电机及拖动绪论

有一闭合铁心磁路，铁心面积A=9*10-4m2 ， 铁心的平均长度l=0.3m，铁心的磁导率 µ=5000 µ0 ，套装在铁心上的励磁绕组500匝。 试求在铁心中产生1T磁通密度时，需要多少励 磁磁动势和励磁电流。 磁路的基尔霍夫定律：穿出或进入任一闭合曲 面的总磁通等于零。对应基尔霍夫电流定律。
电机及电力拖动课程简介
电机及拖动是电气自动化专业的一门核心基础 专业课，关系到很多后续课程的学习，涉及面 广 涉及到两大方面：电机学和电力拖动学 主要内容：直流电机、变压器、异步电机、同 步电机和控制电机 重点内容：变压器和异步电机 学习方法：原理+结构+方程+控制
能源与动力
能源有一次能源和二次能源之分。风、水流、石 油、煤炭、原子能、化学能等都属于一次能源， 往往是一些蕴藏的天然能源；电能在自然界中出 现只是在雷电时，无法利用，要想真正使用必须 通过发电机发电，而发电机是靠一次能源释放的 能推动发电的，因此电能属于二次能源。 电能的优点： 电能适宜大量生产和集中管理，传输分配容易， 易于自动控制。
简单并联磁路：磁路有两个以上的分支，变压 器和电机多属于这一类。 例：所示并联磁路，铁心用的材料是DR530硅 钢片，铁心柱和铁轭的截面积均为A=2*2*104m2,此路段的平均长度l=5*10-2m，气隙长度 δ=2.5mm，励磁匝数N1=N2=1000.不计漏磁通， 试求在气隙内产生Bδ=1.211T的磁通密度时，所 需要的励磁电流i.
按能量转换：发电机、电动机、变压器和控制 电机 按怎么运动：变压器、旋转电机和直线电机 按使用电源：直流电机和交流电机 拖动系统动力：气动、液压和电力拖动。 电力拖动优点：经济、高效，控制简单、可调 节性好，可以实现网络化，自动化生产。
电力拖动系统的心脏就是电动机，控制设备是 大脑，电源就是电网，传动机构就是四肢和工 具，生产机械就像我们要搬动的重物一样。 我们在工业生产时将电动机作为一个元件来使 用控制，为了实现对电动机很好的控制，必须 对电机原理、结构、性能、参数有很好的理解， 你才能设计出可靠的控制系统。电机是很多控 制系统的执行元件，因此要对电机进行深入的 理解。
简单串联磁路：不计漏磁通，仅有一个磁回路 的无分支磁路，但由于各段磁路的截面积不同， 材料不同，各段磁通密度未必相同。 例：铁心材料由铸钢和空气隙构成，铁心的截 面积AFe=3*3*10-4m2，磁路的平均长度 A lFe=0.3m，气隙长度δ=5*10-4m，求该磁路获 得磁通量Φ=0.0009Wb所需要的磁动势。考虑 气隙的边缘效应，在计算气隙有效面积时，在 长宽方向各加一个δ值。
磁路的计算两种类型：一、给定磁通量，计算 所需要的磁动势，求磁路内的磁动势，称作磁 路计算的正问题；二、给定磁动势，求磁路内 的磁通量，称作磁路计算的逆问题。电机磁路 计算属于第一种——正问题。 正问题计算的步骤： 1）按材料的截面积不同、材料性质不同给磁 路分成若干段；
2）计算各段磁路的有效截面积、平均长度； 3）计算各段的磁通密度； 4）根据各个Bk求出对应的Hk ，对于铁磁材料， Hk 可以从基本磁化曲线上查出，对于空气隙可 以直接算出 5）计算各段磁位降，最后求产生给定磁通量 时所需要的励磁磁动势F ，即各段磁位降之和。
麦克斯韦
科学史上，称牛顿把天上和地上 的运动规律统一起来，是实现第 一次大综合，麦克斯韦把电、光 统一起来，是实现第二次大综合， 因此应与牛顿齐名。 麦克斯韦大胆的断定，光也是一 种电磁波 麦克斯韦于1873年出版了科学名 著《电磁理论》。系统、全面、 完美地阐述了电磁场理论 没有电磁学就没有现代电工学， 也就不可能有现代文明。
安培
1820年7月 ，H.C.奥斯特发表关 于电流磁效应的论文后，安培报 告了他的实验结果 ：通电的线圈 与磁铁相似 ；9月25日，他报告 了两根载流导线存在相互影响， 相同方向的平行电流彼此相吸， 相反方向的平行电流彼此相斥； 对两个线圈之间的吸引和排斥也 作了讨论 提出了分子电流假说 经典著作:《电动力学现象的数学 理论》
磁路中的基本定理
安培环路定律：沿任何一条闭合曲线，磁场强 度H的线积分等于该闭合曲线所包围的总电流 值。 电流正方向与闭合回线绕行方向呈右手螺旋关 系。 磁路的欧姆定律 磁动势，磁阻
电磁感应定律：切割电动势和变压器电动势 切割电动势：导体切割磁感线时感应的电动势 即e=BLV，B、L、V三者垂直。 变压器磁动势：与线圈铰链的磁通发生变化时 感应出电动势即e=-dΨ/dt,方向由楞次定理来 判断 电磁力定律：载流导体在磁场中受到电磁力的 作用，当磁感线跟导体方向垂直时有F=BIL
为什么只有铁磁材料放入磁场会被磁化：在铁 磁材料的内部存在很多很小的被称为磁畴的天 热磁化区域 在没有外磁场时，磁畴排列混乱，相互抵消； 在有外磁场时，磁畴顺外磁场方向排列整齐， 显出了磁性，和外磁场叠加在一起，使合成的 磁场大为加强。由于铁磁材料磁畴的作用，使 得在同一磁场强度下比非铁磁材料所激励的磁 场强的多，故铁磁材料的磁导率要大很多。
法拉第
制作了第一个电动机 1831法拉第发现第一块磁铁穿 过一个闭合线路时，线路内就 会有电流产生，这个效应叫电 磁感应。并以此制造了发电机。 一般认为法拉第的电磁感应定 律是他的一项最伟大的贡献。 法拉第把磁力线和电力线的重 要概念引入物理学，通过强调 不是磁铁本身而是它们之间的 “场”，为当代物理学中的许 多进展开拓了道路
电机理论中常用物理概念与基本电磁定律
磁感应强度B：磁感应强度又叫磁通密度，描 述磁场的强弱和方向的一个物理量。通常我们 用磁感线来表示。单位：特斯拉 磁场是由电流产生的。磁感线的方向与电流满 足右手螺旋定则。 磁通量Φ：指穿过某一截面积的磁感应强度的 通量。通常用穿过该面积的磁感线条数表示大 小。 Φ= ∫B ·dA。单位：韦伯
直流拖动
直流拖动特点： 具有优异的调速性能，起动转矩大 换相过程容易打火，烧坏电刷和换向器，因此 故障率高，不能在易燃易爆场合使用 同等容量直流电机比交流电机体积更大，价格 更高 作为直流电源使用
交流拖动
交流拖动特点： 交流电机结构简单、价格便宜，使用维修方便 电力电子发展使交流电机调速性能可以和直流 相媲美 交流电源获取很方便 因此异步电机在工业生产以及人的日常生活应 用非常广泛。电力拖动主要是依靠交流电机来 完成的。
磁场强度H：为了建立电流和由其建立的磁场 之间数量关系而引入的物理量。 B=µH 其中µ是磁导率，磁介质导磁性能的物理量。 真空中µ0=4π ×10-7H/m。 铁磁材料中的µ不是一个常数。
磁路的概念
电流流过的路径叫电路。磁通走过的路径叫磁 路。与电流只通导体不同，所有介质都可以是 其通路，分为铁磁介质和非铁磁介质。 变压器和直流电机磁路 用以激励磁路中的磁通的载流线圈叫做励磁线 圈，励磁线圈中的电流叫做励磁电流。励磁电 流是直流磁路中磁通是恒定的，是直流磁路。 励磁电流是交流的磁路，磁通随时间变化，叫 交流磁路
带分支的铁心回路 磁路的基尔霍夫第二定律：沿任何闭合磁路的 总磁动势恒等于各段磁位降的代数和。对应基 尔霍夫电压定律。实质是安培环路定律的另一 种表达形式。 带气隙的磁路
磁路与电路的比较
电路中有电流，就有功 率损耗 电路中认为电流全部在 导体内流动 对线性电路，计算时可 以用叠加定律 直流磁路中，维持一定 的磁通量时，没有功率 损耗 磁路中没有磁绝缘体， 除铁心中磁通外，总有 一部分漏磁通散在空气 中 对于铁心磁路不能用叠 加定律
交流磁路的特点
直流磁路电流恒定，不会在铁心和线圈中感应 电动势；而交流磁路则刚好相反，由于感应电 动势存在还有损耗使问题复杂化，不过每一瞬 间仍可以看作是直流磁路，遵循磁路的基本定 律。
电机中常用铁磁材料的基本磁化曲线
铁磁材料根据磁滞回线的形状不同，铁磁材料 分为硬磁材料和软磁材料 软磁材料：剩磁和矫顽力都很小的材料称为软 磁材料。常用的软磁材料有电工硅钢、铸铁、 铸钢。软磁材料磁导率高，可以制造变压器、 电机铁心，计算磁路时可以不考虑磁滞损耗。 硬磁材料：磁滞回线宽，剩磁和矫顽力都很大 的铁磁材料为硬磁材料。常用来制造永久磁铁。 如铝镍钴、稀土钴、钕铁硼等。
起始磁化曲线：将一个未磁化过得磁铁进行磁 化，当磁场强度H逐渐增强时候，B也随之增 强。测定吃的B-H对应的曲线 就是起始磁化曲 线。 起始磁化曲线分位四段。 磁滞回线：对铁磁材料进行周期性磁化，B-H 之间变化关系的曲线。 剩磁和矫顽力 磁滞现象是铁磁材料的另一个特性。
基本磁化曲线：对于同一铁磁材料，选择不同 的磁场强度Hm反复磁化时，可以得到不同的 磁滞回线，将这些不同的磁滞回线的顶点连接 起来，就得到了基本磁化曲线或平均磁化曲线。 基本磁化曲线和起始磁化曲线几乎完全重合 在磁路计算时所用的磁化曲线都是基本磁化曲 线。
常见的铁磁材料及其特性
为了在磁动势一定的条件下获得较强的磁场， 从而使电机，变压器的尺寸缩小，性能改善， 必须增加磁路的磁导率。也就是要用高导磁的 铁磁材料来作为磁通路。所以变压器和电机铁 心都是铁磁材料做成的。 铁磁物质的磁化：把铁钴镍等材料放入磁场中， 铁磁材料在外磁场中呈现很强的磁性，这时候 铁磁材料就被磁化了。
电能是一种洁净的能源，对环境的污染比较小 电能生产的取材比较多样化 电能在表达、传输信息、产生控制方面具有先 天的优势，极大的促进社会变革 等等优点 我们的生活离不开电能，而电机与电能有着密 切的关系。它是电能的生产者，同时是电能的 主要使用者。
什么是电机
电机俗称马达，是利用电磁感应进行机电能量 转换的一种设备。 靠吸收电能产生扭转力来拖动机器设备的叫做 电动机（各种电机消耗总电能的70%左右） 靠外力拖动转轴转动产生电压输出电流的叫做 发电机 电机的分类： 电机分类方法很多。
铁心损耗：包括磁滞损耗和涡流损耗。 磁滞损耗：铁磁材料置于交变磁场中，材料被 反复磁化，磁畴相互的摩擦而消耗能量并以热 的形式表现出来，造成的损耗为磁滞损耗。 涡流损耗：交变磁铁在导体铁心内感应出电动 势，就有电流流过，产生损耗叫涡流损耗。 铁心损耗Pfe ∝fβ*Bm2 ，β=1.2~1.斯特