1、電機(jī)與電力拖動基礎(chǔ),主講教師：趙偉電機(jī)與電力拖動基礎(chǔ) 楊文煥 西安電子科技大學(xué)出版社,課程成績分配比例,總成績,平時成績（30%）,期末成績（60%）,緒論,實驗成績（10%）,運(yùn)動控制方向：,單片機(jī)技術(shù) PLC技術(shù),過程控制方向：,單片機(jī)技術(shù) PLC技術(shù),電力系統(tǒng)方向：,電氣控制與 PLC技術(shù),電機(jī)學(xué),第1章電機(jī)中的電磁學(xué)基本知識,1.1 電機(jī)的發(fā)展歷史 1.2磁路的基本知識 1.3磁場的基本知識 1.4電磁學(xué)的基本定律 1.5鐵磁材料 小結(jié),1.1 電機(jī)和電力拖動的發(fā)展簡況,1電機(jī)制造的理論基礎(chǔ)：電磁力和電磁感應(yīng)定律,2電能的優(yōu)點(diǎn)：經(jīng)濟(jì)、便宜、容易,4電機(jī)：電機(jī)是

2、一種其工作原理基于電磁感應(yīng)定律和電磁力定律之上，實現(xiàn)電能特性轉(zhuǎn)換或機(jī)電能量變換的機(jī)械。,1.1 電機(jī)和電力拖動的發(fā)展簡況,3電力拖動：,人力、畜力 、風(fēng)力,蒸汽機(jī) 、內(nèi)燃機(jī),電動機(jī),5電機(jī)的應(yīng)用和分類: (1)電機(jī)按其功能來看,電機(jī)分類,(2)對于電機(jī)的分類框圖：,各組成部分及相互關(guān)系如下 ：,電動機(jī),6電力拖動系統(tǒng)：,課程性質(zhì)：具有基礎(chǔ)性和專業(yè)性，是學(xué)好后續(xù)課程的重要基礎(chǔ)專業(yè)課。 主要內(nèi)容：各種電機(jī)的基本工作原理、基本結(jié)構(gòu)、運(yùn)行特性及分析法。,二、課程學(xué)習(xí)特點(diǎn)：,前程后續(xù)關(guān)系：前導(dǎo)課：大學(xué)物理、電路、電子技術(shù)，后續(xù)課程：電力電子技術(shù)、控制電機(jī)、電力拖動系統(tǒng)、交流調(diào)速等。,課程學(xué)習(xí)主線：,注意

3、抓住課程學(xué)習(xí)的本質(zhì)特征：,一、對于電機(jī)學(xué)部分 1、電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理 2、電機(jī)的工作特性（空載特性、外特性）,二、對于電力拖動部分 1、牢牢抓住電動機(jī)的機(jī)械特性 2、注意電動機(jī)的起動、調(diào)速、制動三種情況的特性,三、注意直流電機(jī)-變壓器-交流電機(jī)的過渡,1.2.1電路與磁路 對于電路系統(tǒng)來說，在電動勢E的作用下，電流I從E的正極通過導(dǎo)體流向負(fù)極?？梢姡瑯?gòu)成一個完整的電路系統(tǒng)需要電動勢、 電導(dǎo)體，并應(yīng)可以形成電流。,1.2磁路的基本知識,在磁路系統(tǒng)中，也有一個磁動勢F（類似于電路中的電動勢），在F的作用下產(chǎn)生一個磁通（類似于電路中的電流），從磁動勢的N極到S極（南極）， 經(jīng)過的通路稱為磁路。,由

4、于空氣磁阻比鐵磁材料磁阻大幾千倍， 因此由鐵磁材料構(gòu)成的磁路中的磁通稱為主磁通，而非鐵磁物質(zhì)中的磁通常被稱為漏磁通。,圖 1-1幾種常用電器的典型磁路 （a） 普通變壓器磁路；（b） 電磁繼電器常用磁路；（c） 電機(jī)磁路,1.2.2電機(jī)中的磁路磁路系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在電器設(shè)備之中， 如變壓器、 電機(jī)、 繼電器等。,圖 1-2磁動勢的產(chǎn)生和磁路歐姆定律,磁路,主磁通,漏磁通,勵磁電流,勵磁線圈,1.2.3電氣設(shè)備中磁動勢的產(chǎn)生,1.3磁場的基本知識1.3.1磁感應(yīng)強(qiáng)度B(單位T，特，1T=1Wb/m2)描述磁場強(qiáng)弱及方向的物理量稱為磁感應(yīng)強(qiáng)度（磁通密度）B。,圖 1-3電流磁場中的磁力線 （a） 直線

5、電流；（b） 螺線管電流,1.3.2磁通（Wb） 穿過某一截面S的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的通量，即穿過截面S的磁力線根數(shù)稱為磁感應(yīng)通量，用表示。均勻磁場,（1-2）,（1-1）,圖 1-4均勻磁場中的磁通,1.3.3磁場強(qiáng)度H（A/m）計算導(dǎo)磁物質(zhì)中的磁場時，引入輔助物理量磁場強(qiáng)度H，它與磁密B的關(guān)系為B=H （1-3）為磁導(dǎo)率,1.4電磁學(xué)的基本定律1.4.1安培環(huán)路定律（全電流定律） 在磁場中，沿任意一個閉合磁回路的磁場強(qiáng)度線積分等于該回路所交鏈的所有電流的代數(shù)和，該定律稱為全電流定律，表示為,（1-4）,圖 1-5安培環(huán)路定律,與磁力線（閉合回線）符合右手螺旋關(guān)系的電流取正號，反之取負(fù)號。,1.4

6、.2電磁感應(yīng)定律當(dāng)導(dǎo)體處于變化的磁場（磁通）中時，導(dǎo)體中會產(chǎn)生感應(yīng)電（動）勢，這就是電磁感應(yīng)現(xiàn)象。感應(yīng)電勢與磁通符合右手螺旋關(guān)系時，這個感應(yīng)電勢的大小與磁通隨時間的變化率的負(fù)值成正比，這就是電磁感應(yīng)定律。例如，匝數(shù)為N的線圈所交鏈的磁通為，當(dāng)該磁通隨時間發(fā)生變化時，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為,（1-5）,在電機(jī)學(xué)中，電磁感應(yīng)現(xiàn)象包括變壓器電動勢（感應(yīng)電動勢）和切割電動勢。,圖 1-6變壓器電動勢,1. 變壓器電動勢,（1-6）,感應(yīng)電動勢其表達(dá)式如下：,（1-7）,2. 切割電動勢切割電動勢是由于線圈（或?qū)w）和磁場之間存在相對運(yùn)動，使線圈中的磁通發(fā)生變化而產(chǎn)生的電動勢，因此稱之為切割電動勢。如果線

7、圈（或?qū)w）所處的磁通密度B為均勻磁密，則導(dǎo)體中電動勢值的計算公式為e=Bvl （1-8）,切割電動勢方向的判定依據(jù)（右手定則）：,圖 1-7確定切割電動勢方向的右手定則,1.4.3電磁力定律載流導(dǎo)體在磁場中會受到力的作用，這種力是磁場與電流相互作用所產(chǎn)生的，故稱為電磁力。若磁場與導(dǎo)體相互垂直，則作用在導(dǎo)體上的電磁力為f =Bil （1-9）,圖 1-8確定載流導(dǎo)體受力方向的左手定則,電磁力方向的確定的依據(jù)（左手定則）：,1.4.4磁路歐姆定律假設(shè)磁通全部通過鐵芯，并且認(rèn)為磁路上的磁場強(qiáng)度H處處相等。于是，根據(jù)全電流定律有,（1-10）,（1-11）,式中，F(xiàn)=Ni為磁動勢，為磁阻，為磁導(dǎo)。,

8、1.4.5磁路基爾霍夫第一定律在磁路任何一個節(jié)點(diǎn)處，磁通的代數(shù)和恒等于零，即=0 （1-12）,圖 1-9磁路基爾霍夫第一定律,磁路基爾霍夫第一定律表明，進(jìn)入或穿出任一封閉面的總磁通量的代數(shù)和等于零，或穿入任一封閉面的磁通量恒等于穿出該封閉面的磁通量。,1.4.6磁路基爾霍夫第二定律沿任何閉合磁路的總磁動勢恒等于各段磁位降的總和，稱為磁路基爾霍夫第二定律，即,（1-13）,上式也可以理解為：消耗在任一閉合磁回路上的磁動勢，等于該磁路所交鏈的全部電流。,1.5鐵磁材料鐵磁材料一般是由鐵或鐵與鈷、 鎢、 鎳、 鋁及其他金屬的合金構(gòu)成的。,圖 1-11鐵磁材料的磁化 （a） 未磁化；（b） 磁化,1

9、.5.1鐵磁材料的磁化鐵磁材料是由許許多多的磁疇構(gòu)成的。在未磁化時，所有磁疇擺列雜亂，因此材料對外不顯磁性。,當(dāng)外部磁場施加到這一材料上時，磁疇就會沿施加的磁場方向轉(zhuǎn)向，所有的磁疇平行，鐵磁材料對外表現(xiàn)出磁性。當(dāng)磁疇不再能使磁通密度B增加，材料完全飽和。,1.5.2起始磁化曲線、 磁滯回線、 基本磁化曲線將鐵磁材料進(jìn)行磁化，當(dāng)磁場強(qiáng)度由零逐漸增大時，磁通密度將隨之增大，用B=f（H）描述的曲線稱為鐵磁材料的起始磁化曲線，如圖1-12所示。,圖 1-12起始磁化曲線,通常把鐵芯內(nèi)的工作點(diǎn)磁通密度選擇在膝點(diǎn)附近。,跗點(diǎn),膝點(diǎn),飽和點(diǎn),圖 1-13鐵磁材料的磁化特性,磁滯現(xiàn)象的B-H閉合回線稱為磁滯

10、回線。,矯頑力,剩磁,鐵磁材料具有的這種磁通密度B的變化滯后于磁場強(qiáng)度H變化的現(xiàn)象叫做磁滯。,對于同一鐵磁材料，選擇不同的磁場強(qiáng)度可得出不同的磁滯回線，將各條磁滯回線的頂點(diǎn)連接起來，所得的曲線稱為基本磁化曲線（或平均磁化曲線）。,圖 1-14基本磁化曲線,1.5.3軟磁材料和硬磁材料磁滯回線較窄，屬于軟磁材料，多用來制作電機(jī)、變壓器的鐵芯。磁滯回線較寬，屬于硬磁材料，主要用來制作永久磁鐵。,鐵磁材料在交變磁場的作用下反復(fù)磁化的過程中，磁疇之間不停地互相摩擦，消耗能量，因此引起損耗，這種損耗稱為磁滯損耗。磁滯回線面積越大，則損耗越大。,1.5.4磁滯損耗和渦流損耗1. 磁滯損耗磁滯現(xiàn)象的產(chǎn)生是由

11、于鐵磁材料中的磁疇在外磁場作用下發(fā)生移動和倒轉(zhuǎn)，彼此之間產(chǎn)生“摩擦”，由于這種“摩擦”的存在，當(dāng)外磁場停止作用后，磁疇與外磁場方向一致，不能恢復(fù)原狀，從而形成了磁滯現(xiàn)象和剩磁。,2. 渦流損耗當(dāng)通過鐵芯的磁通發(fā)生交變時，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，鐵芯中將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，并引起環(huán)流。這些環(huán)流在鐵芯內(nèi)部圍繞磁通呈旋渦狀流動，稱為渦流。渦流在鐵芯中引起的損耗稱為渦流損耗。,圖 1-16一片硅鋼片中的渦流,在電機(jī)和變壓器中，通常把磁滯損耗和渦流損耗合在一起，稱為鐵芯損耗，簡稱鐵耗。用 表示。,小結(jié)1、電機(jī)學(xué)中遇到的電磁學(xué)的基本知識和基本定律；,3、鐵磁材料的損耗指磁滯損耗和渦流損耗，與磁通量、工作頻率、材料成分和所采用的制造工藝有關(guān)。,2、鐵磁材料的基本知識。一般而言，鐵磁材料的特性為非線性，而其B-H特性常常以磁滯回線的形式表示。,需要重點(diǎn)掌握的知識點(diǎn)： 1.起始磁化曲線、磁滯