电机拖动_绪论;磁路.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,1,主干课程之间的关系,高等数学,大学物理,电路原理,电,机,与拖动,基础理论,专业知识,桥梁,电机测控,电机设计,电气传动,电力系统,高压技术,建筑电气,2,电机应用领域,3,教学大纲,-,基本要求,了解变压器、直流电机、感应电机和同步电机的典型结构，掌握其基本工作原理、基本方程式、稳态运行性能、基本实验方法及操作技能，对电机的额定值、性能指标、参数大小等有明确的工程概念，既掌握各类电机的共同点，又能认识它们的个性和特点，形成对电机的一个较系统和完整的认识。,4,教学大纲,-,学习重点,重点掌握分析电机,稳态,、,对称,、,基波,运行时的基本方法；,深入理解电机中,主磁场,的作用及,能量转换,的关系；,正确建立电机中的,电动势,、,磁动势,、,功率,和,转矩,平衡方程式；,熟练运用,基本方程,、,等效电路,和,相量图,及复数运算法、归算法去分析和解决电机运行中的实际问题。,5,学习方法,-,掌握认知规律,基本,结构,物理,模型,数学,模型,运行,特性,感性认识,工程实物,基本概念,机电磁热,电磁关系,基本方法,基本方程,等效电路,相 量 图,特殊,问题,知识拓展,扩大视野,基本原理,工作原理,性能高低,特性好坏,6,弄清基本概念,学会基本原理,掌握基本方法,不断思考总结,7,什么是电机,定义,：电机是一种,机电能量转换,或,信号转换,的电磁装置。,基本点,：,电磁感应定律、电磁力定律,导电材料,电路,导磁材料,磁路,8,电机的分类,Classification,旋转电机,变压器,直线电机,单相变压器,三相变压器,感应电机,同步电机,直流电机,交流电机,感应电动机,感应发电机,同步发电机,同步电动机,直流发电机,直流电动机,直线感应电机,直线同步电机,电机在国民经济中的作用,发电厂和变电站的主要设备,各种生产机械和装备的动力设备,自动控制系统中的重要元件,人们生活不可或缺的部分,10,电机发展概况,1821,年：法拉第发明第一台直流电动机,1831,年：法拉第发现电磁感应定律,1880,年：爱迪生提出采用叠片铁心,1885,年：弗拉利斯制成第一台两相感应电动机,1886,年：霍普金生兄弟确立了磁路的欧姆定律,1889,年：多利沃提出采用三相制的建议，同时制成第一台三相变压器和三相感应电动机,1891,年：建成三相电力系统,1893,年：开始利用复数与相量来分析交流电路,1899,年：勃朗台尔提出凸极同步电机的双反应理论,1919,年：福提斯古提出对称分量法,1959,年：逐步建立起机电能量转换的新体系,11,电机发展概况,单机容量不断增加,技术、经济指标不断改进（新结构、新工艺、新材料）,应用范围不断扩大（大型化、微型化、一体化）,与计算机技术、电子技术、电力电子技术、控制技术相互渗透，紧密结合,目录,绪论,第,1,章 磁路,第,2,章 直流电机,第,3,章 变压器,第,4,、,5,章 异步电机,第,6,章 同步电机,第,7,章 控制电机,第,8,章 电力拖动系统的动力学基础,第,9,章 直流电动机的电力拖动,第,10,章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态,第,11,章 三相异步电动机的起动及起动设备的计算,第,12,章 三相异步电动机的调速,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。,它们之间的关系如下,电动机,传动机构,生产机械,控制设备,电源,电机拖动（电力拖动）,一、重点,:,1,、,磁路的基本定律,;,2,、铁磁材料的特性及基本磁化曲线,;,3,、磁路计算,.,重点与难点,二、难点,:,1,、磁滞回线；,2,、铁心损耗；,3,、磁路的计算。,1,、磁感应强度,B,（磁通密度）,磁感应强度,表示某点磁场性质的基本物理量，它反映了磁力线分布的疏密程度，其方向与各点的切线方向一致，是单位面积的磁通量。也称为,磁通密度（,flux density,）。,它与产生它的电流可以用右手螺旋定则来确定。,第一节 磁路的基本定律,一、磁场的几个基本物理量,单位：韦伯,1 Tesla=10,4,高斯,B,的单位：特斯拉（,Tesla,）,Wb/m,2,某一面积,S,的磁感应强度,B,的通量称为,磁通,如果磁场,均匀,且磁场方向,垂直,于,S,面，则,磁通的连续性原理：,磁场中任何封闭曲面的磁通恒等于零。,2,、磁通,单位：韦伯,3,、磁导率,：表征各种材料导磁能力的物理量,（亨,/,米）,真空中的磁导率,(,0,),为常数,一般材料的磁导率,和真空中的磁导率之比，,称为这种材料的相对磁导率,r,，则称为磁性材料,，则称为非磁性材料,4,、磁场强度,H,磁场强度是计算磁场所用的物理量，其大小为磁,感应强度和导磁率之比。,单位：,B,：特斯拉,：亨,/,米,H,：安,/,米,19,H,与,B,的区别,H,I,，与介质的性质无关。,B,与电流的大小和介质的性质均有关。,磁场的基本物理量,磁场强度,H,的单位：,安培,/,米（,A/m),磁场强度,H,：,表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。,是计算磁场时所引用的一个物理量，通过它来确定磁场与电流之间的关系。,二、磁路的概念：,磁路是研究局限于一定范围内的磁场问题。磁路与电路一样，也是电工学课程所研究的基本对象。,磁通通过的路径。,主磁通,漏磁通,铁心,线圈,主磁通,：绝大部分磁通将从铁心内通过，这部分磁通称为主磁通。,漏磁通,：在部分铁心和铁心外围的空气间，还存在少量分散的磁通，这部分磁通成为漏磁通。,I,交流磁路,直流磁路,用以激励磁路中磁通的载流线圈称为,励磁线圈,；,励磁线圈中的电流称为,励磁电流,。,2、,磁路的基本定律,2.1 安培环路定律（,全电流定律,）,安培环路定律,:,沿空间任意条闭合回路，磁场强度,H,的线积分等于该闭合回路所包围的电流的代数和。,其中,H,：,磁场强度，安/米(,A/m,),i,3,l,H,dl,i,2,i,1,注：若,i,与,l,符合右手螺旋关系，取正号，否则取负号,。其中大拇指所指为,i,的,方向，四指为,l,方向。,根据安培环路定律：,得到：,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，安培环路定律可写成：,磁路,长度,L,线圈,匝数,N,I,F:,磁动势,NI,：,称为磁动势。一般,用,F,表示。,F,=,NI,HL:,磁压降。,对于均匀磁路,磁路中的,欧姆定律,2.2,、磁路的欧姆定律：,则：,I,N,A,L,注：由于磁性材料 是非线性的，磁路欧姆定律多用作定性,分析，不做定量计算。,令：,R,m,称为磁阻,欧姆定律,或,则可写为,例,1,1,有一闭合铁心磁路，铁心的截面积,A,9l0,4,m,2,，磁路的平均长度,l,0.3m,，铁心的磁导率,，套装在铁心上的励磁绕组为,500,匝。试求在铁心中产生,1T,的磁通密度时，所需的励磁磁动势和励磁电流。,磁动势,F,HI,159X0.3A,47,7A,解,用安培环路定律来求解。,磁场强度,励磁电流,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。,又称磁路的并联定律。,2.3,磁路的基尔霍夫第一定律,2.4,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位降的代数和。,公式,:,又称磁路的串联定律。,31,2.,磁路的基尔霍夫第二定律,磁路和电路的比较（一）,磁,路,电,路,磁通,I,N,I,磁压降,磁动势,电动势,电流,电压降,R,+,_,E,U,基本定律,磁阻,磁感应,强度,安培环路,定律,磁 路,I,N,欧姆定律,电阻,电流,强度,电压定律,电流定律,磁路与电路的比较,(,二,),P9,电 路,R,+,_,E,I,34,四、电磁感应定律,在我们回顾的所有定律中这将是最重要的一个。简单的说电磁感应定律就是变化的电场附近会产生变化的磁场，而变化的磁场附近会产生变化的电场。,定义：无论何种原因使的与闭合线圈交链的磁链,随着时间,t,变化时，线圈中将会 产生感应电动势,e,根据原因的不同，感应电动势可分为以下两类：,35,1.,变压器电动势,指线圈位置静止不变，穿过线圈的磁通,发生变化，这样在线圈内将产生感应电动势，其大小与线圈的匝数和磁通变化率成正比，方向由楞次定律决定,2.,切割（运动）电动势,当磁场和线圈导体之间有相对运动时，使得穿过线圈的磁通随着时间的变化而变化。,此时的,e,叫做运动电动势,e,=,Blv,方向由右手定则判定。,36,3.,自感系数,L,由自感系数的定义,而由磁路的欧姆定律,所以,结论：当磁路为非线性时，自感系数是一个变量，随磁路的饱和程度的增加而下降。,称为磁导,37,五、电磁力定律,载流导体在磁场中要受到力的作用，方向,用左手定则判定。,f,=,Bil,在旋转电机中，作用在转子载流导体上的电磁力将使转子受到一个力矩,（等于力乘以转子半径），这个力矩,称之为电磁转矩。,电磁转矩在电机的能量形态转换起到重要的作用，以后会详细研究它。,回顾右手定则，左手定则,38,六、电路定律,（,1,）欧姆定律：,u,=,iR,（,2,）基尔霍夫第一定律（电流定律）,i,=0,（,3,）基尔霍夫第二定律（电压定律）,在电路中，对任一回路，沿回路环绕一周，回路内所有元件的电压代数和等于零，即 ,u,=0,。,39,制造,电机所用的材料,制造材料主要包括：,导磁材料、导电材料、绝缘材料、结构材料、,散热材料、冷却材料、润滑材料等。,导电材料：铜、铝。,导磁材料：各种成分的铸钢（电工钢片）。,绝缘材料：各种绝缘纸、油性玻璃漆布、,有机硅玻璃粘带、酚醛玻璃纤维压塑料,绝缘等级,Y A E B F H C,容许工作温度,/90 105 120 130 155 180,180,40,第二节 铁磁材料及其磁化特性,一、,高导磁性,磁性材料的磁导率通常都很高，即,r,1,(,如坡莫合金，其,r,可达,2,10,5,),。,磁性材料,能被强烈的磁化，,具有很高的导磁性能。,磁性材料主要指铁、镍、钴及其合金等。,磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备中，如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心。,在这种具有铁心的线圈中通入不太大的励磁电流，便可以产生较大的磁通和磁感应强度。,电机的制造材料,一,.,铁磁物质的磁化,图,1-6,磁畴,(A),未磁化,(B),磁化,外加磁场,H,42,这些小磁铁叫做“磁畴”。,在外磁场的作用下，磁畴顺着外磁场方向转向，排列整齐，显示出磁性。,磁性物质具有高导磁性是由于内部有很多被强烈磁化的小磁铁。,电机的制造材料,43,电机的制造材料,磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限的增强。,二、,磁饱和性,B,J,磁场内磁性物质的磁化磁场,的磁感应强度曲线；,B,0,磁场内不存在磁性物质时的,磁感应强度直线；,B,B,J,曲线和,B,0,直线的纵坐标相,加即磁场的,B,-,H,磁化曲线。,O,H,B,B,0,B,J,B,a,b,磁化曲线,当外磁场增大到一定程度时，磁性物质磁畴的磁场方向全部都转向与外部磁场方向一致，磁化磁场的磁感应强度将趋向某一定值，如图。,44,B,-,H,磁化曲线的特征：,O,a,段：,B,与,H,几乎成正比地增加；,ab,段：,B,的增加缓慢下来；,b,点以后：,B,增加很少，达到饱和。,O,H,B,B,0,B,J,B,a,b,有磁性物质存在时，,B,与,H,不成正比，磁性物质的磁导率,不是常数，随,H,而变。,有磁性物质存在时，,与,I,不成正比。,磁性物质的磁化曲线在磁路计算上极为重要，其为非线性曲线，实际中通过实验得出,。,O,H,B,B,磁化曲线,B,和,与,H,的关系,电机的制造材料,二、磁化曲线和磁滞回线,1,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,.,分析,:,起始磁化曲线基本上可分为四段,如下,铁磁材料的特性,铁磁材料磁化过程,oa,段：,H,较弱，,B,缓慢增加,ab,段：,H,较强，,B,迅速增加,bc,段：,H,继续加强，,B,增加变慢（饱和段）,c,段：,H,继续加强，,B,增加缓慢（深度饱和段）,B,H,图,1-7,铁磁材料的起始磁化曲线,a,b,c,d,膝点,（饱和点）,二,.,铁磁材料的磁化特性（,BH,曲线/起始磁化曲线）,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。,49,三、,磁滞性,磁性材料在交变磁场中反复磁化，其,B,-,H,关系曲线是一条回形闭合曲线，称为,磁滞回线,。,磁性材料中,磁感应强度,B,的变化总是滞后于外磁场变化的性质。,磁滞回线,O,H,B,B,r,H,c,剩磁感应强度,B,r,(,剩磁,),：,当线圈中电流减小到零,(,H,=0),时，铁心中的磁感应强度。,例如,:,永久磁铁的磁性就是由剩磁产生的；自励直流发电机的磁极，为了使电压能建立，也必须具有剩磁。,电机的制造材料,50,磁滞回线,O,H,B,B,r,H,C,但剩磁也存在着有害的一面，例如，当工件在平面磨床上加工完毕后，由于电磁吸盘有剩磁，还将工件吸住。为此要通入反向去磁电流，去掉剩磁，才能取下工件。,矫顽磁力,H,C,：,使,B,=0,所需的,H,值。,磁性物质不同，其磁滞回线和磁化曲线也不同。,电机的制造材料,图,1-8,铁磁材料的磁滞回线,H,B,a,b,c,d,e,f,磁密落后于磁场强度，亦即磁通落后于激磁电流的现象，称为磁滞现象,磁滞回线,：,铁磁材料进行周期性磁化所反映的物理现象,剩磁,娇顽力,3,基本磁化曲线,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,.,附,:,电机中常用的硅钢片、铸铁和铸钢的 基本磁化曲线。,图,1-9,基本磁化曲线,H,B,基本磁化曲线或平均磁化曲线:,书,p11,54,几种常见磁性物质的磁化曲线,a,铸铁,b,铸钢,c,硅钢,片,O,0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0,10,3,H,/(A/m),H,/(A/m),1 2 3 4 5 6 7 8 9 10,10,3,B,/T,1.8,1.6,1.4,1.2,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,a,b,a,b,c,c,电机的制造材料,55,按磁性物质的磁性能，磁性材料分为三种类型：,(1),软磁材料,具有较小的矫顽磁力，磁滞回线较窄。,一般用来制造电机、电器及变压器等的铁心。常用的有铸铁、硅钢、坡莫合金即铁氧体等。,(2),永磁材料,具有较大的矫顽磁力，磁滞回线较宽。,一般用来制造永久磁铁。常用的有碳钢及铁镍铝钴合金等。,(3),矩磁材料,具有较大的矫顽磁力和较大的剩磁，磁滞回线接近矩形，稳定性良好。,在计算机和控制系统中用作记忆元件、开关元件和逻辑元件。常用的有镁锰铁氧体等。,电机的制造材料,三、铁磁材料,1,软磁材料,定义,:,磁滞回线窄、剩磁和矫顽力都很小的材料,。,常用软磁材料,:,铸铁、铸钢和硅钢片等。,软磁材料的磁导率较高,故,用以制造电机和变压器的,铁心。,2,硬磁,(,永磁,),材料,定义,:,磁滞回线宽、剩磁和,矫顽力都很大的铁磁材料称,为硬磁材料，又称为永磁材料。,磁性能指标 剩磁,矫顽力,最大磁能积,四.铁心损耗,当铁心中磁通交变时，要产生铁心损耗，它由,磁滞损耗,与,涡流损耗,两部分组成。,1）磁滞损耗,铁磁材料置于交变磁场中时，材料被反复交变磁化，其分子运动所消耗的能量,。,磁滞回线所包含的面积表示了单位体积磁性材料在磁化一周的进程中所消耗的能量。,（,P12 1-9,公式）,1.6-2.3,涡流在铁心中引起的损耗，称为涡流损耗。,2）,涡流损耗,因为铁心可以导电，故当通过铁心的磁通随时间变化时，也将铁心中也将产生感应电势，并因而在其中引起环流。这些环流在铁心内部围绕磁通作涡流状流动，称为涡流。,（,P12 1-10,公式）,3,）铁损：磁滞损耗,+,涡流损耗，,（,P13 1-12,公式）,减少铁耗措施：,减少磁滞损耗的措施：,选用磁滞回线狭小的磁性材料,制作铁心。,变压器和电机中使用的硅钢等材料的磁滞损耗较低。,选择适当的磁感应强度值以减小铁心饱和程度。,减少涡流损耗措施：,提高铁心的电阻率,（通常用硅钢片）。铁心用彼此绝缘的钢片叠成，,把涡流限制在较小的截面内。,一、,直流磁路的计算,1.3,直流磁路,1.,磁路的计算：正问题 知道,求,F,逆问题 知道,F,求,2.,正问题的计算步骤：,（,1,）分段,（,2,）确定,A,，,L,（,3,）求,，,B,（,4,）由,B,求,H,（,5,）,F=,HL,3.,逆问题：试探法,4.,串并联磁路的计算,磁路基本定律及计算方法,铁心磁路计算,是电机分析和设计过程中的一项重要工作,已知磁通确定磁动势,已知磁动势确定磁通,1.,串联磁路计算,将磁路分段，保证每段磁路的均匀性,计算每段磁路的截面积和等效长度,根据给定磁通，确定每段磁路磁密,由磁密确定每段磁路的磁场强度,计算每段磁路的磁压降,由基尔霍夫第二定律计算磁动势,一、直流磁路的计算,1,、简单串联磁路,例,12,铁心材料由铸港和空气隙构成，,铁心截面积,A,Fe,3X 3X10,-4,m,2,，,磁路平均长度,l,Fe,=0.3m,，气隙长度,5X10,-4,m,。求该,磁路获得磁通量,=0.0009Wb,时所需的励磁动势。考虑到气隙磁场的边缘效应，在计算气隙的有效面积时，通常在长、宽方向务增加,值（,0.5X10,-4,m,）。,解：铁心内磁通密度为：,根据铸钢磁化曲线查得：,铁心段的磁位降：,空气隙内磁通密度：,气隙磁场强度：,气隙磁位降：,励磁磁动势：,2,、简单并联磁路,例,1,3,图,1,14,所示并联磁路，铁心所用材料为,DR530,硅钢片，铁心柱和铁轭的截面积均为,A,2X2X10-4m,2,，,磁路段的平均长度,l=5X10,-2,m,，,气隙长度,1=2=2.5X10-3m,，,励磁线圈匝数,N1,N2,1000,匝,。不计漏磁通，试求在,气隙内产生,B,=1.211T,的磁通密度时，所需的,励磁电流,i,。,解 为便于理解，先画出图,l14b,所示模拟电路图。由于两条并联磁路是对称的，故只需计算其中一个磁回路即可。,由图,114a,可知、中间铁心段的磁路长度；,根据磁路基尔霍夫第一定律，,根据磁路基尔霍夫第二定律，,左、右两边铁心段的磁路长度均为。,(1),气隙磁位降,(2),中间铁心段的磁位降 磁通密度,B3,为,由,DR530,的磁化曲线查得，,H1=H2=215A,m,，由此可得左、右两边铁心段的磁位降为,(4),总磁动势和励磁电流,从图,1-10,中,DR530,的磁化曲线查得，与,B3,对应的,H3,19,5X10,2,A,m,，于是中间铁心段的磁位降,H3l3,为,（,3,）左、右两边铁心的磁位降 磁通密度,B1,、,B2,为,1.4,交流磁路的特点,交流磁路中，激磁电流是交流，因此磁路中的磁动势及其所激励的磁通均随时间而交变，但每一瞬时仍和直流磁路一样，遵循磁路的基本定律。就瞬时值而言，正常情况下，可以使用相同的基本磁化曲线。磁路计算时，为表明磁路的工作点和饱和情况，磁通量和磁通密度均用交流的幅值表示，磁动势和磁场强度则用有效值表示。,交变磁通除了会引起铁心损耗之外，还有以下两个效应：,(1),磁通量随时间交变，必然会在激磁线圈内产生感应电动势；,(2),磁饱和现象会导致电流、磁通和电动势波形的畸变。,有关交流磁路和铁心线圈的计算，将在变压器一章内作进一步的说明。,作业：,P16,习题,1,1,，,1,4,，,1,7,思考题,1,、有两个相同材料的芯子（磁路无气隙），所绕的线圈匝数相同，通以相同的电流，磁路的平均长度,l,1,=l,2,，截面,S,1,S,2,，试用磁路的基尔霍夫定律分析,B,1,与,B,2,、,1,与,2,的大小。,2,、一磁路如图,9.13,所示，图中各段截面积不同，试列出磁通势和磁位差平衡方程式。,图,9.13,思考题,2,图,