1、电机与电力拖动基础,绪论,70%,5%,15%,10%,运动控制方向：,单片机技术 PLC技术,过程控制方向：,单片机技术 PLC技术,电力系统方向：,电气控制与 PLC技术,电机学,第1章 电机中的电磁学基本知识,1.1 电机的发展历史 1.2 磁路的基本知识 1.3 磁场的基本知识 1.4 电磁学的基本定律 1.5 铁磁材料 小结,1.1 电机和电力拖动的发展简况,1电机制造的理论基础：电磁力和电磁感应定律,2电能的优点：经济、便宜、容易,4电机：电机是一种其工作原理基于电磁感应定律和电磁力定律之上，实现电能特性转换或机电能量变换的机械。,1.1 电机和电力拖动的发展简况,3电力拖动：,人
2、力、畜力 、风力,蒸汽机 、内燃机,电动机,5电机的应用和分类: (1)电机按其功能来看,电机分类,(2)对于电机的分类框图：,各组成部分及相互关系如下 ：,电动机,6电力拖动系统：,课程性质：具有基础性和专业性，是学好后续课程的重要基础专业课。 主要内容：各种电机的基本工作原理、基本结构、运行特性及分析法。,二、课程学习特点：,前程后续关系：前导课：大学物理、电路、电子技术，后续课程：电力电子技术、控制电机、电力拖动系统、交流调速等。,注意抓住课程学习的本质特征：,一、对于电机学部分 1、电机的结构和工作原理 2、电机的工作特性（空载特性、外特性）,二、对于电力拖动部分 1、牢牢抓住电动机的
3、机械特性 2、注意电动机的起动、调速、制动三种情况的特性,三、注意直流电机-变压器-交流电机的过渡,1.2.1 电路与磁路 对于电路系统来说，在电动势E的作用下，电流I从E的正极通过导体流向负极。可见，构成一个完整的电路系统需要电动势、 电导体，并应可以形成电流。,1.2 磁路的基本知识,在磁路系统中，也有一个磁动势F（类似于电路中的电动势），在F的作用下产生一个磁通（类似于电路中的电流），从磁动势的N极到S极（南极）， 经过的通路称为磁路。,由于空气磁阻比铁磁材料磁阻大几千倍， 因此由铁磁材料构成的磁路中的磁通称为主磁通，而非铁磁物质中的磁通常被称为漏磁通。,图 1-1 几种常用电器的典型磁
4、路 （a） 普通变压器磁路；（b） 电磁继电器常用磁路；（c） 电机磁路,1.2.2 电机中的磁路 磁路系统广泛应用在电器设备之中， 如变压器、 电机、 继电器等。,图 1-2 磁动势的产生和磁路欧姆定律,磁路,主磁通,漏磁通,励磁电流,励磁线圈,1.2.3 电气设备中磁动势的产生,1.3 磁场的基本知识 1.3.1 磁感应强度B 描述磁场强弱及方向的物理量称为磁感应强度（磁通密度）B。,图 1-3 电流磁场中的磁力线 （a） 直线电流；（b） 螺线管电流,1.3.2 磁通 穿过某一截面S的磁感应强度B的通量，即穿过截面S的磁力线根数称为磁感应通量，用表示。,（1-2）,（1-1）,图 1-4
5、 均匀磁场中的磁通,1.3.3 磁场强度H 计算导磁物质中的磁场时，引入辅助物理量磁场强度H，它与磁密B的关系为 B=H （1-3）,1.4 电磁学的基本定律 1.4.1 安培环路定律 在磁场中，沿任意一个闭合磁回路的磁场强度线积分等于该回路所交链的所有电流的代数和，该定律称为全电流定律，表示为,（1-4）,图 1-5 安培环路定律,与磁力线（闭合回线）符合右手螺旋关系的电流取正号，反之取负号。,1.4.2 电磁感应定律 当导体处于变化的磁场（磁通）中时，导体中会产生感应电（动）势，这就是电磁感应现象。感应电势与磁通符合右手螺旋关系时，这个感应电势的大小与磁通随时间的变化率的负值成正比，这就是
6、电磁感应定律。例如，匝数为N的线圈所交链的磁通为，当该磁通随时间发生变化时，线圈产生的感应电势为,（1-5）,在电机学中，电磁感应现象包括变压器电动势（感应电动势）和切割电动势。,图 1-6 变压器电动势,1. 变压器电动势,（1-6）,感应电动势其表达式如下：,（1-7）,2. 切割电动势 切割电动势是由于线圈（或导体）和磁场之间存在相对运动，使线圈中的磁通发生变化而产生的电动势，因此称之为切割电动势。如果线圈（或导体）所处的磁通密度B为均匀磁密，则导体中电动势值的计算公式为 e=Bvl （1-8）,切割电动势方向的判定依据（右手定则）：,图 1-7 确定切割电动势方向的右手定则,1.4.3
7、 电磁力定律 载流导体在磁场中会受到力的作用，这种力是磁场与电流相互作用所产生的，故称为电磁力。若磁场与导体相互垂直，则作用在导体上的电磁力为 f =Bil （1-9）,图 1-8 确定载流导体受力方向的左手定则,电磁力方向的确定的依据（左手定则）：,1.4.4 磁路欧姆定律 假设磁通全部通过铁芯，并且认为磁路l上的磁场强度H处处相等。于是，根据全电流定律有,（1-10）,（1-11）,式中，F=Ni为磁动势， 为磁阻， 为磁导。,1.4.5 磁路基尔霍夫第一定律 在磁路任何一个节点处，磁通的代数和恒等于零，即 =0 （1-12）,图 1-9 磁路基尔霍夫第一定律,磁路基尔霍夫第一定律表明，进
8、入或穿出任一封闭面的总磁通量的代数和等于零，或穿入任一封闭面的磁通量恒等于穿出该封闭面的磁通量。,1.4.6 磁路基尔霍夫第二定律 沿任何闭合磁路的总磁动势恒等于各段磁位降的总和，称为磁路基尔霍夫第二定律，即,（1-13）,上式也可以理解为：消耗在任一闭合磁回路上的磁动势，等于该磁路所交链的全部电流。,1.4.7 机械功率和电功率的转换过程和条件,条件：电路与磁场之间存在切割磁力线方向的机械运动。,过程： 在磁场B的作用下，机械运动系统的速度v与电路中的感应电势e同时存在e=Blv 在磁场B的作用下，电路中的电流i与系统中的电磁力f同时存在,f=Bli 在磁场B的作用下，电路中的电势e产生（吸
9、收）的电功率与机械运动系统中的电磁力f吸收（产生）的机械运动功率同时存在，且大小相等，方向相反，即符合能量守恒定律。,输出电功率：,外力作功：,（不计损耗）,1.5 铁磁材料 铁磁材料一般是由铁或铁与钴、 钨、 镍、 铝及其他金属的合金构成的。,当外部磁场施加到这一材料上时，磁畴就会沿施加的磁场方向转向，所有的磁畴平行，铁磁材料对外表现出磁性。当磁畴不再能使磁通密度B增加，材料完全饱和。,图 1-11 铁磁材料的磁化 （a） 未磁化；（b） 磁化,1.5.1 铁磁材料的磁化 铁磁材料是由许许多多的磁畴构成的。在未磁化时，所有磁畴摆列杂乱，因此材料对外不显磁性。,1.5.2 起始磁化曲线、 磁滞
10、回线、 基本磁化曲线 将铁磁材料进行磁化，当磁场强度由零逐渐增大时，磁通密度将随之增大，用B=f（H）描述的曲线称为铁磁材料的起始磁化曲线，如图1-12所示。,图 1-12 起始磁化曲线,通常把铁芯内的工作点磁通密度选择在膝点附近。,图 1-13 铁磁材料的磁化特性,磁滞现象的B-H闭合回线称为磁滞回线。,剩磁,对于同一铁磁材料，选择不同的磁场强度可得出不同的磁滞回线，将各条磁滞回线的顶点连接起来，所得的曲线称为基本磁化曲线（或平均磁化曲线）。,图 1-14 基本磁化曲线,1.5.3 软磁材料和硬磁材料 磁滞回线较窄，属于软磁材料，多用来制作电机、变压器的铁芯。 磁滞回线较宽，属于硬磁材料，主
11、要用来制作永久磁铁。,铁磁材料在交变磁场的作用下反复磁化的过程中，磁畴之间不停地互相摩擦，消耗能量，因此引起损耗，这种损耗称为磁滞损耗。磁滞回线面积越大，则损耗越大。,1.5.4 磁滞损耗和涡流损耗 1. 磁滞损耗 磁滞现象的产生是由于铁磁材料中的磁畴在外磁场作用下发生移动和倒转，彼此之间产生“摩擦”，由于这种“摩擦”的存在，当外磁场停止作用后，磁畴与外磁场方向一致，不能恢复原状，从而形成了磁滞现象和剩磁。,2. 涡流损耗 当通过铁芯的磁通发生交变时，根据电磁感应定律，铁芯中将产生感应电动势，并引起环流。这些环流在铁芯内部围绕磁通呈旋涡状流动，称为涡流。涡流在铁芯中引起的损耗称为涡流损耗。,在电机和变压器中，通常把磁滞损耗和涡流损耗合在一起，称为铁芯损耗，简称铁耗。用 表示。,图 1-16 一片硅钢片中的涡流,小 结 1、电机学中遇到的电磁学的基本知识和基本定律；,3、铁磁材料的损耗指磁滞损耗和涡流损耗，与磁通量、工作频率、材料成分和所采用的制造工艺有关。,2、铁磁材料的基本知识。一般而言，铁磁材料的特性为非线性，而其B-H特性常常以磁滞回线的形式表示。,
