电机拖动学

电机及拖动基础绪论0-1电机的概念0-2电机在国民经济建设中的作用及我国电机工业简况0-3本课程的性质、任务及内容0-4磁路0-5铁磁材料特性0-6小结0-1电机的概念（1）电机是与电能有关的能量转换机发电机、变压器热能或其他能量转换为电能电能转换为机械能电动机电网机械装置0-1电机的概念（2）电机主要指发电机、电动机和变压器，是实现电能的生产、变换、使用和控制的电磁机械装置。生产指发电，变换指升降压，使用指拖动生产机械及家用电器的电动机。控制指特殊的微型的小电机，用于自动控制系统，起检测、放大、执行的作用。无论大型、中型、小型及控制电机都是电磁机械装置。0-1电机的概念电动机生产机械电网发电机、变压器电：电路——绕组电磁机械磁：磁回路——导磁材料及气隙机械装置：结构——轴、机座、端盖、定子、转子等。绕组（电路）铁芯（磁回路）电磁机械装置如变压器：（3）电机种类发电机直流发电机交流发电机同步发电机异步发电机电动机直流电动机交流电动机同步电动机异步电动机单相异步电机三相异步电机鼠笼绕线式变压器升压变压器降压变压器控制电机伺服、测速、步进电机电机0-2电机在国民经济建设中的作用及我国电机工业简况电能在生产、传输、分配、使用、控制及能量转换等方面极为方便，只要有电源处就可以使用电动机拖动生产机械。所以电机是工业、农业、交通运输、国防工程以及日常生活中常用的主要设备。一.电机在国民经济建设中的作用⒈在电力工业中的作用电能是现代大量应用的能量形式，这种能量形式有多种优点：1）传输和分配容易2）使用控制方便3）无污染4）可以远距离、放射传输和分配。0-2电机在国民经济建设中的作用及我国电机工业简况1.电机在电力工业中的应用火电厂（汽轮机）♀水电厂区域降压变压器35KV10KV380/220低压升压变压器输电线路110KV配电网用电设备10KV0-2电机在国民经济建设中的作用及我国电机工业简况2.在工业企业中：驱动各种生产机械装备，广泛使用电动机拖动各种生产机械如：机床拖动、鼓风机、吊车、抽水机（电力灌溉）以及矿石采掘和送料、电车和电力机车的牵引。3.自动控制系统、智能化装置的重要元件在自动控制技术中各式各样的小巧灵敏的控制电机作为检测、放大、执行和解算元件。应用于人造卫星发射和飞行的控制，机床加工的自动控制。控制和显示各种自动记录仪表，音像录放设备、医疗器械等的运行控制、检测记录显示都采用微型电机。0-2电机在国民经济建设中的作用及我国电机工业简况定频空调器压缩机采用单相异步电动机，3台及以上空调机采用三相异步电动机依赖频繁开断电动机实现室内温度恒定。变频空调器可以减少噪音、环保、节能。4.家用电器0-2电机在国民经济建设中的作用及我国电机工业简况交流变频压缩机采用变频电机：三相异步电动机，采用变频控制技术控制电动机转速，使压缩机制冷量连续可调。直流变频压缩机采用无刷直流电动机，噪音更小，更节能。电冰箱：原理与空调器相似。洗衣机：用电动机作为动力，采用离心式排水泵进行排水，鼓风机进行烘干。二.电机的发展及我国电机工业简况电机雏形1820年奥斯特发现电流磁效应，安培总结电流在磁场中机械力电动机雏形1831年法拉第提出电磁感应定律发电机雏形电灯的发明使发电机有了工业上的用途出现直流发电机及交流单相发电机为扩大馈电区域集中发电形成中央发电站变压器出现及发展1885年费拉里斯提出二相异步机模型并得到应用出现单相式异步电机1888年多利沃—多勃罗沃尔斯基提出三相制的三相异步电机出现三相式异步电机变频调速电机直流发电机单相交流发电机变压器单相式异步电机三相式异步电机变频调速电机我国电机工业简况：旧中国大型电机依赖进口。40年代初，国民政府资源委员会所属的中央机器厂曾通过进口瑞士BBC公司的2MW汽轮发电机转子。1945年引进美国西屋电气公司10MW电机。1950年旧北京召开全国电机制造会议，次年筹建的哈尔滨电机厂是苏联援建国内最大的电机生产新基地。现已拥有上海东方电机厂、哈尔滨、四川、北京、武汉、江苏、杭州、山东和广州九个大、中型主机生产基地，可成套供应600MW火电设备。1958年上海电机厂和哈尔滨电机厂分别试制成第一台仿捷TQC型和仿苏TQ25MW空气冷却式汽轮发电机。刘家峡电站发电机225MW，云峰电站100MW混流式机组，龙羊峡电站320MW，葛洲坝170MW。1980年后，东方电机厂参加国际投标获胜，为美国卡曼奇电站提供大型电机，之后哈尔滨电机厂向加拿大出口电机。我国电机工业简况：我国电机工业简况：现在我国已可出口600MW电机。2002年1月清华大学新近研制成世界上最细的电动机。目前电动机已朝节能型发展。2002年3月29日世界最大的水轮发电机运抵三峡工地，这是三峡工程安装的首台发电机组。我国目前正在建设和运行的国产核电机组包括30万千瓦和60万千瓦两种。经过多年努力，我国已经初步具备百万千瓦级核电站的设计能力。现在我国正规划百万千瓦级国产化核电组。我国电机工业简况：0-3本课程的性质、任务与内容通过本课程的学习获得电机的基础理论、基础知识和实验技能，为进一步学习专业课作好准备，并为今后合理地使用电机打下基础。高等数学牵引电机电路交流调速系统物理供变电工程牵引供电系统先修课后继课0-3本课程的性质、任务与内容学生在学完本课程后应能达到下列要求：（1）了解各种典型电机的基本结构、原理、特性。（2）掌握电机的分析方法，能正确建立基本方程式、运用等值电路、矢量图手段。（3）能进行一般电机的起动、调速和运行的操作。电机学特点：（1）综合性（2）实用性（3）基础性安培环路定律；磁欧姆定律；0-4磁路教学目的和要求：掌握表征磁场强弱的物理量。复习安培环路定律。学习磁压与磁动势的概念。学习磁路、磁阻与磁欧姆定律。重点难点：励磁电流产生磁场的概念；磁动势概念。0-4磁路1.磁场磁场是由什么产生的？磁场感应向量线铁芯磁感应向量线总是闭和且围绕着产生它的电流，方向满足右螺旋关系——电流——铁芯中有磁场产生。如：一根高压带电输电线，其周围存在磁场线圈通电后，怎样？再如：I0-4磁路2.表征磁场的物理量BSSBB①磁感应向量磁场中各点的磁感应可以通过磁感应向量线的疏密表示，磁感应向量线总是闭合。②磁通穿过某一截面的磁感应向量的通量称为磁通。∴B又称为磁密0-4磁路当一定时，S（磁路截面积）小，则磁密大；S大，则磁密小。S2B3B2B1S3S1红线表示磁通S2小，B2最大。可把磁通比作：电路中的电流；自来水管中的水流。在磁路中，用磁力线的疏密表征磁密B的大小。0-4磁路HHBBH71040③磁感强度向量是磁场中导磁材料的导磁率，表征导磁性能。同样的B，对应不同磁路性质，μ不同。空气(亨/米；)铁磁物质μ》μ0则：对应μ0的H较大，对铁磁材料的H则小。μ是μ0的几千甚至几万倍。0-4磁路⒊安培环路定律：在磁路中，沿任一闭合路径磁场强度向量的线积分，等于穿过该闭合路径所界定的面的电流的代数和。i→H→B/μ→ØildH左式说明电流与磁场的关系。磁场由电流产生。i是闭合磁路所界定的面的电流的代数和。0-4磁路H1•L+H2•δ=i1•N1-i2•N2=10•i1-20•i2则H2》H1L2N2=20i1i2L1N1=10δ左图H1和H2哪个大？H1=B/μμ0《μ磁路分两种材料，铁磁和空气。H2=B/μ0H1（2L1+2L2-δ）+H2•δ=∑I0-4磁路212112ldHUmmmildH4.磁压和磁动势磁压降（磁动势）比较电路：∑U=∑E电路中电压代数和与总电动势平衡。磁路中∑I的名称磁动势磁势磁通势磁动势是产生磁场的原因和条件。0-4磁场∑i=i1N1+i2N2+……=F1+F2+……(F1~F2为磁动势）i1i2N1N2电机磁路电路电流I通电导线磁动势磁通磁力电磁转矩电机转动0-4磁路左图空气为磁路，磁阻大i铁磁材料磁阻小δRm1小Rmδ大电感线圈，磁路一部分在空气中，一部分在铁磁材料中。（磁阻较大）Rm=L/s·μRm与μ成反比0-4磁路Ø相当于电路中的i;∑i相当于电路中的E(电动势）;Rm相当于电路中的R（电阻）。mRimmmmmAlABlHiR磁阻类似于电路的电阻，但与之不同，它不是一个能量损耗元件。Am——垂直于磁通密度B的横截面积0-4磁路产生磁通Ø=9×10-4Wb，试求所需的磁动势值。铁芯采用D23硅钢片，叠装系数为0.9，气隙截面积为Aδ=9×10-4m2，边缘效应不计。i1Lmδ=0.2×10-3mØ例题0-4磁路Umδ=Hδδ=(7.95×10-5)×0.2×10-3=159A解题方式一：ØBHδHδδHmHmLm①求Bδ气隙中磁通密度Bδ=Ø/Aδ=9×10-4/9×10-4=1T②Hδ=Bδ/μ0=1/4π×10-7=7.95×10-5A/m铁芯磁通密度BFe3BFe=Bδ/0.9=1.11T0-4磁路⑤μFe求取查手册D23硅钢片的磁化曲线。注意比较下两图：非线性μ不是常值HδBδ0线性μ0=4π×10-7亨/米（常数）BFeHFe507A/m1.11μ=B/Hμ饱和〈μ非饱饱和时：H↑而B几乎不变。非饱和时：H↑B↑0-4磁路铁磁材料的导磁系数μFe随铁芯饱和的程度变化而变化。i1i2N1N2⑥求整个磁路的磁动势为F=N1i1=Umδ+UmFe=Hδδ+HFeLm=159+50.7=209.7AUmFe=HFeLm=507×0.1A=50.7Ai1=F/N1=209.7A/100=2.097A⑦求激磁电流或激励电流注意：Umδ/F=159/209.7×100%=75.8%0-4磁路解题方法二：i1i2N1N2求Rδ和RFeØ=∑i•N/∑Rmiw①Rδ=δ/μ0Aδ=0.2×10-3/4π×10-7×9×10-4=1.768×105(Ω)②求：RFe=lm/μ·Aδ怎样确定μ？μ不是常数，随饱和程度变化而不同。查D23磁化曲线B=1.11TH=507A/mμ=B/H=1.11/507=2.189×10-3RFe=0.1/(2.189×10-3×9×10-4)=0.508×105注意Rδ/RFe=1.768×105/0.508×105=3.48③F=NI=Ø∑Rm=Ø(Rδ+RFe)=9×10-4×(1.768×105+0.508×105)=205A0-4磁路i1i2N1N2RFRWiSBBHF：磁动势磁通方向与截面积垂直idlHiUimni1imUiimimlHU小结1、磁场由电流产生2、磁密3、安培环路定律为磁压降ALRmmRWiWimR小结4、磁阻5、磁欧姆定律相当于电路中的电流相当于电路中的电动势相当于电路中的电阻0-5铁磁材料特性用磁畴的概念学习铁磁材料的导磁性；说明铁磁导率的非线性；学习磁滞现象和磁滞损耗、涡流损耗。磁导率的非线性。教学目的和要求：重点难点：0-5铁磁材料特性问：电机和变压器用什么材料制成？电机和变压器都以磁场为媒介，利用电磁感应作用来实现能量转换的，内部要有传导磁通的磁路和传导电流的电路。它们的磁路部分的铁芯采用高导磁性能的硅钢片制成。铁磁材料磁阻小吗？一、铁磁材料的导磁性铁磁材料为什么铁磁材料导磁性好？因为磁畴的存在则μ↑，Rm↓导磁性好坏用什么衡量？用导磁率μ衡量，μ》μ0slRm0-5铁磁材料特性空气（气隙）、良导体铜、铝、变压器油均为非磁性材料。μ=μ0铁与钴、镍的合金是铁磁材料。铁磁材料μ》μ0物质按磁性分为顺磁物质μ略大于μ0反磁物质μ略小于μ00-5铁磁材料特性变压器铁芯磁路导线电路Ø·×磁极NS电枢磁轭问上图哪里是磁回路？哪里是电路？磁轭磁回路：磁极（N）气隙电枢磁极（S）磁轭0-5铁磁材料特性下图主磁磁阻Rm1与漏磁磁阻，Rm2哪个大？漏磁Rm2主磁Rm1Rm2中主要路径为空气。问：工程上要使磁通尽量地约束在有限范围内，避免过多的漏磁，采用什么方法？Rm1〈Rm2因为Rm与μ反比，而μ》μ0采用铁磁材料可避免过多的漏