電機及拖動基礎第四版馮浩源電機與拖動課程介紹

本課程主要講授直流電動機、變壓器、交流異步電動機的構成及原理，內部電、磁、力關系，能量轉換關系等。在此基礎上，講解電機的外部特性及其起動、制動、調速特性。拖動系統的動力學特征。介紹部分控制電機。本課既是研究該領域的基礎理論學科，又是一門獨立的基礎應用課，可以直接為工農業生產服務。本科程的理論性與實踐性都很強。通過本課程學習，使學生掌握各種電機的基本結構與工作原理，獨立分析電力拖動系統各種運行狀態，掌握有關計算方法，合理地選擇和使用電動機，為本專業“運動控制專業方向”的專業課打下基礎。2（一）目的：本課程是“工業自動化”專業的一門專業基礎課。“電機及其拖動系統”作為自動化專業的典型控制對象。本課程的目標一方面是從理論的角度講清楚電機內部電、磁、力的相互關系，同時從拖動系統角度觀察，電機只是個控制對象，所以更應突出電機的外部特性及其形成的原因。本課程是自動化專業后續課程的基礎（體現它的基礎性），又是具體的工程實際對象（體現它的專業性）。（二）任務：要從理論的角度講清楚電機內部的電、磁、力的相互關系，外部的基本特性。同時處理好時間、空間、線性、非線性、電路、磁路、旋轉、靜止等的關系，以及如何將一個實際問題轉換為理論問題和在理論指導下分析實際問題的能力。本課程的目的和任務3第二章：直流電機（8學時）（一）基本要求：直流電動機的基本原理、基本結構、磁路、主極磁場、電樞繞組（單波）、電樞磁場（靜止特征）、電樞反應；電磁轉矩、電樞電動勢的計算；電動勢及功率平衡方程式；機械特性及勵磁方式對其的影響。熟練掌握和運用他勵直流電動機的等值電路圖。（二）內容：第一節：直流電動機的工作原理及結構，實驗室參觀第三節：直流電動機的繞組第四節：直流電動機的勵磁方式及磁場第五節：感應電動勢和電磁轉矩的計算第六節：直流電機的運行原理第七節：直流電機的換向5第三章：變壓器（6學時）（一）基本要求：掌握變壓器的基本原理、結構；三種分析方法，特別是對等值電路圖的理解；變壓器的空載和短路實驗；三相變壓器的連接組別的判斷。（二）內容：第一節：變壓器的工作原理、分類及結構第二節：單相變壓器的空載運行第三節：單相變壓器的基本方程式第四節：變壓器的等效電路及相量圖第五章：等效電路的參數測定第六節：三相變壓器第七節：變壓器的穩態運行第八節：自耦變壓器與互感器6第四章：三相異步電動機的基本原理（4學時）（一）基本要求：掌握三相異步電動機的原理、結構；熟悉三相異步電動機繞組及其磁勢；掌握三相異步電動機內部的電磁過程和三種分析方法，特別是等值電路圖和變壓器等值電路圖的比較；掌握三相異步電動機的功率、轉矩平衡方程式；掌握三相異步電動機的機械特性；熟悉參數測定方法。（二）內容：第一節：三相異步電動機的工作原理及結構第三節：三相異步電動機的定子繞組第四節：三相異步電動機的定子磁動勢及磁場第五節：三相異步電動機定子繞組的電動勢7第五章：三相異步電動機的運行原理（6學時）（一）基本要求：掌握三相異步電動機內部的電磁過程和三種分析方法，特別是等值電路圖和變壓器等值電路圖的比較；掌握三相異步電動機的功率、轉矩平衡方程式；掌握三相異步電動機的機械特性。（二）內容：第一節：三相異步電動機運行時的電磁過程第二節：三相異步電動機的等效電路及相量圖第三節：三相異步電動機的功率和轉矩8第八章：電力拖動系統動力學基礎（2學時）（一）基本要求：講解電力拖動的機械特性與過渡過程，分析運動方程，對方程中各參數的折算方法進行分析和生產機械的負載轉矩特性（二）內容：第一節：電力拖動系統的運動方程式第二節：工作機構轉矩、力、飛輪慣量和質量的折算第三節：電動機和工作機構間速比可變的系統第五節：生產機械的負載轉矩特性10第十章：三相異步電動機機械特性

及各種運轉狀態（2學時）（一）基本要求：主要學習三相異步電動機機械特性和在各種運轉狀態下機械特性的計算，著重介紹機械特性三種表達式的建立、固有機械特性與人為機械特性的分析及繪制方法。（二）內容：第一節：三相異步電動機機械特性的三種表達式第二節：三相異步電動機的固有機械特性與人為機械特性12第一章磁路第一節磁路的基本定律

電機是進行機電能量轉換的裝置

機電能量轉換的媒介是磁場，磁場的路徑稱為磁路。在工程中，通常將磁場問題簡化為磁路問題。14一.磁場的幾個常用量

磁感應強度（又稱磁通密度）B

——表征磁場強弱及方向的物理量。單位：Wb/m2(或:T特斯拉)

磁通量Φ

——垂直穿過某截面積的磁力線總和。單位：Wb

磁場強度H

——計算磁場時引用的物理量。

B=μH，單位：A/m(或:Oe奧斯特)15磁通所通過的路徑稱為磁路二.磁路的概念通過鐵心內的磁通稱為主磁通，主磁通用來進行能量轉換或傳遞。圍繞載流線圈，在部分鐵心和鐵心周圍，還存在少量分散的磁通，稱為漏磁通，漏磁通不參加能量轉換和傳遞。16用以激勵磁路中磁通的載流線圈稱為勵磁線圈，勵磁線圈中的電流稱為勵磁電流。若勵磁電流為直流，磁路中的磁通是恒定的，這種磁路稱為直流磁路，直流電機的磁路屬于直流磁路。若勵磁電流為交流，磁路中的磁通是隨時間變化而變化的，這種磁路稱為交流磁路，變壓器、感應電機的磁路屬交流磁路。17三、磁路的基本定律1、安培環路定律

沿任何一條閉合回線L，磁場強度H的線積分等于該閉合回線所包圍的電流的代數和。

如果在均勻磁場中，沿著回線L磁場強度H處處相等，則18磁路與電路的類比：與電路中的歐姆定律在形式上十分相似。磁路磁動勢等于磁通乘以磁阻電路電動勢等于電流乘以電阻磁通量Φ類比于電流I，用相應的模擬電路來說明。20[例1-1]有一閉合鐵心磁路，鐵心的截面積A=9×10-4m2,磁路的平均長度

l=0.3m，鐵心的磁導率μFe=5000μ0，套裝在鐵心上的勵磁繞組為500匝。試求在鐵心中產生1T的磁通密度時，需要多少勵磁磁動勢和勵磁電流？解用安培環路定律求解如下,已知:B=1T21（2）磁路的基爾霍夫電壓定律沿任何閉合磁路的總磁動勢恒等于各段磁路磁位差的代數和。實際上，電機和變壓器的磁路是由數段不同截面，不同鐵磁材料的鐵心組成，其中還可能含有氣隙。在計算磁路時，總是把整個磁路分成若干段，每一段由同一材料構成、截面積相同且段內磁通密度處處相等。這樣總的磁動勢為：23磁路和電路有相似之處，卻要注意有以下幾點差別：1）電路中有電流I時，就有功率損耗；而在直流磁路中，維持一定磁通量，鐵心中沒有功率損耗。2）電路中的電流全部在導線中流動；而在磁路中，總有一部分漏磁通。3）電路中導體的電阻率在一定的溫度下是恒定的；而磁路中鐵心的導磁率隨著飽和程度而有所變化。4）對于線性電路，計算時可以用疊加原理；而在磁路中，B和H之間的關系為非線性，因此計算時不可以用疊加原理。24二、磁化曲線和磁滯回線1、起始磁化曲線

將一塊未磁化的鐵磁材料進行磁化，當磁場強度H由零逐漸增加時，磁通密度B將隨之增加。用B=f(H)描述的曲線就稱為起始磁化曲線。開始磁化時，外磁場較弱，磁通密度增加不快，如Oa段，隨著外磁場的增強，鐵磁材料內部大量的磁疇開始轉向，此時B值增加得很快，如ab段，若外磁場繼續增加，可轉向的磁疇越來越少，B值增加得越來越慢，如bc段，這種現象稱為飽和。達到飽和后，磁化曲線基本上與非鐵磁材料的特性相平行的直線。如cd段。磁化曲線開始拐彎的b點，稱為膝點或飽和點。26由于鐵磁材料的磁化曲線不是一條直線，所磁導率也不是常數，將隨著H值的變化而變化。進入飽和區后，μFe急劇下降，直到趨近于μ0，這表明，在鐵磁材料中，磁阻隨飽和度增加而增大。μfe各種電機、變壓器的主磁路中，為了獲得較大的磁通量，又不過分增大磁動勢，通常把鐵心內工作點的磁通密度選擇在膝點附近。272、磁滯回線剩磁——當H從零增加到Hm時，B相應地從零增加到Bm；然后再逐漸減小H，B值將沿曲線ab下降。當H=0時，B值并不等于零，而是Br。這就是剩磁。磁滯回線——當H在Hm和－

Hm之間反復變化時，呈現磁滯現象的B－H閉合曲線，稱為磁滯回線。28三、鐵磁材料1、軟磁材料：磁滯回線較窄。剩磁和矯頑力都小的材料。軟磁材料磁導率較高，可用來制造電機、變壓器的鐵心。2、硬磁材料：磁滯回線較寬。剩磁和矯頑力都大的鐵磁材料稱為硬磁材料，可用來制成永久磁鐵。30四、鐵心損耗1、磁滯損耗——材料被交流磁場反復磁化，磁疇相互摩擦而消耗的能量。2、渦流損耗——鐵心內部由于渦流在鐵心電阻上產生的熱能損耗。3、鐵心損耗——磁滯損耗和渦流損耗之和。31第三節直流磁路的計算

磁路計算正問題——給定磁通量，計算所需的勵磁磁動勢磁路計算逆問題——給定勵磁磁勢，計算磁路內的磁通量磁路計算正問題的步驟：1）將磁路按材料性質和不同截面尺寸分段；2）計算各段磁路的有效截面積Ak和平均長度lk；3）計算各段磁路的平均磁通密度Bk

，Bk=Φk/Ak；4）根據Bk求出對應的Hk；5）計算各段磁位降Hklk，最后求出F=∑Hklk。磁路計算逆問題——因為磁路為非線性的，用試探法。32一、簡單串聯磁路[例1-2]鐵心由鑄鋼和空氣隙構成，截面積AFe=0.0009m2，磁路平均長度lFe=0.3m，氣隙長度δ=5×10-4m，求該磁路獲得磁通量Φ=0.0009Wb時所需的勵磁磁動勢。注:在計算氣隙截面積時,考慮到氣隙磁場的邊緣效應,通常在長、寬方向各增加一個δ。33解：鐵心內磁通密度為從鑄鋼磁化曲線查得：與BFe對應的HFe=9×102A/m空氣隙中：鐵心段的磁位降：所以，勵磁磁勢為F=HFelFe+Hδlδ=655A34二、簡單并聯磁路[例1-3]鐵心由DR530硅鋼片構成，鐵心柱和鐵軛截面積AFe=0.0004m2，磁路平均長度lFe=0.05m，氣隙長度δ1

=δ2=2.5×10-3m，勵磁線圈匝數N1=N2=1000匝。不計漏磁通，試求