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1、绪论 电机、电力拖动的基本概况,关于能量 关于电机 关于本课程,绪论,一、关 于 能 量,1. 能量的运动方式,风能,变换,一种形式,另一种形式,2. 能量的基本存在形式,机械能,电能,热能,核能,磁能,光能,关于能量,化学能,二、关 于 电 机,一种能量变换 装置,集电能、磁能 和机械能 为一体,一种典型的机电一体化 设备,可控性 越来越强,关于电机,电机的应用分类,电动方式 消耗电能 发电方式 产生电能,二、关 于 电 机,关于本课程(一),三、关 于 本 课 程,专业目的 研究电机，对其实施预想的控制（后续课程：运动控制系统）,预备知识 电路原理（电动势，电势平衡，复阻抗，电路的相量分析
2、） 电磁学（电磁效应） 运动力学（力矩，运动状态）,学习内容 电动势，电势平衡，电磁转矩，相量图及其分析； 工作特性，机械特性，机械负载，功率损耗，有功功率，无功功率； 空载运行，负载运行，电机起动，电动运行，制动运行；,三、关 于 本 课 程,学习方式 以物理 概念领先，数学描述随后； 突出主要知识点，以点 带面； 注意知识的持续 性、关联 性； 摈弃“按例解题”学习模式，建立独立的、发散的 和思辩的 思维方式；,教与学 课堂教学：参与和互动； 成绩评价体系：,课堂记录,实验记录,作业记录,理论考试,四部分,60%左右,40%左右,关于本课程(二),第一章 磁路,基本定律及物理概念 磁场与电
3、流 磁路与电路,第一章 磁路,1-1 磁路的基本定律,一、（电）磁场存在的基本要素,磁场源，励磁源，励磁电流 磁路，磁通路径,二、（电）磁场的基本物理量,磁通 描述 通过一定横截面积的磁力线总数 符号 类型 矢量 量纲 Wb ； 1 Wb = 108 lines 磁感应强度 ，磁通密度 描述 通过单位面积的磁力线数量 符号 B ；B = / A(面积) 类型 矢量 量纲 Wb/m2,面积A,磁力线,单位面积,1-1磁路的基本定律（一）,磁势（磁动势） 描述 衡量磁场源的基本强度 符号 F F = i N 类型 矢量 量纲 Aturn(安匝) 磁场强度 描述 在单位长度的磁力线上磁场源所分配的励
4、磁磁势大小 符号 H B = H 类型 矢量 量纲 T（特斯拉） 或 A / m 或 Aturn / m 磁导率 描述 衡量指定物质导磁能力大小的物理量 符号 类型 标量 量纲 H / m 在真空介质中 o= 4 10-7 H/m,1-1 磁路的基本定律,1-1磁路的基本定律（三）,提示： 磁势不仅与流过电流载体的安培强度有关，还与电流载体围绕磁路的匝数有关,提示： 此量纲称为：亨每米,1-1磁路的基本定律（四）,1-1 磁路的基本定律,三、磁与电的联系,磁场与电流 安培环路定律 P 7 右手定则,+ _,绕组 N 匝,磁性铁心 ,横截面A,铁心平均长度 lc,i,磁势的大小： F = i N
5、 = Hclc,磁路的基本定律（六）,1-1 磁路的基本定律,磁路与电路 磁路欧姆定律 P 7 磁路与电路的区别 P 9,+ _,V,R,I,F,+ _,Rm,电路 磁路,思考（一）,1-1 磁路的基本定律,磁导率 （H/m）的量纲 H是即电感量的量纲，解释 1H 的物理含义是什么?预测电磁元件的电感量受哪些参量的影响？ 在假定每种磁介质的 为常数的前提下，如何解释磁导率 （H/m）的物理意义？试写出可能的物理描述。, 思考题 ,常用的铁磁材料及其特性,1-2 常用的铁磁材料及其特性,一、铁磁物质的磁化,很多铁磁材料在常态下不显磁性，只有通过外磁场的激励，才表现出很强的磁性。,一般用于电机的铁
6、磁材料其Fe=(2000 6000)0，因而采用铁磁材料构成磁路铁心，再由电场激励磁场成为产生电机电磁场的必然途径。,、铁磁材料的磁化特性,1-2 常用的铁磁材料及其特性,二、铁磁材料的磁化特性,三、铁磁材料的分类和损耗,1-2 常用的铁磁材料及其特性,三、铁磁材料的分类和损耗,铁心损耗 P12 磁滞损耗：铁心的磁能热耗散 涡流损耗：铁心的电热损耗,第二章 直流电机,原理与构造 基本物理量与工作特性 数学描述,第二章 直流电机,一、直流电动机的电磁力运动现象（左手定则）,2-1 工作原理及结构,2-1工作原理及结构,ax 、by段虽然有电流，由于其平行于磁力线，无切割运动，故不会产生感应力而影
7、响旋转运动,通电后，导体ab段受到向左的电磁力作用，导体ab段受到向右的电磁力作用，整个导体框产生以虚线为轴心得逆时针旋转运动。,换向器连续转动,2-1 工作原理及结构,外电源固定极性电流,三维图示,2-1 工作原理及结构,2-1工作原理及结构,2-1 工作原理及结构,直流电源,左手定则,瞬间 旋转运动,换向器,持续 旋转运动,输出转矩,产生 电磁转矩,直流电动机的能量变换途径：,2-1 工作原理及结构,二、直流发电机的电磁感应现象（右手定则）,恒定磁场，运动的导体（单方向运动）,借助换向器，保证输出为直流电压,直流电源,右手定则,交变 感应电势,换向器,直流 感应电势,输入转矩,产生 感应电
8、势,2-1工作原理及结构,2-1,电动运行,发电运行,2-1 工作原理及结构,直流电机电气原理图,2-1 工作原理及结构,三、直流电机的基本结构,机械结构,定子部分,转子部分,主磁极 换向极 机座 电刷装置,电枢铁心 电枢绕组 换向器,电气结构,励磁回路,电枢回路,主磁极 换向极 电刷装置,电枢绕组 换向器,三、直流电机结构,2-1工作原理及结构,电枢（绕组）,电刷,换向器,电源接线端,机械连结轴,主磁极，励磁绕组,2-1 工作原理及结构,2-3直流电机的绕组结构特征,直流电机电枢绕组的基本结构特征,2-3 直流电机的绕组,为产生足够的电磁力或发电电动势 需要将均匀分布的多个电枢线圈相互并串联
9、，形成绕组。,单绕组结构: 优：增加线圈数量，在旋转一周过程中始终有一个绕组产生均衡的电磁力或发电电势。 劣：任何时刻只有一个绕组产生电磁效应，结构利用率低，效能差。,多绕组结构,该绕组结构工作时有几条电流支路？图示状态的电流路径如何，以绕组端排序表示。,多绕组结构: 绕组 1-2，3-4，5-6，7-8 共四组。 利用换向片将绕组端 1和8，3和2 ，4和5，6和7 永久短接。 优：通过绕组串并联，增加通电线圈的数量（匝数），大大提高了在旋转一周过程中产生的电磁力或发电电势。,2-3 直流电机的绕组,多对极励磁,N,N,S,S,极对数： P=2,2-3 直流电机的绕组,多对励磁极结构:,2-
10、4 直流电机的励磁方式和磁场,并励方式,他励方式,串励方式,2-4励磁方式,复励方式,一、直流电机的基本励磁结构,空载和负载励磁状态,2-4 直流电机的励磁方式和磁场,二、直流电机的空载励磁状态 P30,直流电机的空载状态定义：无负载的运行状态 主磁通取决于励磁电流强度,三、直流电机的负载励磁状态 P32,直流电机的负载达到一定强度后，其电枢电流的励磁作用不可忽略 电枢反应：去磁作用,2-6 感应电动势和电磁转矩,在电机的物理量中： 感应电动势 主要的电气特征量 电磁转矩 主要的机械特征量,一、感应电动势 Ea,量纲：伏特 无论导体是否带电，只要按一定方向切割磁力线，导体都将产生感应电动势。
11、直流电机的感应电动势,；Ce 电动势常数 Ea = Ce n ； 合成磁通 ；n 电机转速,2-6感应电动势和电磁转矩,P=2的直流电动机感应电动势分析,2-6 感应电动势和电磁转矩,元件的指定支路边电流变化波形,电枢空间位置与电角度的关系,由于磁极与换向电刷的配合,使电枢元件边的电流极性与磁极极性总保持相对一致性。当电流相角度发生半周变化即时，元件边切割的磁通也正好发生半周变化即。,电角度,2-6 感应电动势和电磁转矩,P=1：,设定电枢绕组每一边支路经过磁通变化半个周期时，需要的时间为t：,P=2：,导出P38 (2-18)式,2-6 感应电动势和电磁转矩,求t时间内最后感应电势平均值，最
12、后考虑电枢绕组总有效元件电势总量值。 式2-21,感应电动势,推导线索,电磁感应定律,单位绕组以速度n旋转时的平均感应电动势,考虑总量,2-6 感应电动势和电磁转矩,电磁转矩,二、电磁转矩 Tm,2-6 感应电动势和电磁转矩,量纲：牛顿米 具有矢量特征（顺反两种方向）。 直流电机的电磁转矩,； 合成磁通 Tm = CM Ia ；CM 转矩常数 ；Ia 电机电枢电流,推导线索,电磁力定律 单个元件所受电磁力,；Ny 每个元件的匝数,电磁转矩,元件所受电磁转矩,2-6 感应电动势和电磁转矩,；Da 电枢转轴直径,每极下的电磁转矩,由于每个磁极下的磁通为,电磁转矩,电枢（P对磁极）总电磁转矩为,2-
13、6 感应电动势和电磁转矩,电磁转矩 Tem 的大小与每极磁通和电枢电流的乘积成正比, 思考 当电枢回路电流为零时，是否能确定Ea为零？ 当机转速为零时，是否能断定 Tem 为零？,机电能量的关系,三、机电能量的关系,2-6 感应电动势和电磁转矩,EaIa： 通过电磁感应输送到电机的电功率 Tem：通过电枢转轴输送的机械功率,2-7直流电机的运行原理,2-7 直流电机的运行原理,一、描述运行规律的一般数学表达,1. 电动势平衡方程式(以电枢回路为主),电动运行状态 发电运行状态,电 动 运 行,思考,一台直流电机，励磁磁场恒定，电枢电阻 Ra=1，当作为电动机稳定运行时，外加 Ua=200V直流
14、电压，电枢电流为10A；当作为发电机运行时，外力拖动其稳定运行于同一转速，发电输出电流为 20A。 估算其输出的发电电压 UF =？,转矩平衡方程式,2. 转矩平衡方程式,电动运行状态 发电运行状态,2-7 直流电机的运行原理,电 动 运 行,能量平衡方程式,2-7 直流电机的运行原理,3. 能量平衡方程式(以电动机为例 ),电功率,机械功率,转速特性,2-7 直流电机的运行原理,二、直流电动机的工作特性,电机为使用者提供的典型运行规律 P4345 定义：在U = UN，If = IfN，电枢回路无外串电阻时，电动机的 n，Tem， = f ( P2 或 Ia )关系。,转速特性 (以并励电动
15、机为例 ) n= f ( Ia ),转速特性的特殊工作点,2-7 直流电机的运行原理,n0：电机在电枢电流为0时的转速，称为电机在该工作条件下的理想空载转速。,当 n = nN Ia = IN时：电机工作在额定工作点。,转矩特性,2-7 直流电机的运行原理, 思考 电动机处于稳定空载运行时，大致在该特性的哪个位置点？,转矩特性 (以并励电动机为例 ) Tem= f ( Ia ),效率特性,效率特性 (以并励电动机为例 ) = f ( Ia ),2-7 直流电机的运行原理,思考题,2-7 直流电机的运行原理,（并励）直流电动机工作特性,第八章 动力学基础,第八章 电力拖动系统的动力学基础,运动方程式 负载转矩特性,8-1 运动方程式,8-1 电力拖动系统的运动方程式,一、电力拖动系统的一般结构,电网电源,受控电源,电动机,机械负载,二、运动方程式,直线运动： 旋转运动：,；J = GD2/4g,运动方程式,电动机运动方程式：,8-1 电力拖动系统的运动方程式,运动方程与运动状态,T = TZ 时，dn/dt = 0，稳定运动，无加速度，稳态 T TZ 时，dn/dt 0，加速运动，正加速度，动态 T TZ 时，dn/dt 0，减速运动，负加速度，动态,二维坐标系的建立,
