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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 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 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
2、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 1Wb 108lines磁
3、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FF i N类型矢量量纲A turn 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磁磁势大小符号HB H类型矢量量纲T 特斯拉 或 A m或A turn 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 7H 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
4、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P7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 iN 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P7磁路与电路的区别P9 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
5、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
6、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
7、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
8、要将均匀分布的多个电枢线圈相互并串联 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 4
9、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 直流电机的感应电动势 Ce电动
10、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 最后考虑电枢绕组总有效元件电势总量值 式2 21 感应电动
11、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 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
12、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
13、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P43 45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 nNIa IN时 电机工作在额定工作点 转矩特性 2 7
14、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
15、 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 8 4生产机械的负载转矩特性 确立描述转矩与转速函数的二维坐标系 主体物自身转矩 力矩 与其旋转速度的特性关系 n 负载特性 8 4生产机械的负载转矩特性 电动机负载 通过电动机的转子主轴向电动机施加阻力转矩作用的物理主体称为电动机的负载负载转矩特性 指从电动机一侧观察到的负载转矩与转速的函数关系 负载自身机械特性关于纵轴的投影 一 恒转矩负载特性 特点 指负载转矩大小恒定 与转速的大小无关 代表 位能负载 反作用负载等 描述 Tz 常
16、数 反作用负载 位能负载 负载特性 8 4生产机械的负载转矩特性 二 恒功率负载特性 特点 负载转矩越大 转速越低 反之 转速越高 代表 机床负载等 描述 Tz K n 恒功率负载 通风机负载 三 通风机负载特性 特点 负载转矩与转速的平方成正比 代表 风扇负载等 描述 Tz Kn2 思考题 8 4生产机械的负载转矩特性 思考 用直流发电机作电动机 他励 的负载 该负载特性具有什么特征 试画出特性示意图 若要求在同样转速下的负载强度增加1倍 忽略速度受负载强度变化的影响 该如何调整发电机回路的参数 负载特性如何变化 试画出特性示意图 F n U Ea n Kd RF Kf Uf Rf D A1 n 第九章直流电动机的电力拖动 他励电动机的机械特性他励电动机的启动分析和应用他励电动机的的制动分析和应用 8 1机械特性 9 1他励直流电动机的机械特性 一 电动机机械特性的定义和数学描述 R R Ra 电动机机械特性 n f T T Td To 电动运行 一般情况下可忽略空载损耗转矩To T Td 机械特性 由于CT 9 55Ce 特殊工作点 理想工作点 0 no 实际工作点 Io n o
