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1、西华大学电气信息学院西华大学电气信息学院 首页 【电机与拖动基础】多媒体课件绪 论主要内容：主要内容：v0.1 电机在国民经济中的作用电机在国民经济中的作用v0.2 电机的主要类型及电机中所用电机的主要类型及电机中所用 的材料的材料v0.3 电机的发热、冷却及保护电机的发热、冷却及保护v0.4 研究电机时常用的基本定律研究电机时常用的基本定律v0.5 本课程的性质和任务本课程的性质和任务返回返回上一页上一页下一页下一页退出退出绪绪 论论0.1 电机在国民经济中的作用电机在国民经济中的作用v由于电能适宜于大量生产、集中管理、远距离传由于电能适宜于大量生产、集中管理、远距离传输、灵活分配及自动控制
2、，因而电能成为现代最输、灵活分配及自动控制，因而电能成为现代最常用的一种能源。电机是以电磁感应和电磁力定常用的一种能源。电机是以电磁感应和电磁力定律为基本工作原理进行电能的传递或机电能量转律为基本工作原理进行电能的传递或机电能量转换的机械，在工业、农业、国防、交通运输和家换的机械，在工业、农业、国防、交通运输和家用电器中有着广泛的应用，对国民经济有着重要用电器中有着广泛的应用，对国民经济有着重要的作用。的作用。v 011 电能的生产、传输和分配中的主要设备电能的生产、传输和分配中的主要设备v在电力工业中，发电机和变压器是发电厂和变电在电力工业中，发电机和变压器是发电厂和变电站的主要设备。如图站
3、的主要设备。如图0-1所示。所示。 上一页上一页下一页下一页返回返回图图 0-1 简单的电力系统示意图简单的电力系统示意图 上一页上一页下一页下一页返回返回v012 各种生产机械和装备的动力设备各种生产机械和装备的动力设备 v013 自动控制系统中的重要元件自动控制系统中的重要元件v 随着社会的发展和科学技术的进步，特随着社会的发展和科学技术的进步，特别是近年来超导技术、磁流体发电技术、电别是近年来超导技术、磁流体发电技术、电子与计算机技术的迅猛发展，为新的电机理子与计算机技术的迅猛发展，为新的电机理论和电机技术的发展开辟了广阔的前景。论和电机技术的发展开辟了广阔的前景。上一页上一页下一页下一
4、页返回返回 0.2 电机的主要类型及电机中所用电机的主要类型及电机中所用的材料的材料0.2.1 电机的主要类型电机的主要类型按功能分为：按功能分为：v发电机发电机 把机械能转换为电能；把机械能转换为电能；v电动机电动机 把电能转换为机械能；把电能转换为机械能；v变压器、变频机、变流机、移相机变压器、变频机、变流机、移相机 分别用于改变电分别用于改变电能的电压、频率、电流及相位；能的电压、频率、电流及相位；v控制电机控制电机 作为自控系统中的元件。作为自控系统中的元件。v应该指出，从基本原理上看，发电机和电动机只不应该指出，从基本原理上看，发电机和电动机只不过是电机的两种运行方式，它们本身是可逆
5、的，这过是电机的两种运行方式，它们本身是可逆的，这种特性称为电机的可逆性原理。种特性称为电机的可逆性原理。 上一页上一页下一页下一页返回返回按学科分为：按学科分为： 上一页上一页下一页下一页返回返回v 022 电机中所用的材料电机中所用的材料v电机一般是以磁场为耦合场，利用电磁感应电机一般是以磁场为耦合场，利用电磁感应和电磁力的作用而实现能量转换的机械。因和电磁力的作用而实现能量转换的机械。因此，电机中所用的材料可分为以下此，电机中所用的材料可分为以下4类：类：1）导电材料：构成电机中的电路系统，为了）导电材料：构成电机中的电路系统，为了减少损耗，要求材料的电阻率小，常用的有减少损耗，要求材料
6、的电阻率小，常用的有紫铜和铝。紫铜和铝。2）导磁材料：构成电机中的磁路系统，要求）导磁材料：构成电机中的磁路系统，要求材料具有较高的导磁率和较底的铁耗系数，材料具有较高的导磁率和较底的铁耗系数，常用硅钢片、钢板和铸钢。常用硅钢片、钢板和铸钢。3） 绝缘材料绝缘材料： 作为带电体之间及带电体与铁作为带电体之间及带电体与铁心间的电气隔离。要求材料的介电强度高且心间的电气隔离。要求材料的介电强度高且上一页上一页下一页下一页返回返回 且耐热强度好。按耐热能力可分为且耐热强度好。按耐热能力可分为A、E、B、F、H、C等等6级，其最高允许工作温度分别为级，其最高允许工作温度分别为105、120、130、1
7、55、180和高和高于于180。绝缘材料的寿命受电机工作温度的。绝缘材料的寿命受电机工作温度的影响很大，若电机运行时温度超过允许值，影响很大，若电机运行时温度超过允许值，则其使用寿命将缩短。则其使用寿命将缩短。 4）结构材料：使电机各个零件构成一个整体，结构材料：使电机各个零件构成一个整体，要求材料的机械强度好，加工方便，重量轻要求材料的机械强度好，加工方便，重量轻。 上一页上一页下一页下一页返回返回 0.3 电机的发热、冷却及防护电机的发热、冷却及防护v031 电机中的损耗电机中的损耗v电机运行时，导体中电流产生电阻损耗称为电机运行时，导体中电流产生电阻损耗称为铜耗铜耗 ；铁心中交变磁通产生
8、磁滞损耗和；铁心中交变磁通产生磁滞损耗和涡流损耗称为铁耗涡流损耗称为铁耗 ；上一页上一页下一页下一页返回返回v转动部分与轴承、电刷及空气间的摩擦称为转动部分与轴承、电刷及空气间的摩擦称为机械损耗机械损耗 ；由于齿槽存在，谐波，漏磁；由于齿槽存在，谐波，漏磁等因素而引起的额外损耗称为附加损耗等因素而引起的额外损耗称为附加损耗 。因此，电机中总损耗。因此，电机中总损耗 （0-12） v上述损耗一方面降低了电机的运行效率，另上述损耗一方面降低了电机的运行效率，另一方面转变成热能，使电机发热，温度升高。一方面转变成热能，使电机发热，温度升高。上一页上一页下一页下一页返回返回v 032 电机的发热电机的
9、发热v电机中各种损耗转变的热能，使电机的温度电机中各种损耗转变的热能，使电机的温度升高。电机的温度升高后，便通过辐射和对升高。电机的温度升高后，便通过辐射和对流作用向周围散发热量。流作用向周围散发热量。当电机产生的热量当电机产生的热量等于电机散发出去的热量时，电机的温度便等于电机散发出去的热量时，电机的温度便不再上升而达到某一稳定数值，此值与周围不再上升而达到某一稳定数值，此值与周围冷却介质温度之差，称为温升冷却介质温度之差，称为温升（单位用绝对（单位用绝对温度温度K。从数值上看，用。从数值上看，用K与用摄氏温度与用摄氏温度表示是一样的）。表示是一样的）。上一页上一页下一页下一页返回返回v当电
10、机所用绝缘材料的等级确定后，电机的当电机所用绝缘材料的等级确定后，电机的最高允许温度也就确定了，其温升限值则取最高允许温度也就确定了，其温升限值则取决于冷却介质的温度，即环境温度。为了制决于冷却介质的温度，即环境温度。为了制造全国各地全年都适用的电机，国家标准规造全国各地全年都适用的电机，国家标准规定，环境空气温度为定，环境空气温度为+40。v电机的温升不仅取决于损耗的大小和散热情电机的温升不仅取决于损耗的大小和散热情况，还与电机的工作方式有关。况，还与电机的工作方式有关。制造厂按国制造厂按国家标准的要求对电机的全部电量和机械量的家标准的要求对电机的全部电量和机械量的数值以及运行的持续时间和顺
11、序所作的规定数值以及运行的持续时间和顺序所作的规定称为电机的定额。称为电机的定额。电机的定额分为电机的定额分为：上一页上一页下一页下一页返回返回v（1）连续定额）连续定额，即电机按规定的全部电量和机械，即电机按规定的全部电量和机械量数值，不受时间限制地长期连续运行。这种电量数值，不受时间限制地长期连续运行。这种电机运行时各部分的温升都能达到稳定值，且不会机运行时各部分的温升都能达到稳定值，且不会超过允许温升限值；超过允许温升限值；v（2）短时定额）短时定额，即电机按规定的全部电量和机械，即电机按规定的全部电量和机械量数值，从实际冷态开始在规定的持续时间限值量数值，从实际冷态开始在规定的持续时间
12、限值内运行（标准持续时间有内运行（标准持续时间有10、30、60及及90分钟分钟4种）。这种电机的工作时间比较短，运行时各部种）。这种电机的工作时间比较短，运行时各部分的温升达不到稳定值分的温升达不到稳定值,而运行后的停歇时间相当而运行后的停歇时间相当长，下一次启动运行时电机各部分的温升已降低长，下一次启动运行时电机各部分的温升已降低到零，到零，电机的定额是按标准工作时间结束时达到电机的定额是按标准工作时间结束时达到的实际温升等于允许温升来确定的；的实际温升等于允许温升来确定的； 上一页上一页下一页下一页返回返回v（3）周期工作定额）周期工作定额，即电机按规定的全部电，即电机按规定的全部电量和
13、机械量数值，长期在一系列完全相同的量和机械量数值，长期在一系列完全相同的周期内运行，每个周期包括一个额定负载时周期内运行，每个周期包括一个额定负载时间和一个停机或空载时间，额定负载时间与间和一个停机或空载时间，额定负载时间与整个周期之比称为负载持续率（标准负载持整个周期之比称为负载持续率（标准负载持续率有续率有15%、25%、40%及及60% 4种，每个种，每个周期周期10分钟）。这种电机工作时间和停歇时分钟）。这种电机工作时间和停歇时间都很短，在工作时间结束时温升达不到稳间都很短，在工作时间结束时温升达不到稳定值，在停歇时间结束时温升也降不到零，定值，在停歇时间结束时温升也降不到零，电机的定
14、额是按运行时的实际最高温升等于电机的定额是按运行时的实际最高温升等于允许温升来确定的。允许温升来确定的。上一页上一页下一页下一页返回返回 短时定额和周期工作定额的电机短时定额和周期工作定额的电机应按规定的定额运行，才能保证它的应按规定的定额运行，才能保证它的温升不超过允许温升限值。若把短时温升不超过允许温升限值。若把短时或周期工作定额的电机用来长期运行，或周期工作定额的电机用来长期运行，则其温升将大大超过允许限值而损坏则其温升将大大超过允许限值而损坏电机。电机。上一页上一页下一页下一页返回返回 034 电机的防护：电机的防护： 电机的防护方式有开启式、防护式、封闭式和电机的防护方式有开启式、防
15、护式、封闭式和防爆式。防爆式。1）开启式：即电机的定子两端和端盖上都有很大）开启式：即电机的定子两端和端盖上都有很大的通分口，散热好但只能在清洁、干净的环境的通分口，散热好但只能在清洁、干净的环境中使用。中使用。2）防护式：机座下面有通风口，散热好，但不能）防护式：机座下面有通风口，散热好，但不能防止潮气和灰尘，适于在干燥的环境中使用。防止潮气和灰尘，适于在干燥的环境中使用。3）封闭式：完全封闭，适用于任何环境中）封闭式：完全封闭，适用于任何环境中4）防爆式：在封闭的基础上制成隔爆形式，机壳）防爆式：在封闭的基础上制成隔爆形式，机壳有足够的强度。适用与易燃易爆的场合有足够的强度。适用与易燃易爆
16、的场合。上一页上一页下一页下一页返回返回v035 电机的安装方式电机的安装方式v电机的安装方式分为卧式和立式。卧式电机电机的安装方式分为卧式和立式。卧式电机安装后转轴为水平方向，立式电机的转轴则安装后转轴为水平方向，立式电机的转轴则为垂直方向，两种类型的电机使用的轴承不为垂直方向，两种类型的电机使用的轴承不同，一般情况下用卧式的居多。同，一般情况下用卧式的居多。上一页上一页下一页下一页返回返回 0.4 研究电机时常用的基本定律研究电机时常用的基本定律v041全电流定律（安培环路定律）全电流定律（安培环路定律）： 在磁场中沿任一闭和回路磁场强度的线积在磁场中沿任一闭和回路磁场强度的线积分等于穿过
17、该回路所有电流的代数和，即分等于穿过该回路所有电流的代数和，即 L LH dl=IH dl=I 其中电流的正方向与闭合回路的正方向满其中电流的正方向与闭合回路的正方向满足右手定则。足右手定则。 上一页上一页下一页下一页返回返回图图 0-2 全电流定律全电流定律 上一页上一页下一页下一页返回返回v042 电磁感应定律电磁感应定律v无论何种原因当与线圈交链的磁链无论何种原因当与线圈交链的磁链随时间随时间变化时，线圈中将感应电动势变化时，线圈中将感应电动势e。 ve的大小等于线圈所交链的磁链对时间的变化的大小等于线圈所交链的磁链对时间的变化率，率，e的方向应符合楞次定律，即若该电动势的方向应符合楞次
18、定律，即若该电动势产生一个电流，此电流产生的磁通将反对线产生一个电流，此电流产生的磁通将反对线圈中磁链的变化。圈中磁链的变化。若规定感应电动势的正方若规定感应电动势的正方向与磁通的正方向符合右手螺旋关系，则电向与磁通的正方向符合右手螺旋关系，则电磁感应定律的数学描述可表示为磁感应定律的数学描述可表示为：v （0-2） v式中，式中，N为线圈的匝数，为线圈的匝数，为穿过线圈的磁通。为穿过线圈的磁通。 上一页上一页下一页下一页返回返回v1变压器电动势变压器电动势 若线圈不动，穿过线圈的若线圈不动，穿过线圈的磁通随时间变化，则线圈中的电动势称为变磁通随时间变化，则线圈中的电动势称为变压器电动势，见图
19、压器电动势，见图0-3。图图0-3 变压器电动势变压器电动势 上一页上一页下一页下一页返回返回v2运动电动势（速率电动势）运动电动势（速率电动势） 若磁场恒定，若磁场恒定，构成线圈的导体切割磁力线，使线圈交链的构成线圈的导体切割磁力线，使线圈交链的磁链随时间变化，导体中的感应电动势称为磁链随时间变化，导体中的感应电动势称为运动电动势。若磁力线、导体和运动方向三运动电动势。若磁力线、导体和运动方向三者互相垂直，则导体中感应电动势的大小为者互相垂直，则导体中感应电动势的大小为导体所在处的磁通密度导体所在处的磁通密度B与导体切割磁力线的与导体切割磁力线的有效长度及导体相对磁场运动的线速度三者有效长度
20、及导体相对磁场运动的线速度三者之积。即之积。即v e=Blv （0-3）v感应电动势的方向由图感应电动势的方向由图0-4所示的右手定则确所示的右手定则确定。定。上一页上一页下一页下一页返回返回图图0-4 右手定则右手定则 上一页上一页下一页下一页返回返回v043 电磁力定律电磁力定律v载流导体在磁场中要受到力的作用，该载流导体在磁场中要受到力的作用，该力被称为电磁力。其大小在导体与磁力力被称为电磁力。其大小在导体与磁力线相垂直时等于导体所在处磁场的磁通线相垂直时等于导体所在处磁场的磁通密度密度 B与导体有效长度及导体中的电流与导体有效长度及导体中的电流三者乘积，即三者乘积，即 v f=Bli
21、（0-4）v电磁力的方向由图电磁力的方向由图0-5所示的左手定则所示的左手定则确定。确定。 上一页上一页下一页下一页返回返回图图0-5 左手定则左手定则 上一页上一页下一页下一页返回返回 在旋转电机中，作用在转子载流在旋转电机中，作用在转子载流导体上的电磁力将使转子受到一个力导体上的电磁力将使转子受到一个力矩，我们称之为电磁转矩。矩，我们称之为电磁转矩。电磁转矩电磁转矩是电机实现机电能量转换的重要物理是电机实现机电能量转换的重要物理量。量。上一页上一页下一页下一页返回返回v044 电路定律电路定律v1欧姆定律欧姆定律 一段电路上的电压降等于流过该电一段电路上的电压降等于流过该电路的电流与电路的
22、电阻路的电流与电路的电阻R的乘积，的乘积， 即即u=iRv2基尔霍夫第一定律（电流定律）基尔霍夫第一定律（电流定律） 在电路中任在电路中任一节点上，电流的代数和恒等于零，即一节点上，电流的代数和恒等于零，即 v = 0 （0-6）v3基尔霍夫第二定律（电压定律）基尔霍夫第二定律（电压定律） 在电路中，在电路中，对任一回路，沿回路环绕一周，回路内所有电动对任一回路，沿回路环绕一周，回路内所有电动势的代数和等于所有电压降的代数和，即势的代数和等于所有电压降的代数和，即v e= ue= u （0-7）v该定律是电机中电动势平衡方程式的理论依据。该定律是电机中电动势平衡方程式的理论依据。上一页上一页下
23、一页下一页返回返回v045 磁路及磁路定律磁路及磁路定律v电流在它周围的空间建立磁场，磁场的分布电流在它周围的空间建立磁场，磁场的分布常用一些闭合线（磁力线）来描述，常用一些闭合线（磁力线）来描述，磁力线磁力线所经路径称为磁路所经路径称为磁路。磁路的材料不同，其导。磁路的材料不同，其导磁性能不同。铁磁物质由于其内部结构特点，磁性能不同。铁磁物质由于其内部结构特点，其磁导率其磁导率Fe可达非铁磁物质磁导率可达非铁磁物质磁导率0的数千的数千倍，且倍，且Fe 的大小随外磁场大小变化而变化，的大小随外磁场大小变化而变化，存在磁饱和现象，其存在磁饱和现象，其B=f（H），），=f（H）关）关系曲线如图系
24、曲线如图0-6所示；所示； 上一页上一页下一页下一页返回返回图图0-6 铁磁材料的磁化曲线铁磁材料的磁化曲线 上一页上一页下一页下一页返回返回v其次，在交变磁场作用下，存在磁滞和其次，在交变磁场作用下，存在磁滞和涡流现象，在铁磁物质内产生能量损耗，涡流现象，在铁磁物质内产生能量损耗，即铁耗。非铁磁物质的磁导率为常量，即铁耗。非铁磁物质的磁导率为常量，0=410-7 H/m，其，其B= f（H）为直线。）为直线。 v从磁场的基本关系可导出与电路定律相从磁场的基本关系可导出与电路定律相似的磁路定律如下：似的磁路定律如下： 上一页上一页下一页下一页返回返回v1磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律v将全电流定
25、律应用到图将全电流定律应用到图0-7所示材料相同截面相等的所示材料相同截面相等的无分支闭合磁路上，则有无分支闭合磁路上，则有 v因为，因为， ，于是，于是v v （0-8） 上一页上一页下一页下一页返回返回图图0-7 无分支磁路无分支磁路 上一页上一页下一页下一页返回返回v2磁路的基尔霍夫第一定律磁路的基尔霍夫第一定律v由于磁力线是闭合线，因此，对任一封闭由于磁力线是闭合线，因此，对任一封闭面而言，穿入的磁通必等于穿出的磁通，面而言，穿入的磁通必等于穿出的磁通，这就是磁通连续性原理。对有分支的磁路这就是磁通连续性原理。对有分支的磁路而言，在磁通汇合处的封闭面上磁通的代而言，在磁通汇合处的封闭面
26、上磁通的代数和等于零，即数和等于零，即v= 0 上一页上一页下一页下一页返回返回图图0-8 有分支磁路有分支磁路 上一页上一页下一页下一页返回返回 3）磁路的基尔霍夫第二定律）磁路的基尔霍夫第二定律 磁路和电路在这里有所不同，在磁路中，构成磁路和电路在这里有所不同，在磁路中，构成磁路的各个部分的材料和截面会有所不同，这样磁路的各个部分的材料和截面会有所不同，这样在分析时，我们要将磁路进行分段，每段有相同在分析时，我们要将磁路进行分段，每段有相同的材料和截面，即的材料和截面，即B和和要相同。则要相同。则上一页上一页下一页下一页返回返回 注意：尽管磁路和电路在物理量和注意：尽管磁路和电路在物理量和
27、基本定律上有一一对应的关系，但基本定律上有一一对应的关系，但是，磁路和电路仍有本质的区别：是，磁路和电路仍有本质的区别：1）电路中可以有电动势而无电流，）电路中可以有电动势而无电流，磁路中有磁动势必有磁通磁路中有磁动势必有磁通;2）电路中有电流就有功率损耗，而）电路中有电流就有功率损耗，而在恒磁通下，磁路中无损耗在恒磁通下，磁路中无损耗;上一页上一页下一页下一页返回返回3）电流只在导体中流过，而磁路中除了）电流只在导体中流过，而磁路中除了主磁通外还必须考虑到漏磁通的影响主磁通外还必须考虑到漏磁通的影响;4）电路中电阻率在一定温度下恒定不变，）电路中电阻率在一定温度下恒定不变，而由于铁磁材料构成
28、的磁路中，磁导率而由于铁磁材料构成的磁路中，磁导率是随着磁密而变化的，所以磁导率不是是随着磁密而变化的，所以磁导率不是一个。一个。上一页上一页下一页下一页返回返回v 046 能量守恒定律能量守恒定律v电机是电能传递或机电能量转换的机械，电机是电能传递或机电能量转换的机械，在能量传递或转换过程中电机自身消耗的在能量传递或转换过程中电机自身消耗的功率称为损耗。稳态运行时，必然存在输功率称为损耗。稳态运行时，必然存在输入功率入功率P1等于输出功率等于输出功率P2与所有损耗与所有损耗p之之和，即和，即v （0-11）v上述定律是建立电机运行时基本方程式的上述定律是建立电机运行时基本方程式的理论依据。理
29、论依据。 上一页上一页下一页下一页返回返回 0.5 本课程的性质与任务本课程的性质与任务v电机与拖动基础是电气工程与自动化或电气电机与拖动基础是电气工程与自动化或电气工程及其自动化、自动化专业的一门重要的工程及其自动化、自动化专业的一门重要的技术基础课。从应用的角度出发，分析变压技术基础课。从应用的角度出发，分析变压器、直流电机、异步电机和同步电机四类主器、直流电机、异步电机和同步电机四类主要电机的基本结构、工作原理、电磁关系和要电机的基本结构、工作原理、电磁关系和运行特性，为掌握本专业和学习后续课程打运行特性，为掌握本专业和学习后续课程打下理论基础。下理论基础。v作业：习题作业：习题0-8，0-9，0-10 退出退出上一页上一页返回返回
