2025/6/261

電機與拖動基礎2025/6/262電機基礎知識★1.1電機的分類和應用★1.2常用的基本電磁定律★1.3磁路計算仿真1.1電機的分類和應用2025/6/262025/6/2641.1.1什么是電機

在電能的生產、轉換、傳輸、分配、使用與控制等方面，都必須通過能夠進行能量(或信號)傳遞與變換的電磁機械裝置，這些電磁機械裝置被廣義地稱為電機。通常所說的電機，是指那些利用電磁感應原理設計制造而成的、用于實現能量(或信號)傳遞與變換的電磁機械的統稱。

2025/6/265按電機的功能來分類，電機可分為：

(1)發電機--把機械能轉變成電能；(2)電動機--把電能轉變成機械能；(3)變壓器、變頻器、變流機、移相器等，是分別用于改變電壓、頻率、電流及相位的，即把一種類型的電能轉變成另一種類型的電能；(4)控制電機--應用于各類自動控制系統中的控制元件。

1.1.1什么是電機

2025/6/266始于19世紀60～70年代的第二次工業技術革命是以電力的廣泛應用為顯著特點的。從此人類社會由蒸汽機時代步入了電氣化時代。1866年，德國工程師西門子制成發電機；1870年比利時人格拉姆發明了電動機;1882年法國學者德普勒發明了遠距離送電的方法。同年，美國著名發明家愛迪生創建了美國第一個火力發電站，把輸電線結成網絡。1.1.2電機及電力拖動的發展概況

2025/6/267根據不同的應用，按照不同的設計和驅動方式電機可做如下基本分類：1.1.3電機的種類與應用

圖1-1電機種類示意圖2025/6/262025/6/268

電氣化、信息化時代，在性能、可靠性及容量等方面，對電機提出了更高的要求。交流變頻調速系統及變頻電機、大功率無刷直流電機、永磁同步無刷電機等得到了很大發展。電力拖動技術發展至今，它具有許多其他拖動方式無法比擬的優點。它啟動、制動、反轉和調速的控制簡單、方便、快速且效率高；電動機的類型多，且具有各種不同的運行特性來滿足各種類型生產機械的要求；整個系統各參數的檢測和信號的變換與傳送方便，易于實現最優控制。因此，電力拖動已成為國民經濟電氣自動化的基礎。

1.1.3電機的種類與應用

2025/6/262025/6/2691.2常用的基本電磁定律2025/6/26101.2.1電路定律

1）歐姆定律

流過電阻R的電流I的大小與加于電阻兩端的電壓U成正比，與電阻R的大小成反比。對直流電路的公式為

對于正弦交流電路，電阻R改為阻抗Z，電壓與電流以復數有效值表示，公式為2025/6/26111.2.1電路定律

如設流進節點的電流為正，則流出節點的電流為負。

或對于正弦交流電路，公式為2）基爾霍夫第一定律（電流定律）

對電路中任意一個節點，電流的代數和等于零。對于直流電路的公式為2025/6/26121.2.1電路定律

式中各個電壓和電動勢，凡是正方向與所取回路巡行方向相同者為正，相反者為負。或對于正弦交流電路，公式為3）基爾霍夫第二定律（電壓定律）

對于電路中的任一閉合回路，所有電壓降的代數和等于所有電動勢的代數和，對于直流電路，公式為2025/6/26131．電流磁效應

凡是電流均會在其周圍產生磁場，叫電流的磁效應，即所謂“電生磁”。1.2.2全電流定律

2025/6/26142．磁路的幾個基本物理量（1）磁感應強度Ｂ

磁場中任意一點的磁感應強度B的方向，即過該點磁力線的切線方向，磁感應前度B的大小為通過該點與B垂直的單位面積上的磁力線的數目。磁感應強度B的單位為T，工程上常沿用Gs為單位，其換算關系為

1T=104Gs

1.2.2全電流定律

2025/6/26151.2.2全電流定律

磁通的單位為Wb，有時沿用Mx為單位，其換算關系為

1Wb=108Mx磁場均勻且與截面垂直時，上式可簡化為（2）磁感應通量

穿過某一截面Ｓ的磁感應強度Ｂ的通量，即穿過某截面Ｓ的磁力線的數目，故稱為磁感應通量，簡稱磁通。2025/6/26161.2.2全電流定律

為此，磁感應強度B又稱為磁通密度。其單位與磁通和面積的單位相對應，即1T=1Wb/m21Gs=1Wb/cm2

由上式可知，磁場均勻，且磁場與截面垂直時，磁感應強度的大小可用下式表示2025/6/262025/6/26171.2.2全電流定律

其他導磁介質的磁導率通常用

的倍數來表示，即μ為導磁介質的磁導率，反映導磁介質性能的物理量，磁導率μ大則導磁性能好。磁導率μ的單位Ｈ/ｍ，真空中的磁導率（3）磁場強度Ｈ

磁場強度H是為建立電流與由其產生的磁場之間的數量關系而引入的物理量，其方向與B相同，其大小與B之間相差一個導磁介質的磁導率μ即2025/6/26181.2.2全電流定律

3．全電流定律

磁場中沿任一閉回路的磁場強度Ｈ的線積分等于該閉回路所包圍的所有導體電流的代數和。

這就是全電流定律。當導體電流的方向與積分路徑的方向符合右螺旋關系時為正，反之為負。2025/6/2619所謂磁路，即磁通流經的路徑。1.2.3磁路及磁路定律

1.磁路的歐姆定律將全電流定律用于圖1-2所示的無分支磁路，可得圖1-2無分支磁路2025/6/26201.2.3磁路及磁路定律

磁路中的磁通

與作用在該磁路的上的磁動勢成正比，與磁路的磁阻成反比，稱為磁路的歐姆定律。磁阻磁導2025/6/26211.2.3磁路及磁路定律

圖1-3中，圖1-3磁路的基爾霍夫律第一定律2．磁路的基爾霍夫第一定律

對任一封閉面而言，穿入的磁通等于穿出的磁通，這是磁通連續原理。對有分支的磁路在磁通匯合處的封閉面上磁通的代數和等于零，即2025/6/26221.2.3磁路及磁路定律

磁壓降的代數和等于磁動勢的代數和。3．磁路的基爾霍夫第二定律

將全電流定律應用到任一閉合磁路上，有2025/6/26231.2.3磁路及磁路定律

磁路和電路的差別：（1）電路可以有電勢無電流，磁路中有磁動勢必然有磁通；（2）電路中有電流就有損耗（），恒定磁通下，磁路中無損耗；（3），而磁路中必須考慮漏磁通；（4）電阻率

在一定溫度下恒定不變，而鐵磁材料構成的磁路中，

隨

變化，即

隨飽和度增加而增加。

2025/6/2624

磁場變化會在線圈中產生感應電動勢，感應電動勢的大小與線圈的匝數N和線圈所交鏈的磁通對時間的變化率

成正比，這是電磁感應定律。當按慣例規定電動勢的正方向與產生它的磁通的正方向之間符合右手螺旋關系時，感應電動勢的公式為因磁通量變化產生感應電動勢的現象，閉合電路的一部分導體在磁場里做切割磁感線的運動時，導體中就會產生電流，這種現象叫電磁感應，產生的電流稱為感應電流。1.2.4電磁感應定律

2025/6/2625

電動勢的方向（公式中的負號）由楞次定律提供。楞次定律指出：感應電流的磁場要阻礙原磁通的變化。對于動生電動勢也可用右手定則判斷感應電流的方向，進而判斷感應電動勢的方向。傳統上有兩種改變通過電路的磁通量的方式。至于感應電動勢時，改變的是自身的磁場。而至于動生電動勢時，改變的是磁場中的整個或部份電路的運動。1.2.4電磁感應定律

感應電動勢的大小由法拉第電磁感應定律確定：2025/6/26261．變壓器電動勢

線圈與磁通之間沒有相對切割關系，僅由線圈交鏈的磁通發生變化而引起的感應電動勢稱為變壓器電勢。這類電動勢又分自感電動勢和互感電動勢兩種。1.2.4電磁感應定律

（1）自感電動勢eL

線圈中流過交變電流i時，由i產生的與線圈自身交鏈的磁鏈亦隨時間發生變化，由此在線圈中產生的感應電動勢稱為自感電動勢，用eL表示，則公式為2025/6/26271.2.4電磁感應定律

式中--自感磁通；--自感磁鏈。

線圈中流過單位電流所產生的自感磁鏈稱為線圈的自感系數L,即自感系數L為常數時，自感電動勢的公式可改為2025/6/26281.2.4電磁感應定律

--由線圈1產生而與線圈2交鏈的互感磁鏈。式中

eM2--線圈2中產生的互感電動勢；（2）互感電動勢eM

在相鄰的兩個線圈中，當線圈1中的電流

交變時，由它產生并與線圈2相交鏈的磁通

亦發生變化，由此在線圈2產生的感應電動勢稱為互感電動勢，用eM表示，則其公式為2025/6/26291.2.4電磁感應定律

式中--磁場的磁感應強度；--導體切割磁力線部分的有效長度；--導體切割磁力線的線速度。2.運動電動勢（速率電動勢）

若磁場恒定，構成線圈的導體切割磁力線，使線圈交鏈的磁通發生變化，導體中感應的電動勢稱為運動電動勢，三方向互相垂直時，其大小為：2025/6/26301.2.5電磁力定律

就是通常所說的電磁力定律，也叫畢奧薩伐電磁力定律.

載流導體在磁場中要受到電磁力的作用，三方向互相垂直時，其大小為方向的確定:

2025/6/2631能量守恒定律（energyconservationlaw）即熱力學第一定律是指在一個封閉（孤立）系統的總能量保持不變。其中總能量一般說來已不再只是動能與勢能之和，而是靜止能量（固有能量）、動能、勢能三者的總量

。能量守恒定律可以表述為：一個系統的總能量的改變只能等于傳入或者傳出該系統的能量的多少。總能量為系統的機械能、熱能及除熱能以外的任何內能形式的總和。

如果一個系統處于孤立環境，即不可能有能量或質量傳入或傳出系統。對于此情形，能量守恒定律表述為：“孤立系統的總能量保持不變。”1.2.6能量守恒定律

2025/6/26321.2.6能量守恒定律

能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只會從一種形式轉化為另一種形式，或者從一個物體轉移到其它物體，而能量的總量保持不變。能量守恒定律是自然界普遍的基本定律之一。機械能、化學能、熱能、電（磁）能、輻射能、核能等不同類型的能量之間相互轉化的方式多種多樣。例如，最常見的電能（交流電和電池）可以由多種其他形式的能量轉變而來，如機械能–電能的轉變（水力發電）、核能–熱能–機械能–電能的轉變（核能發電）、化學能–電能的轉變（電池）等。1.3磁路計算仿真2025/6/262025/6/2634[例題1-1]繪制磁化曲線問題,用M語言編寫繪制磁化曲線的MATLAB程序如下：clcclearHdata=[38,59,67,71,77,83.5,88,97,100,112,120,...135,147,165,183,196,210,237,300,375,...410,533,600,750,900,1250,2000];%磁場強度H值Bdata=0.2:0.05:1.50;%磁感應強度B值ydata=0:0.001:1.6;%y坐標0~1.6xdata=interp1(Bdata,Hdata,ydata,'spline');%采用樣條插值的方法分析數據1.3磁路計算仿真

2025/6/2635plot(Hdata