点是有可转动的“磁畴”。电机采用铁心后，在同样的电流下，铁心中的B和 将大大增加且比铁
8、心外的大的多，这样，一方面可用较小的电流产生较强的磁场，另一方面可使大部分磁通集中在由磁性物质限定的空间内。（2）磁饱和线起始磁化曲线（initial magnetization curve)（3）磁滞性2022-8-513绪 论0.5 物质的磁性能剩磁强度Br；矫顽磁力Hc。基本磁化曲线 （fundamental magnetization curve):同一铁磁物质，选取不同值的一系列Hm多次交变磁化，可得到一系列磁滞回线，由这些磁滞回线的正顶点与原点连成的曲线。硬磁材料 的磁滞回线很宽，Br和Hc都很大，如钴钢，铝镍钴合金和钕铁硼合金等，常用来制造永久磁铁。软磁材料 的磁滞回线很窄，Br
9、和Hc都很小，如软铁，硅钢，玻莫合金和铁氧体等，常用来制造变压器，电机和接触器等的铁心。矩磁物质的磁滞回线接近矩形，Br大，Hc小，如镁锰铁氧体（磁性陶瓷）和某些铁镍合金等，常用在电子技术和计算机技术中。2022-8-514绪 论0.6 电机中所用材料1.1.导电材料导电材料:紫铜线、铝线，用于制成电机绕组。紫铜线、铝线，用于制成电机绕组。2.2.导磁材料导磁材料:0.350.35或或0.5mm0.5mm厚的硅钢片叠成厚的硅钢片叠成,构成电机磁路。构成电机磁路。3.3.绝缘材料：绝缘材料：把导电体之间、导电体与铁磁体之间绝缘开来。把导电体之间、导电体与铁磁体之间绝缘开来。绝缘等级绝缘等级 A
10、A E E B B F F H H允许温度允许温度 O OC C 105 105 120 120 130 130 155 155 180 1804.4.机械支撑材料：机械支撑材料：制造电机所需要的其它金属材料。制造电机所需要的其它金属材料。0.52022-8-515为B级的绝缘材料，主要是由云母、石棉、玻璃丝经有机胶胶合或浸渍而成的。常用的B级绝缘材料有PVC玻璃纤维套管(黄腊管),6520复合纸,DMD绝缘纸等.2022-8-516绪 论0.7 磁路的基本定律电流通过线圈时产生的磁通可以分为两部分：主磁通（main magnetic flux),漏磁通（leakage magnetic fl
11、ux)。主磁路通过的路径称为磁路(magnetic circuit)。（1）磁路欧姆定律0000000;ABHABHcABABcccccc全电流定律：在磁路中，沿任一闭合路径，磁场强度的线积分等于与该闭合路径交链的电流的代数和。即IHdl2022-8-517绪论0.7 磁路的基本定律当电流的方向与闭合路径的积分方向符合右手螺旋定则时，电流前取正号，反之取负号。律。此式称为磁路的欧姆定表示用称为线圈的磁动势（和磁路的磁阻（分别称为铁心、空气隙令;),)tan;)(0000mmmomcmomocccmcmocccooccRFFRNIFFforceivemagnetomotNIcerelucmagn
12、eticRRRAlRAlRNIRAlAllHlHHdl2022-8-518绪 论0.7 磁路的基本定律由于ucuo。lo尽管很小，Rmo仍然比Rmc大得多。因此，当磁路中由空气隙存在时，磁路的磁阻Rm将显著增加，若磁动势F一定，则磁路中的磁通将减少。反之，若保持磁路中的磁通一定，则磁动势就应增加。可见，磁路中应尽量减少不必要的空气隙。（2）磁路基尔霍夫第一定律磁路基尔霍夫第一定律磁路基尔霍夫第一定律磁路基尔霍夫第一定律磁路基尔霍夫第一定律磁路基尔霍夫第一定律：在磁路的任何一个闭合面上，磁路的代数和等于零。（3）磁路基尔霍夫第二定律磁路基尔霍夫第二定律磁路基尔霍夫第二定律磁路基尔霍夫第二定律磁路
13、基尔霍夫第二定律磁路基尔霍夫第二定律：在磁路中沿任何闭合磁路径上，磁动势的代数和等于磁压降的代数和。0NIHl2022-8-519绪 论0.8电量与磁量、电路定律与磁路定律对比电电 路路磁磁 路路电动势电动势 E产生电流的源。如产生电流的源。如发电机、电池等。发电机、电池等。磁动势磁动势产生磁通的源：载流线产生磁通的源：载流线圈。圈。I为为电流，电流，N为为匝。匝。电电 流流 I由电动势产生，在由电动势产生，在导体中流通。导体中流通。磁磁 通通由磁动势产生，在磁路由磁动势产生，在磁路中流通。中流通。电流密度电流密度J=I/S磁通密度磁通密度 B=/S电场强度电场强度 E表示电场的强弱。表示电场
14、的强弱。磁感应强度磁感应强度 B表示磁场的强弱。表示磁场的强弱。电阻率电阻率反映导体对电流阻反映导体对电流阻力大小的系数。力大小的系数。磁阻率磁阻率m反映磁体对磁通阻力大反映磁体对磁通阻力大小的系数。小的系数。电导率电导率 磁导率磁导率/1m/1NIF 2022-8-520绪 论电量与磁量、电路定律与磁路定律对比（续表）电量与磁量、电路定律与磁路定律对比（续表）电电 路路磁磁 路路电电 阻阻磁磁 阻阻电电 导导 磁磁 导导 电压降电压降 UU=RI磁压降磁压降 F=Hl 电路基尔霍夫电路基尔霍夫第一定律第一定律磁路基尔霍夫磁路基尔霍夫第一定律第一定律电路基尔霍夫电路基尔霍夫第二定律第二定律磁路
15、基尔霍夫磁路基尔霍夫第二定律第二定律 电磁感应定律电磁感应定律 电磁力定律电磁力定律SlSlRRG/1oiIIUEBlve dtdNeBlif HlNIoimRFmmRG/1SlSlRmm2022-8-521练习1、全电流定律用公式表示为 。2、磁路欧姆定律表达式为 ，其中 。3、磁压降（磁位降）的表达式为 。4、铁心气隙很小，气隙磁阻 ，气隙磁压降比其它各段铁磁路的磁压降之和 ，即励磁磁动势的绝大部分消耗在 。IHdlmRFHl仍很大还要大得多气隙上mRAl2022-8-5225、空心线圈的电感是常数，而铁心线圈的电感不是常数，为什么？如果线圈的尺寸、形状和匝数相同，有铁心和没有铁心时，哪个
16、电感大？铁心线圈的铁心在达到磁饱和和未达到磁饱和状态时，哪个电感大？lSNLSlNIRNIINLm2，两式可推出和由：o由上式知：空心线圈的磁导率是常数，所以它的电感也是常数；而铁心线圈的磁导率不是常数（随线圈电流的大小而变），所以电感也不是常数。线圈中有铁心时，因为 ，所以电感大。铁心达到磁饱和后，大大降低，因此L也随着减小。2022-8-523练习6、用D23叠成的有间隙铁心有间隙铁心有间隙铁心有间隙铁心有间隙铁心有间隙铁心它的截面积A=9104 m2，铁心平均长度l1=0.3m，空气隙长度0.510-3m，线圈的匝数N=500匝。试求产生磁通9.910-4Wb时所需要的励磁磁动势F和励磁
17、电流I。（空气隙的截面也为A；D23磁化曲线中，B1=1.1T，H1=493A/m)(1.1109109.914411TABBBB相等与铁心段的则气隙段的相等，在各段相同，又截面积）给定的解：（2022-8-524练习)/(1075.81041.1;/4931.125711mABHmAHTBo对空气段，时，当）对铁心段，由表查得（)(7.437105.01075.8)(9.1473.049333511AHAlH空气段的磁压降）铁心段的磁压降（)(17.15006.585)(6.585411ANFIAHlHNIF励磁电流）磁动势（2022-8-525绪 论0.8 铁心线圈电路（1）功率关系交流铁
18、心线圈的有功功率为cosUIP 它包括两部分：铜损耗 Pcu（copper loss);Pcu=RI2铁损耗 PFe(core loss)2022-8-526绪 论0.8 铁心线圈电路为了减小磁滞损耗，铁心应选用软磁物质制成，如硅钢片，因其磁滞回线面积小，磁滞损耗小。（2）涡流损耗涡流损耗涡流损耗Pe（eddy current loss)VfBKPmhh铁损耗包括两部分：（1）磁滞损耗（hysteresis loss)VBfdKPmee222)6.12.1(2GBfKPPPmFeehFe2022-8-527习题1、如果线圈的铁心由彼此绝缘的钢片在垂直磁场方向叠成，是否可以？2022-8-528
19、0.9电磁铁电磁铁衔铁衔铁铁心铁心铁心铁心线圈线圈线圈线圈衔铁衔铁结构结构：线圈、铁心、衔铁：线圈、铁心、衔铁利用电磁力实现某一机械发生动作的电磁元件。利用电磁力实现某一机械发生动作的电磁元件。2022-8-5291.直流电磁铁直流电磁铁(1)电磁吸力电磁吸力通入直流，无铁损，铁心用整块的铸钢、软钢。通入直流，无铁损，铁心用整块的铸钢、软钢。F对直流对直流 U=IR U 不变时，不变时，I 不变不变磁动势磁动势 Fm=IN=Um=Rm 也也不变不变Rm=Rm0+Rm1Rm=Rm1吸合吸合后后前前 所以在所以在吸合后吸合后B0 结论：吸力变大！结论：吸力变大！(2)吸合前后的电磁吸力吸合前后的电
20、磁吸力 变化情况变化情况02002 BSF 2022-8-530(1)平均电磁吸力平均电磁吸力铁心由硅钢片叠成；铁心由硅钢片叠成；有分磁环。有分磁环。2.交流电磁铁交流电磁铁02m71610SBF(2)吸合前后的电磁吸力吸合前后的电磁吸力 不不变变根据根据 U=4.44 f N m当当 U,f,N不变不变,m不变不变 Bm不变不变吸力吸力 F 不变。不变。磁动势磁动势 Fm=i N=Um=RmRm=Rm0+Rm1Rm=Rm1吸合吸合后后前前所以在所以在吸合过程中，吸合过程中，吸力不变，励磁电流由大吸力不变，励磁电流由大变变小。小。大大i N 有效值有效值 I 大大 小小i N 有效值有效值 I
21、 小小 2022-8-531222;XRUIlSNLSlNiRNiiNiLm而：所以：因为：2022-8-532t、ff 1铁心铁心电磁吸力电磁吸力 由于由于 1 1 与与 2 2 之间出现了相位差，之间出现了相位差，合成磁通所产生的电磁吸力就不会为零。合成磁通所产生的电磁吸力就不会为零。磁通为零，磁通为零，吸力也为零吸力也为零 2短路铜环短路铜环(3)分磁环结构分磁环结构2022-8-533 例例 1 把一台把一台 50 Hz、380 V 的交流电磁铁接在的交流电磁铁接在50 Hz、220 V 的交流电源上，会出现什么问题？怎的交流电源上，会出现什么问题？怎样解决？样解决？解解 根据根据 U
22、 4.44f N mU m F 吸力不足吸力不足减少减少 N2022-8-534图1-2 安培环路定律H HL L1i2i3idl开始动画开始动画幻灯幻灯片片 1111返回返回2022-8-535图1-3 无分支铁心磁路A)无分支铁心磁路A AN Ni i返回返回开始动画开始动画2022-8-536B)模拟电路图mRF F返回返回2022-8-537图1-4 磁路的基尔霍夫第一定律213A AN Ni i返回返回开始动画开始动画2022-8-538图1-5 磁路的基尔霍夫第二定律2A1AN1H2H1l2li i返回返回开始动画开始动画2022-8-539图1-6 磁畴A)未磁化B)磁化返回返回
23、2022-8-540B BH H图1-7 铁磁材料的起始磁化曲线a ab bc cd d)(HfB)(HfFeHB0返回返回开始动画开始动画2022-8-541图1-8 铁磁材料的磁滞回线H HB Ba ab bc cd de ef fcHmBmBmHmHrB返回返回开始动画开始动画2022-8-542图1-9 基本磁化曲线基本磁化曲线基本磁化曲线H HB B返回返回幻灯幻灯片片 1010开始动画开始动画2022-8-543图图1-111-11）软磁材料的磁滞曲线）软磁材料的磁滞曲线A)A)软磁材料软磁材料H HB B返回返回开始动画开始动画2022-8-544B BH HB)B)硬磁材料硬磁
24、材料图）硬磁材料的磁滞曲线图）硬磁材料的磁滞曲线返回返回开始动画开始动画2022-8-545图1-12 硅钢片中的涡流B B返回返回开始动画开始动画2022-8-5461 16 65 54 43 32 2图1-13 简单串联磁路 A)串联磁路3l1l2li i返回返回开始动画开始动画2022-8-547B)模拟电路图FmFeRmR返回返回开始动画开始动画2022-8-54821LLLA A1N2N12图1-14 简单并联磁路 A)并联磁路返回返回开始动画开始动画2022-8-549B)模拟电路图2F121mR2mR3mR1FmR返回返回开始动画开始动画2022-8-550图1-16 直流电机的磁化曲线O OfI00F返回返回开始动画开始动画2022-8-551磁化曲线 不同的磁性材料有不同的磁导率 同一材料当其磁通密度不同时，亦有不同的磁导率 起始段，磁导率较小起始段，磁导率较小线性区，磁导线性区，磁导率大且不变率大且不变饱和区饱和区
