电机与电力拖动基础教程第1章.

安徽建筑工业学院电机与拖动基础下页主讲人：徐勇绪论总体安排电机拖动的作用电机分类第1章第1章第1章第1章第1章第1章第1章第1章第1章第1章第1章第1章第1章电机拖动系统第1章电源传动系统生产机械自动控制系统电动机课程性质和任务第1章第1章第1章磁路及动力学基础知识磁路和磁路基本定律1.1铁磁材料及其特性1.2电力拖动系统的动力学基础1.3下页第1章本章重点磁路的基本定律铁磁材料的特性电力拖动系统的运动方程式电力拖动系统稳定运行的条件下页第1章1.1.1描述磁场的基本物理量下页上页返回1.1磁路和磁路基本定律磁场的特性可用磁感应强度、磁通、磁导率、磁场强度等几个物理量表示。■磁感应强度表示磁场内某点的磁场强弱和方向的物理量。SΦBB的单位：特[斯拉]（T）1T＝104Gs的单位：韦伯（Wb）S的单位：平方米（m2）矢量数值上等于与磁场方向相垂直的单位面积上通过的磁通量，又称磁通密度。第1章■磁通磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积，称为通过该面积的磁通。如磁场内各点的磁感应强度的大小相等，方向相同，这样的磁场则称为均匀磁场。＝BS的单位：伏•秒，通称为韦[伯]Wb或麦克斯韦Mx1Wb＝108Mx下页上页返回第1章■磁导率磁导率是一个用来表示磁场媒质磁性和衡量物质导磁能力的物理量。物质分类顺磁性物质：磁导率略大于真空，如空气、铝逆磁性物质：磁导率略小于真空，如氢、铜铁磁性物质：磁导率是真空磁导率的几百倍甚至几千倍，如铁、钴、镍•真空的磁导率为常数mH/10470•铁磁性物质的磁导率不是常数的单位下页上页返回电机中常用的铁磁材料的磁导率μFe=(2000~6000)μ0。第1章•一般材料的磁导率和真空磁导率0的比值，称为该物质的相对磁导率r0r磁性材料非磁性材料11rr下页上页返回第1章■磁场强度磁场强度是计算磁场所用的物理量，其大小等于磁场中某点的磁感应强度与该点上的磁导率之比。BHH的单位：安／米B的单位：特斯拉的单位：亨／米矢量下页上页返回讨论磁场内某一点的磁场强度H与有关吗？磁场内某一点的H只与电流大小、线圈匝数及该点的几何位置有关，而与(磁介质的磁性)无关。xxlNIH问磁场内某一点的磁感应强度B与有关吗？第1章下页上页返回1.1.2本课程中常用的基本电磁定律复习电路定律1.电路欧姆定律，交流电路，直流电路ZUIRUI2.基尔霍夫定律基尔霍夫第一定律，交流电路，直流电路00II基尔霍夫第二定律，交流电路，直流电路EUEU变压器、电机磁场耦合电流全电流定律铁心小电流大磁通铁心增磁功能铁心饱和铁心中的气隙制约制约电磁转矩电磁力定律电磁感应定律感应电势能量转换变压器、发电机、电动机电机知识结构下页上页返回第1章1.电磁感应定律e常用的基本电磁定律一匝数为N的线圈，在变化的磁场中产生的感应电动势的大小与线圈匝数N和线圈所交链的磁通对时间的变化率d/dt成正比，当感应电动势正方向与产生他的磁通正方向符合右手螺旋定则时，则有tΦNtΨedddd下页上页返回第1章运动电势的方向习惯用右手定则确定，如图所示。eblv若导线切割磁力线的速度为，导线处的磁感应强度为，且不随时间变化时，假设磁力线、导线与导线运动方向三者垂直，则导线中感应电势为运动电势，其大小为vbb下页上页返回第1章HI1I2I3电流方向和磁场强度的方向符合右手定则，电流取正；否则取负。IHdl下页上页返回2.安培环路定律（全电流定律）：磁场中任何闭合回路磁场强度的线积分,等于通过这个闭合路径内电流的代数和.即LLIIIHdl321第1章NIIxHlHHdlxxx2xxlNIH其中lx＝2x是半径为x的圆周长Hx是半径x处的磁场强度NI＝F即线圈匝数与电流的乘积，称磁动势或磁势单位为安匝（A）下页上页返回在无分支的均匀磁路（磁路的材料和截面积相同，各处的磁场强度相等）中，如环形线圈，安培环路定律可写成：IxHx第1章3.电磁力定律载流导体在磁场中要受到力的作用，当磁场与导体相互垂直作用时，若导体中电流为I，导体长度为l，导体所在处的磁通密度为B，则作用在载流导体的电磁力为BlIf注：电磁力方向由左手定则决定下页上页返回第1章1.1.3磁路及磁路欧姆定律单相变压器1、电机中的典型磁路N1N2电能i1输入电能电能i2输出电能磁场下页上页返回第1章磁场电能机械能磁路:被约束在限定的铁芯范围内的磁通所走的路径。旋转电机下页上页返回第1章2.磁路的欧姆定律B=μH设一个材料相同、截面积相等的无分支闭合磁路NiIHlHdl全电流定律＝BSSlΦlBNil----磁路的平均长度(m)N----线圈的匝数S----磁路的截面积(m2)下页上页返回第1章磁路欧姆定律mFRmF或磁路欧姆定律：在无分支的磁路中，磁通与磁动势F大小成正比，与磁路中的总磁阻的大小成反比定义：Rm:磁路的磁阻，A/Wb:磁路的磁导，Wb/AmSlΦlBNiSlRmmR1m注意铁磁材料的磁阻不是常数，是非线性的。Ni＝F相应的模拟电路图下页上页返回磁动势第1章定律内容: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上式中一般将穿出闭合面的磁通取正号，穿入闭合面的磁通取负号。1.磁路的基尔霍夫第一定律1.1.4磁路的基尔霍夫定律0Φ下页上页返回第1章例：213ANi0321ΦΦΦΦ下页上页返回第1章2.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压降的代数和。公式:HlNI又称磁路的串联定律定义Hl为一段磁路的磁压降下页上页返回第1章2A1AN1H1l2lI2H例：整个磁路分三部分mmmRΦRΦRΦHlHlHHlNI22112211下页上页返回第1章0Fe111mFelFRA21mmRR结论：在励磁磁势相同的情况下，带气隙铁心磁路只能得到较少的磁通。222()mmFemFRRR20()FeFellAA例：设励磁磁势相同，比较磁路中磁通？(假设铁心长度l远远大于气隙长度，认为铁心柱中的磁通等于气隙中的磁通)下页上页返回第1章1.铁磁物质的磁化铁磁物质包括铁镍钴以及它们的合金。铁磁材料放入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。1.2铁磁材料及其特性1.2.1铁磁材料的高导磁性下页上页返回第1章BH铁磁材料的起始磁化曲线abcd)(HfB)(HfFeHB0起始磁化曲线基本上可分为四段2.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.非铁磁材料的磁化特性下页上页返回第1章下页上页返回第1章分析磁化曲线在oa段：当H增大→B增大，但B增大速度较慢；在bc段：B随H增大的速度又较慢；在cd段：为磁饱和区（又呈直线段）。其中，a点称为跗点；拐弯点b称为膝点；c点为饱和点。过了饱和点c，铁磁材料的磁导率趋近μ0。在ab段：当H增大→B增大，B增大速度快；铁磁材料具有如下特点：它的磁化曲线具有饱和性，磁导率μFe不是常数，且随B的变化而变化。下页上页返回第1章应用: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。下页上页返回第1章磁滞现象是铁磁材料的另一个特性。3．磁滞回线铁磁材料被反复磁化时，B-H曲线不是单值的，是一条磁滞回线。矫顽力剩磁剩磁:去掉外磁场(H=0)之后，铁磁材料内仍然保留的Br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。下页上页返回第1章基本磁化曲线基本磁化曲线HB说明1:基本磁化曲线不同的铁磁物质其磁滞回线宽窄是不同的，当铁磁材料的磁滞回线较窄时，可用它的平均磁化曲线，即基本磁化曲线进行计算定义: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。下页上页返回第1章说明2根据磁滞回线形状的不同，铁磁材料可分为硬磁材料和软磁材料。硬磁材料的磁滞回线胖宽，剩磁、矫顽力大，如钨钢、钴钢等；软磁材料的磁滞回线瘦窄，剩磁、矫顽力小，如硅钢片、铸钢等。由于电机铁芯采用软磁材料制成，其磁滞回线瘦窄，在进行磁路计算时，为了简化计算，不考虑磁滞现象，而用基本磁化曲线来表示B与H之间的关系，故通常所讲的铁磁材料的磁化曲线是指基本磁化曲线。下页上页返回第1章软磁材料的磁滞曲线BH下页上页返回第1章硬磁材料的磁滞曲线BH下页上页返回第1章应用: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。VfBCpnmhh1.2.2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。磁滞损耗与交变磁场的频率f、铁芯的体积V、磁滞回线的面积成正比。磁滞损耗功率可用下式表示：式中Ch——磁滞损耗系数，它的大小取决于材料性质；对一般电工钢片n=1.6～2.3；下页上页返回第1章应用: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。1.2.3涡流损耗涡流:铁芯是有阻值的，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,在导电的铁芯中就会产生环流，环流在铁心内部围绕磁通作旋涡状流动称为涡流。示意图。定义:涡流在铁心中引起的损耗,涡流损耗功率可用下式表示。22mwwBfkp式中kw——与材料有关的比例系数。下页上页返回第1章GBfCpmFeFe23.1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。whFeppp■铁心损耗定义:铁心中磁滞损耗和涡流损耗之和。下页上页返回第1章1.3电力拖动系统的动力学基础■电力拖动系统的基本概念1.电力拖动拖动：原动机带动生产机械运转叫拖动。电力拖动：电动机作为原动机，生产机械是负载，电动机带动生产机械运转的拖动方式称电力拖动。2.电力拖动系统：在现代化工业生产过程中，为了实现各种生产工艺过程，需要使用各种各样的生产机械。各种生产机械的运转，一般采用电动机来拖动，用电动机将电能转换成机械能，拖动生产机械，并完成一定工艺要求的系统。这种用电动机作为原动机来拖动生产机械运行的系统，称为电力拖动系统。下页上页返回第1章3.电力拖动系统组成电动机、传动机构、生产机械、控制设备和电源电动机传动机构生产负载控制设备电源4.采用电力拖动主要原因现代化生产中，多数生产机械都采用电力拖动，主要原因是：电能的运输、分配、控制方便经济。电动机的种类和规格很多，它们具有各种各样的特性，能很好的满足大多数生产机械的不同要求。电力拖动系统的操作和控制简便，可以实现自动控制和远距离操作等等。下页上页返回第1章5.典型生产机械运动形式及转矩电力拖动系统：单轴（重点介绍）、多轴（可折算成单轴）。运动形式：旋转、平移、升降。机械转矩形式：摩擦力产生、重力产生。6.单轴指生产机械与电动机同轴MTnLTU单轴电力拖动系统nM=nL=nΩM=ΩL=ΩT---电动机的电磁转矩TL---生产机械的转矩下页上页返回第1章1.3.1单轴电力拖动系统的运动方程式tLddJTTMTnLTU下页上页返回单轴电力拖动系统1.由牛顿第二定律知作直线运动的物体存在madtdvmFF21同理，对于作旋转运动的物体：J为电动机轴上总转