电力拖动与运动控制 第二章 2.1电机中的能量转换与磁路 2.2磁场的建立
c b
B=f(H) d
μ=f(H) B=μ0H
a 0
H
图 2.2.7 铁磁材料的起始磁化曲 和 μFe=f(H) 曲线
通常，电机磁路中的铁磁材料工作在膝点附近（为什么？）。
B = H
21
磁滞现象:磁通落后于励磁电流的现象
图 2.2.8 磁滞回线
图 2.2.9
基本磁化曲线
•剩磁Br， 矫顽力Hc •软磁材料：剩磁和矫顽力较小；硬磁材料：剩磁和矫顽力较 大。 由于B、H不是单值函数，一般不使用导磁率的概念。
1
2.4 磁磁场能量与电感 2.4.1 磁场储能、磁共能 2.4.2 电感、用电感表示的磁场能量 2.5* 机电能量转换基本原理 2.5.1 典型的机电能量转换装置 2.5.2 电磁力和电磁转矩 2.6 交流磁路和电力变压器 (在第5章讲) 2.6.1 交流磁路分析 2.6.2 变压器的空载运行 2.6.3 变压器的负载运行 2.6.4 建模方法比较
现代科学研究证实： • 任何物质都具有磁性，有的磁性强，有的磁性弱； • 任何空间都存在磁场，有的空间磁场高，有的空间磁场低。 物质的磁性來自构成物质的原子，原子的磁性又主要來 自原子中的电子。原子中电子的磁性有兩个來源。一个來源 是电子本身具有自旋，因而能产生自旋磁性，称为自旋磁矩； 另一个來源是原子中电子绕原子核作轨道运动时也能产生轨 道磁性，称为轨道磁性。
磁路 磁动势 Fm Ni （A） 磁通量 磁阻 Rm 磁导 m 1 Rm 磁导率 (H/m) 欧姆定律 （Wb） (A/Wb) 电动势 e 电流 i 电阻 R 电导 G 1 R 电阻率 欧姆定律 i e / R
24
电路
Fm / Rm
2.1,2.2 节作业
2-1 磁路的基本定律有哪几条？当磁路上有几个磁动势同时作 用时，磁路计算能否用叠加原理，为什么？ 2-3 两个铁心线圈的铁心材料、匝数以及磁路平均长度都相同 ，但截面积A2>A1。问(1) 绕组中通过相等的直流电流时，哪 个铁心中的磁通及磁感应强度大？(2) 如果电阻及漏电抗也相 同，将它们接到同一正弦交流电源，试比较两个铁心中的磁 通及磁感应强度大小？ 2-4 说明： （1）为什么设计使电机工作在 “电机磁路铁磁材料的膝点附 近（图2.2.7中的b点）”？ （2）起始磁化曲线、磁滞回线和基本磁化曲线有何区别？它 们是如何形成的？
图 2.2.5
套在同一电流上的铁心环和塑料环
图 2.2.6 带有铁心环和塑料环的串联螺管
由 Fe 0 ，导致铁心中的磁通密度远远大于非铁磁材料 的中的磁通密度。
18
δ
图 2.2.3
带气隙的铁心磁路
反之， 串联磁路中的气隙降低铁心的增磁功能 • 气隙的导磁率很低，只有铁心的数千分之一。
• 可以用气隙的宽度调节磁阻（在后面“3”中详细分析）。
uRi
电路的欧姆定律
注：磁材料的磁导率 Fe 通常不是 常数，所以由铁磁材料构成的磁路 的磁阻和磁导通常也不是常数，它 随磁通密度大小的变化而具有不 同的数值，这种情况称为磁路的非 线性。
图 2.2.8 磁滞回线
15
磁路 磁动势 Fm Ni （A） 磁通量 磁阻 Rm 磁导 m 1 Rm 磁导率 (H/m) 欧姆定律 （Wb） (A/Wb) 电动势 e 电流 i 电阻 R
线圈 图 2.1.1 单相变压器示意图
N
l1
S
l2
图 2.1.3 旋转电机的一种磁路
20
2 铁磁材料的磁化特性
磁通密度B与磁场强度H之间的关 系曲线，称为B-H曲线(B-H cure)， 是磁性材料最基本的特性，也被称 为材料的磁化曲线 。
磁化曲线开始拐弯的点（图中黑 线的b点），称为膝点。
B
μFe
22
3 铁心磁路的磁化曲线
2：气隙磁化曲线 1：图 2.2.4 的均匀磁路 3：有气隙磁路
曲线 1: 均匀材料 （无气隙） 的磁化 B H 曲线； 曲线 2：气隙段磁化特性（ i
） 0 NA
1
ห้องสมุดไป่ตู้
4
0
i
i1
i2
曲线 3：分段均匀磁路（有气隙）磁化曲线 F Ni H Fe l H 将激磁电流 i 表示为两部分之和，分别记为 iFe 与 i
H dl i
l
i1 i2
i3
l
H
dl
图 2.2.1
安培环路定律
11
i1
i2
i3
l
δ
H
dl
图 2.2.1
安培环路定律
图 2.2.2
螺管线圈
图 2.2.3 带气隙的铁心磁路
图 2.2.2, 沿着闭合磁路 l ，磁场强度 H 处处相等，且其方向处 处与回线切线方向相同， 同时闭合回路所包围的总电流由通有电 流 i 的 N 匝线圈提供
l2
线圈 图 2.1.1 单相变压器示意图
l1
S
• 磁路。
图 2.1.3 旋转电机的一种磁路
磁路主要由铁磁材料构成。 • 变压器：图2.1.1 所示磁路上可以没有空气隙，即磁路 可以完全由铁磁材料构成，称为铁心磁路； • 旋转电机：定子磁路与转子磁路之间总有一个空气隙存 在，这是带气隙的铁心磁路。
7
电路
电导 G 1 R 电阻率 欧姆定律 i e / R
Fm / Rm
磁路和电路虽然具有类比关系，但性质是不同的，有以下差别：
2 1）电路中有电流 i 时，就有功率损耗 i R ；而在直流磁路中，维持一定的 磁通量 时，铁心中没有功率损耗。
2） 在电路中可以认为电流全部在导线中流通， 导线外没有电流；在磁路中， 则没有绝对的磁绝缘体，除了铁心中的磁通外，实际上总有一部分漏磁通散布 在周围空气中。 3）电路中导体的电阻率在一定温度下是不变的，但是磁路中铁心的磁导率 却不是一个常值，而是磁通密度的函数（在下一节叙述） 。 4）对线性电路，计算时可以应用叠加原理，但对于铁心磁路，饱和时磁路 为非线性，计算时不能应用叠加原理。 16 所以磁路与电路仅是一种形式上的类似。
19
（2） 铁心磁路使磁通在空间按一定形状分布 图2.1.1所示变压器，利用铁心的增 磁功能，使得同时与两个线圈交链 的磁通得以增强； 图2.1.2与图2.1.3中，则使得定、转 子之间的耦合场得以增强，并可以 使定子内圆表面的磁感应强度按一 定规律在圆周上分布。
l（磁路） 铁芯
N1 N2
2
（普通物理）
（高等数学）
（电路）
安培环路定理（ 2.2 节） 法拉第定理（ 2.3 节） 磁路定律及磁路特性 （ 2.2 节） 磁场能量, 主磁通、漏磁 通分析， 电感参数 （ 2.4 节）
电磁转矩 （2.5 节）
变压器及其建 模（2.6 节）
建模方法 （2.6.3）
电机原理以及控制技术
第 5 章 交流电机
l（磁路） 铁芯 输入电能
N1 N2
N 2 两个绕组，分别通入电 流 i1 与 i2 的情况， 作用于磁 路上的总磁动势则为两个 线圈安匝数的代数和，全 电流定律的形式相应地变 为 F N 1i1 N 2 i2 Hl
输出电能
线圈 图 2.1.1 单相变压器示意图
今后逐步体会，磁动势或磁势F（单位为安匝(AN) ）是一 个非常重要的物理量；在磁场空间，则用矢量表示。
在通电导线周围存在磁场（magnetic field），磁场与建立 该磁场的电流之间的关系可由安培环路定律来描述。建立磁场 的电流称之为激磁电流（或励磁电流）。
10
2.2.1 安培环路定律及其简化形式
沿空间任意一条闭合回路 l，磁场强度 H （magnetic field density） 的线积分等于该闭合回路所包围的电流的代数和
l（磁路） 铁芯 输入电能
N1 N2
输出电能
线圈 图 2.1.1 单相变压器示意图
电能 I 磁场 能量转换示意图
5
电能 II
(2) 旋转电机
认识“旋转电机”的动画（不讲原理） 能量转换：是双向的， 电能机械能：电动机，反之为发电机
C 转子 N S B (a) 图 2.1.2 旋转电机示意图 定子铁心 (b)
图 2.2.10 带气隙铁心磁路的磁化曲线
i i Fe i
Ni Fe H Fe l R mFe , Ni H R m
δ
曲线 4：分段均匀磁路磁化曲线（再扩大气隙） 励磁电流增加，但线性区增大。
23
2.2 节小结
1 电生磁: 安培环路定理（电流产生磁动势）； 2 铁增磁（磁路: 当励磁电流一定时，增加磁通量）； 3 磁路的非线性特性（饱和特性，磁滞特性）、工作点； 4 磁路与电路对比
讨论题（下页）
25
讨论题（作业）
4、下图是电流霍耳传感器的原理图。左图为开环式，缺点为： 当被测电流为零时，由于剩磁的影响，输出有残留电压；右 图为闭环式，解决了开环式的缺点。试用安培环路定理和闭 环控制原理解释闭环式电流霍耳传感器消除剩磁的原理。
26
原理参考（简单讲） 1） 霍耳效应和直放式电流传感器(开环式) 当原边导线通过电流IP时,在导线周围将产生一磁场。内 置在磁芯气隙中的霍尔电片可产生和原边磁力线成正比的、 大小仅为几毫伏的感应电压，通过后续电路可把这个微小的 信号转变成副边电流IS，并存在以下关系式： IS* NS= IP*NP 利用霍耳效应，可构 成右图所示直放式电流 传感器。它可以通过磁 芯聚集感应到霍尔器件 上并使其有一信号输出. 这一信号经信号放大器 放大后直接输出,一般的 额定输出标定为4V.
构成磁路的铁磁材料
l（磁路） 铁芯
N1 N2
线圈 图 2.1.1 单相变压器示意图
B=f(H) d
μ=f(H) B=μ0H
a 0
H
图 2.2.7 铁磁材料的起始磁化曲 和 μFe=f(H) 曲线
通常，电机磁路中的铁磁材料工作在膝点附近（为什么？）。
B = H
21
磁滞现象:磁通落后于励磁电流的现象
图 2.2.8 磁滞回线
图 2.2.9
基本磁化曲线
•剩磁Br， 矫顽力Hc •软磁材料：剩磁和矫顽力较小；硬磁材料：剩磁和矫顽力较 大。 由于B、H不是单值函数，一般不使用导磁率的概念。
1
2.4 磁磁场能量与电感 2.4.1 磁场储能、磁共能 2.4.2 电感、用电感表示的磁场能量 2.5* 机电能量转换基本原理 2.5.1 典型的机电能量转换装置 2.5.2 电磁力和电磁转矩 2.6 交流磁路和电力变压器 (在第5章讲) 2.6.1 交流磁路分析 2.6.2 变压器的空载运行 2.6.3 变压器的负载运行 2.6.4 建模方法比较
现代科学研究证实： • 任何物质都具有磁性，有的磁性强，有的磁性弱； • 任何空间都存在磁场，有的空间磁场高，有的空间磁场低。 物质的磁性來自构成物质的原子，原子的磁性又主要來 自原子中的电子。原子中电子的磁性有兩个來源。一个來源 是电子本身具有自旋，因而能产生自旋磁性，称为自旋磁矩； 另一个來源是原子中电子绕原子核作轨道运动时也能产生轨 道磁性，称为轨道磁性。
磁路 磁动势 Fm Ni （A） 磁通量 磁阻 Rm 磁导 m 1 Rm 磁导率 (H/m) 欧姆定律 （Wb） (A/Wb) 电动势 e 电流 i 电阻 R 电导 G 1 R 电阻率 欧姆定律 i e / R
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电路
Fm / Rm
2.1,2.2 节作业
2-1 磁路的基本定律有哪几条？当磁路上有几个磁动势同时作 用时，磁路计算能否用叠加原理，为什么？ 2-3 两个铁心线圈的铁心材料、匝数以及磁路平均长度都相同 ，但截面积A2>A1。问(1) 绕组中通过相等的直流电流时，哪 个铁心中的磁通及磁感应强度大？(2) 如果电阻及漏电抗也相 同，将它们接到同一正弦交流电源，试比较两个铁心中的磁 通及磁感应强度大小？ 2-4 说明： （1）为什么设计使电机工作在 “电机磁路铁磁材料的膝点附 近（图2.2.7中的b点）”？ （2）起始磁化曲线、磁滞回线和基本磁化曲线有何区别？它 们是如何形成的？
图 2.2.5
套在同一电流上的铁心环和塑料环
图 2.2.6 带有铁心环和塑料环的串联螺管
由 Fe 0 ，导致铁心中的磁通密度远远大于非铁磁材料 的中的磁通密度。
18
δ
图 2.2.3
带气隙的铁心磁路
反之， 串联磁路中的气隙降低铁心的增磁功能 • 气隙的导磁率很低，只有铁心的数千分之一。
• 可以用气隙的宽度调节磁阻（在后面“3”中详细分析）。
uRi
电路的欧姆定律
注：磁材料的磁导率 Fe 通常不是 常数，所以由铁磁材料构成的磁路 的磁阻和磁导通常也不是常数，它 随磁通密度大小的变化而具有不 同的数值，这种情况称为磁路的非 线性。
图 2.2.8 磁滞回线
15
磁路 磁动势 Fm Ni （A） 磁通量 磁阻 Rm 磁导 m 1 Rm 磁导率 (H/m) 欧姆定律 （Wb） (A/Wb) 电动势 e 电流 i 电阻 R
线圈 图 2.1.1 单相变压器示意图
N
l1
S
l2
图 2.1.3 旋转电机的一种磁路
20
2 铁磁材料的磁化特性
磁通密度B与磁场强度H之间的关 系曲线，称为B-H曲线(B-H cure)， 是磁性材料最基本的特性，也被称 为材料的磁化曲线 。
磁化曲线开始拐弯的点（图中黑 线的b点），称为膝点。
B
μFe
22
3 铁心磁路的磁化曲线
2：气隙磁化曲线 1：图 2.2.4 的均匀磁路 3：有气隙磁路
曲线 1: 均匀材料 （无气隙） 的磁化 B H 曲线； 曲线 2：气隙段磁化特性（ i
） 0 NA
1
ห้องสมุดไป่ตู้
4
0
i
i1
i2
曲线 3：分段均匀磁路（有气隙）磁化曲线 F Ni H Fe l H 将激磁电流 i 表示为两部分之和，分别记为 iFe 与 i
H dl i
l
i1 i2
i3
l
H
dl
图 2.2.1
安培环路定律
11
i1
i2
i3
l
δ
H
dl
图 2.2.1
安培环路定律
图 2.2.2
螺管线圈
图 2.2.3 带气隙的铁心磁路
图 2.2.2, 沿着闭合磁路 l ，磁场强度 H 处处相等，且其方向处 处与回线切线方向相同， 同时闭合回路所包围的总电流由通有电 流 i 的 N 匝线圈提供
l2
线圈 图 2.1.1 单相变压器示意图
l1
S
• 磁路。
图 2.1.3 旋转电机的一种磁路
磁路主要由铁磁材料构成。 • 变压器：图2.1.1 所示磁路上可以没有空气隙，即磁路 可以完全由铁磁材料构成，称为铁心磁路； • 旋转电机：定子磁路与转子磁路之间总有一个空气隙存 在，这是带气隙的铁心磁路。
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电路
电导 G 1 R 电阻率 欧姆定律 i e / R
Fm / Rm
磁路和电路虽然具有类比关系，但性质是不同的，有以下差别：
2 1）电路中有电流 i 时，就有功率损耗 i R ；而在直流磁路中，维持一定的 磁通量 时，铁心中没有功率损耗。
2） 在电路中可以认为电流全部在导线中流通， 导线外没有电流；在磁路中， 则没有绝对的磁绝缘体，除了铁心中的磁通外，实际上总有一部分漏磁通散布 在周围空气中。 3）电路中导体的电阻率在一定温度下是不变的，但是磁路中铁心的磁导率 却不是一个常值，而是磁通密度的函数（在下一节叙述） 。 4）对线性电路，计算时可以应用叠加原理，但对于铁心磁路，饱和时磁路 为非线性，计算时不能应用叠加原理。 16 所以磁路与电路仅是一种形式上的类似。
19
（2） 铁心磁路使磁通在空间按一定形状分布 图2.1.1所示变压器，利用铁心的增 磁功能，使得同时与两个线圈交链 的磁通得以增强； 图2.1.2与图2.1.3中，则使得定、转 子之间的耦合场得以增强，并可以 使定子内圆表面的磁感应强度按一 定规律在圆周上分布。
l（磁路） 铁芯
N1 N2
2
（普通物理）
（高等数学）
（电路）
安培环路定理（ 2.2 节） 法拉第定理（ 2.3 节） 磁路定律及磁路特性 （ 2.2 节） 磁场能量, 主磁通、漏磁 通分析， 电感参数 （ 2.4 节）
电磁转矩 （2.5 节）
变压器及其建 模（2.6 节）
建模方法 （2.6.3）
电机原理以及控制技术
第 5 章 交流电机
l（磁路） 铁芯 输入电能
N1 N2
N 2 两个绕组，分别通入电 流 i1 与 i2 的情况， 作用于磁 路上的总磁动势则为两个 线圈安匝数的代数和，全 电流定律的形式相应地变 为 F N 1i1 N 2 i2 Hl
输出电能
线圈 图 2.1.1 单相变压器示意图
今后逐步体会，磁动势或磁势F（单位为安匝(AN) ）是一 个非常重要的物理量；在磁场空间，则用矢量表示。
在通电导线周围存在磁场（magnetic field），磁场与建立 该磁场的电流之间的关系可由安培环路定律来描述。建立磁场 的电流称之为激磁电流（或励磁电流）。
10
2.2.1 安培环路定律及其简化形式
沿空间任意一条闭合回路 l，磁场强度 H （magnetic field density） 的线积分等于该闭合回路所包围的电流的代数和
l（磁路） 铁芯 输入电能
N1 N2
输出电能
线圈 图 2.1.1 单相变压器示意图
电能 I 磁场 能量转换示意图
5
电能 II
(2) 旋转电机
认识“旋转电机”的动画（不讲原理） 能量转换：是双向的， 电能机械能：电动机，反之为发电机
C 转子 N S B (a) 图 2.1.2 旋转电机示意图 定子铁心 (b)
图 2.2.10 带气隙铁心磁路的磁化曲线
i i Fe i
Ni Fe H Fe l R mFe , Ni H R m
δ
曲线 4：分段均匀磁路磁化曲线（再扩大气隙） 励磁电流增加，但线性区增大。
23
2.2 节小结
1 电生磁: 安培环路定理（电流产生磁动势）； 2 铁增磁（磁路: 当励磁电流一定时，增加磁通量）； 3 磁路的非线性特性（饱和特性，磁滞特性）、工作点； 4 磁路与电路对比
讨论题（下页）
25
讨论题（作业）
4、下图是电流霍耳传感器的原理图。左图为开环式，缺点为： 当被测电流为零时，由于剩磁的影响，输出有残留电压；右 图为闭环式，解决了开环式的缺点。试用安培环路定理和闭 环控制原理解释闭环式电流霍耳传感器消除剩磁的原理。
26
原理参考（简单讲） 1） 霍耳效应和直放式电流传感器(开环式) 当原边导线通过电流IP时,在导线周围将产生一磁场。内 置在磁芯气隙中的霍尔电片可产生和原边磁力线成正比的、 大小仅为几毫伏的感应电压，通过后续电路可把这个微小的 信号转变成副边电流IS，并存在以下关系式： IS* NS= IP*NP 利用霍耳效应，可构 成右图所示直放式电流 传感器。它可以通过磁 芯聚集感应到霍尔器件 上并使其有一信号输出. 这一信号经信号放大器 放大后直接输出,一般的 额定输出标定为4V.
构成磁路的铁磁材料
l（磁路） 铁芯
N1 N2
线圈 图 2.1.1 单相变压器示意图
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电机学课件第2章直流电机电力拖动课件
调速控制电路
采用可控整流器、直流斩波器等电路实现直流电 机调速控制。
直流电机启动控制
启动方式
通过软启动、星三角启动等方式实现直流电机的平稳启动。
启动电流
启动过程中电流较大，会对电网造成冲击。
启动控制电路
采用电阻限流、电抗限流等方式实现直流电机启动控制。
直流电机制动控制
1 2
制动方式
通过能耗制动、反接制动等方式实现直流电机的 制动。
根据调速方式分类
可分为有级调速和无级调 速直流电机电力拖动系统。
直流电机电力拖动系统的特点
调速性能好
直流电机可以通过改变 输入电压或电流实现平 滑调速，具有良好的线
性调速性能。
启动转矩大
直流电机启动时能够提 供较大的转矩，适用于 需要重载启动的场合。
控制精度高
直流电机电力拖动系统 可以通过控制器实现精 确的速度和位置控制。
直流电机的工作原理
当直流电源通过电刷和换向器加在电枢绕组上时，电流在电枢绕组中产生磁场。 磁场与主磁极相互作用，产生转矩，使转子旋转。
随着转子的旋转，电枢绕组中的电流方向不断改变，以保持磁场与电流方向的同步。
直流电机的励磁方式
他励直流电机
励磁绕组与电枢绕组独立，励磁 电流由外部电源提供。
自励直流电机
负载变化对温升的影响
当负载增加时，直流电机的温升也会相应增加。因此，需要合理选 择电机容量和散热方式，以避免过热。
04
直流电机电力拖动系
通过改变电枢电流、电枢电压、励磁电流等参数， 实现直流电机的调速。
调速性能
调速平滑、范围宽、效率高，但调速过程中会产 生较大的转矩波动。
生产效率。
在电力、水利、化工等产业中， 直流电机用于泵、风机等设备的
采用可控整流器、直流斩波器等电路实现直流电 机调速控制。
直流电机启动控制
启动方式
通过软启动、星三角启动等方式实现直流电机的平稳启动。
启动电流
启动过程中电流较大，会对电网造成冲击。
启动控制电路
采用电阻限流、电抗限流等方式实现直流电机启动控制。
直流电机制动控制
1 2
制动方式
通过能耗制动、反接制动等方式实现直流电机的 制动。
根据调速方式分类
可分为有级调速和无级调 速直流电机电力拖动系统。
直流电机电力拖动系统的特点
调速性能好
直流电机可以通过改变 输入电压或电流实现平 滑调速，具有良好的线
性调速性能。
启动转矩大
直流电机启动时能够提 供较大的转矩，适用于 需要重载启动的场合。
控制精度高
直流电机电力拖动系统 可以通过控制器实现精 确的速度和位置控制。
直流电机的工作原理
当直流电源通过电刷和换向器加在电枢绕组上时，电流在电枢绕组中产生磁场。 磁场与主磁极相互作用，产生转矩，使转子旋转。
随着转子的旋转，电枢绕组中的电流方向不断改变，以保持磁场与电流方向的同步。
直流电机的励磁方式
他励直流电机
励磁绕组与电枢绕组独立，励磁 电流由外部电源提供。
自励直流电机
负载变化对温升的影响
当负载增加时，直流电机的温升也会相应增加。因此，需要合理选 择电机容量和散热方式，以避免过热。
04
直流电机电力拖动系
通过改变电枢电流、电枢电压、励磁电流等参数， 实现直流电机的调速。
调速性能
调速平滑、范围宽、效率高，但调速过程中会产 生较大的转矩波动。
生产效率。
在电力、水利、化工等产业中， 直流电机用于泵、风机等设备的
电力拖动与运动控制 第二章 2.1电机中的能量转换与磁路 2.2磁场的建立
l（磁路） 铁芯 输入电能
N1 N2
N 2 两个绕组，分别通入电 流 i1 与 i2 的情况， 作用于磁 路上的总磁动势则为两个 线圈安匝数的代数和，全 电流定律的形式相应地变 为 F N 1i1 N 2 i2 Hl
输出电能
线圈 图 2.1.1 单相变压器示意图
今后逐步体会，磁动势或磁势F（单位为安匝(AN) ）是一 个非常重要的物理量；在磁场空间，则用矢量表示。
BA
B = H
F Ni
B
Hl = Ni
Fe
l
l
Fe A
图 2.2.4 铁心磁路
14
简化！两者关系依据导 磁材料不同而不同
Fe A 1 A （单位：Wb/A） m Rm l
则可得到均匀磁路的欧姆定律 F Rm 或 F m
Rm
l
（单位： A/Wb） ，
图 2.1 第 2 章内容之间的关系
3
2.1 电机中的能量转换与磁路
2.1.1 电机中能量转换的两个实例 2.1.2 能量转换装置中的磁场与磁路 通过实例说明电机中能量转换需要磁场作为耦合场，即 通过磁场将能量输入的部件与能量输出的部件耦合起来。
4
2.1.1 电机中能量转换的两个实例
根据电机是否旋转，将电机分为静止电机和旋转电机。 (1) 静止电机(变压器)
第2 章
机电能量转换基础
2.1 电机中的能量转换与磁路 2.1.1 电机中能量转换的两个实例 2.1.2 能量转换装置中的磁场与磁路 2.2 磁场的建立 2.2.1 安培环路定律及其简化形式 2.2.2 磁路的欧姆定律 2.2.3 铁心的作用以及铁心磁路的磁化特性
2.3 电磁感应定律 2.3.1 电磁感应定律 2.3.2 变压器电动势与运动电动势
[课件]《电机与电力拖动》第三版,国防工业出版社PPT
![[课件]《电机与电力拖动》第三版,国防工业出版社PPT](https://360docs-1393072327.cos.ap-beijing.myqcloud.com/d19f419bc77da26925c5b079.webp)
式中 GD2－飞轮转矩 N· m2
三、运动方程的物理意义 电动机的工作状态可由运动方程式判断
（1） 当 T=TL ， 0
dn （2） 当 T>TL ， 0 dt
dn （3） 当 T<TL ， 0 dt
dn dt
电力拖动系统稳定运行 电力拖动系统加速运行 电力拖动系统减速运行
一、恒转矩负载特性 特点：负载转矩 TZ 与转速 n 无关。
Hm
O 基本磁化曲线
H
图0.3 铁磁材料的磁滞回线
一、 直流电动机的工作原理
b
电刷
N
+ E –
换向片
1 2
A B
a
Ia
c
d
S
Ia
电枢线圈
直流电源
电刷
换向器
线圈
F
电刷
c
b
F
N
+
E –
换向片
1 2 A B
d
Ia
a Ia
S
注意：换向片和线圈固定联接，线圈无论怎样转 动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。 电刷压在换向片上。 由左手定则，通电线圈在磁场的作用下， 使线圈逆时针旋转。
f(I 特点： Ia I f a) 1. 转速特性 n f(I a)
当Ia较小时， Φ K fIa
+
Ia U
_
串励
If
M
Rf
Ea
Ra
根据
R U a n I a C Φ C e Φ e
Ra U n C e K fI a C e K f Ra U Ia Ce Ce
2.3 铁磁材料的特性
铁磁材料的磁性能
《电机与拖动》第2章直流电动机的电力拖动
T
由于电枢电阻Ra较小，Ф N数值大，所以特性曲线斜率β 小，固有 机械特性曲线为硬特性。
17
2.2 电力拖动系统的特性
（2）人为机械特性
人为机械特性：人为地改变电源电压、磁通和电枢回路串电阻等一个或几
个参数的特性。
1）电枢串电阻时的人为机械特性
保持电源电压和磁通为额定值，当他励直流电动机的电枢回路中串入电
1、恒转矩负载特性
恒转矩负载特性是指生产机械的负载转矩TL与转速n无关的特性， 即TL=常数。根据负载转矩的方向是否与转向有关，恒转矩负载特性 又可以分为反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两类。
21
2.2 电力拖动系统的特性
（1）反抗性恒转矩负载 该类负载转矩的大小恒定不变，方向总是与
转速的方向相反，即其性质总是起反抗运动的阻 转矩性质，特性曲线为一、三象限内的直线，如 图2-7所示。
曲线为一条双曲线，如图2-9所示。
图2-9 恒功率负载特性曲线
பைடு நூலகம்
3、泵与风机类负载特性
泵与风机类负载的特点是：负载的转矩 与转速的平方成正比，负载特性为一条抛物 线，如图2-10曲线1所示。
图2-10 泵与风机类负载特性
23
2.2 电力拖动系统的特性
四、电力拖动系统的稳定运行条件
电力拖动系统的稳定运行，就是系统因外界因素的干扰离开平衡 状态，在外界因素消失后，仍能恢复到原来的平衡状态，或在新的条 件下达到新的平衡状态。
表2-5 他励直流电动机接线对调后的旋转方向观察和启动电流的测量
电动机旋转方向 电枢电流Ia/A
励磁电流If/A
11
2.2 电力拖动系统的特性
一、电力拖动系统的运动方程
1、运动方程式
电机及拖动基础02二三讲 直流电动机的电力拖动-PPT精品文档
1.1 机械特性方程式 没有串联电阻时的机械特性称为固有机械特
1.2 固有与人为机械特性
1.3 机械特性的绘制 1.4 电力拖动稳定运行的条件
性。
2.他励直流电动机的起动
2.1 起动方法 2.2 起动电阻计算 2.3 起动的过渡过程
1、他励直流电动机的机械特性
固有机械特性与人为机械特性 1.他励直流电动机的机械 • 电枢串电阻时的人为机械特性 特性
C e
2.他励直流电动机的起动
2.1 起动方法 2.2 起动电阻计算 2.3 起动的过渡过程
1、他励直流电动机的机械特性
1.他励直流电动机的机械 机械特性方程式 特性 • 电动机带负载后的转速降 1.1 机械特性方程式 R Δ n T T 2 1.2 固有与人为机械特性 C C e T
1.3 机械特性的绘制 1.4 电力拖动稳定运行的条件 – R ：电枢回路总电阻，包括电枢电阻 Ra 和电 枢串励电阻 RW ； Ce ：电动机电动势常数， Ce=pN/(60a) ； CT ： 电 动 机 转 矩 常 数 ， CT=pN/(2pa)
2.他励直流电动机的起动
2.1 起动方法 2.2 起动电阻计算 2.3 起动的过渡过程
1、他励直流电动机的机械特性
固有机械特性与人为机械特性 1.他励直流电动机的机械 • 改变电枢电压时的人为机械特性 特性 R U 1.1 机械特性方程式 a n T 2 1.2 固有与人为机械特性 C C e N C e T N
1.3 机械特性的绘制 1.4 电力拖动稳定运行的条件
第二、三讲
直流电动机的电力拖动（1） 杜少武
第二、三讲 直流电动机的电力拖动
1、他励直流电动机的机械特性 2、他励直流电动机的起动 3、他励直流电动机的制动 4、他励直流电动机的调速 5、晶闸管－直流电动机系统 6、他励直流电动机过渡过程的能量损耗 7、串励直流电动机的电力拖动
1.2 固有与人为机械特性
1.3 机械特性的绘制 1.4 电力拖动稳定运行的条件
性。
2.他励直流电动机的起动
2.1 起动方法 2.2 起动电阻计算 2.3 起动的过渡过程
1、他励直流电动机的机械特性
固有机械特性与人为机械特性 1.他励直流电动机的机械 • 电枢串电阻时的人为机械特性 特性
C e
2.他励直流电动机的起动
2.1 起动方法 2.2 起动电阻计算 2.3 起动的过渡过程
1、他励直流电动机的机械特性
1.他励直流电动机的机械 机械特性方程式 特性 • 电动机带负载后的转速降 1.1 机械特性方程式 R Δ n T T 2 1.2 固有与人为机械特性 C C e T
1.3 机械特性的绘制 1.4 电力拖动稳定运行的条件 – R ：电枢回路总电阻，包括电枢电阻 Ra 和电 枢串励电阻 RW ； Ce ：电动机电动势常数， Ce=pN/(60a) ； CT ： 电 动 机 转 矩 常 数 ， CT=pN/(2pa)
2.他励直流电动机的起动
2.1 起动方法 2.2 起动电阻计算 2.3 起动的过渡过程
1、他励直流电动机的机械特性
固有机械特性与人为机械特性 1.他励直流电动机的机械 • 改变电枢电压时的人为机械特性 特性 R U 1.1 机械特性方程式 a n T 2 1.2 固有与人为机械特性 C C e N C e T N
1.3 机械特性的绘制 1.4 电力拖动稳定运行的条件
第二、三讲
直流电动机的电力拖动（1） 杜少武
第二、三讲 直流电动机的电力拖动
1、他励直流电动机的机械特性 2、他励直流电动机的起动 3、他励直流电动机的制动 4、他励直流电动机的调速 5、晶闸管－直流电动机系统 6、他励直流电动机过渡过程的能量损耗 7、串励直流电动机的电力拖动
电机拖动与控制第2章 直流电动机的电力拖动运行
2.2.2 泵类负载的机械特性
水泵、油泵、通风机（煤气压送机）和螺旋桨等，其转矩的大小与转速的平方成正
比，即
，转矩特性如图2-5所示。
2.2.3 T恒L 功 率n 2负载的机械特性
某些车床，在粗加工时，切削量大，切削阻力大，这时宜用低速；在精加工时，切
削量小，切削阻力小，往往用高速。因此，在不同转速下，负载转矩基本上与转速
U U N ,Φ ΦN , R 0
这种情况下的机械特性称为固有机械特性。其表达式为
n
UN CeΦN
Ra CeCTΦN2
Tem
或
n UN CeΦN
Ra CeΦN
Ia
图2-7 他励直流电动机固有机械特性
2.3.3 人为机械特性
1．电枢回路串电阻R时的人为机械特性
电枢加额定电压 性表达式为
通常称（Tem TL）为动转矩。动转矩等于零时，系统处于恒转速行的稳态；
动转矩大于零时，系统处于加速运动的过渡过程中；动转矩小于零时，系统处于 减速运动的过渡过程中。
实际的电力拖动系统，大多是电动机通过传动机构与工作机构相连。为了简化多 轴系统的分析计算，通常把负载转矩和系统飞轮矩折算到电动机轴上来，变多轴 系统为单轴系统。
UN
，每极n磁 C通UeNΦN N为CR额eaCT定RN值2 T，em 电枢回路（串2入-6电）阻R后的人为机械特
电枢串入不同电阻（ R ）值时的人为机械特性曲线如图2-8所示。电枢回路串电阻
人为机械特性有下列特点。
1）理想空载转速
n0
UN
CeN
与固有机械特性的相同，即R改变时，n0不变。
改变电枢电压人为机械特性的特点如下：
第二章直流电动机的电力拖动
2.1 电力拖动系统的运动方程和负载转矩特性2.2 他励直流电动机的机械特性2.3 他励直流电动机的起动本章主要介绍电力拖动系统的运动方程、负载转矩特性、直流电动机的机械特性、起动、调速、制动等方法和物理过程。
2.4 他励直流电动机的制动2.5 他励直流电动机的调速2.6 串励直流电动机的电力拖动2.1电力拖动系统的运动方程式和负载转矩特性电力拖动系统运动方程式描述了系统的运动状态，系统的运动状态取决于作用在原动机转轴上的各种转矩。
2.1.1 电力拖动系统的运动方程式一、运动方程式M em T n LT −+U 根据如图给出的系统（忽略空载转矩），可写出拖动系统的运动方程式：dtd J T T L em Ω=−其中为系统的惯性转矩。
dt d J Ω2.1电力拖动系统的运动方程式和负载转矩特性运动方程的实用形式：2.1.1 电力拖动系统的运动方程式一、运动方程式dtdn GD T T L em ⋅=−3752系统旋转运动的三种状态1)当或时,系统处于静止或恒转速运行状态，即处于稳态。
L em T T =0=dt dn 2)当或时,系统处于加速运行状态，即处于动态。
L em T T >0>dt dn 3)当或时,系统处于减速运行状态，即处于动态。
L em T T <0<dtdn2.1电力拖动系统的运动方程式和负载转矩特性首先确定电动机处于电动状态时的旋转方向为转速的正方向，然后规定：2.1.1 电力拖动系统的运动方程式二、运动方程式中转矩正、负号的规定（1）电磁转矩与转速的正方向相同时为正，相反时为负。
em T n （2）负载转矩与转速的正方向相同时为负，相反时为正。
L T n em T L T （3）惯性转矩的大小和正负号由和的代数和决定。
dt dn GD ⋅37522.1电力拖动系统的运动方程式和负载转矩特性2.1.2 负载的转矩特性一、恒转矩负载特性负载的转矩特性，就是负载的机械特性，简称负载特性。
电力拖动与控制课件：第二章 直流电动机的电力拖动
减弱磁通可用于平滑调速。 由于磁通只能减弱，所以只能从额定转速 向上调速。 受到电动机换向能力和机械强度的限制， 向上调速的范围是不大的。
电枢反应对机械特性的影响 :
当电刷放在几何中性线上，而电枢电流不 大时，电枢反应可以忽略不计。但是当电枢 电流较大时，由于磁路饱和的影响，电枢反 应会产生明显的去磁作用，使每极磁通量略 有减小，结果使转速n上升,机械特性呈上翘 现象,如图2-7。这对电动机的运行稳定性不利。
图2-7 电枢反应对机械 特性的影响
为了避免机械特性的上翘， 往往在主磁极上加一个匝数 很少的串励绕组，用串励绕 组的磁势抵消电枢反应的去 磁作用。这时电动机实质上 已变为积复励电动机，但是 由于所加绕组磁势较弱，一 般仍可将它视为他励电动机。
四、根据电动机的铭牌数据计算和绘制 机械特性
电动机的铭牌上给出电机的额定功率PN、额 定电压UN、额定电流IN和额定转速nN等数据。 由这些已知数据，可计算和绘制机械特性。
实际空载转速n0’为
n0 n0 T0
2．堵转点
B点为堵转点。
在B点：n=0 ，因而Ea=0 ； 电枢电流Ia称为堵转电流Ik ； 与Ik 对应的电磁转矩称为堵转转矩。
T
Tk
CT
U Ra
Rc
二、固有机械特性
电动机本身固有的特性称为固有机械特性。 它应具备的条件是：
① 电源电压 U=UN ② 励磁磁通 N
nRN
n0
Ra Rc 9.55(Ce N
)2
TN
计算出n0 后，过（n0 ,0）,（nRN ,TN）两点 连一条直线，即得到电枢串电阻的人为机械 特性曲线。
（2） 降低电源电压人为机械特性的绘制
选择两个工作点： 理想空载点：n=n0 ,，T=0 额定工作点：n=nN , ，T=TN 降低电源电压时，理想空载转速随之降低：
第2章电力拖动系统动力学基础和直流电动机的电力拖动
图2-7 能耗制动接线图
由于电枢电流反向，电磁转矩为制动转矩，电动机的运 行点沿着能耗制动时的机械特性下降直到原点，电磁转 矩和转速都为零，系统停止转动。
图2-8 能耗制动过程机械特性
图2-9
能耗制动运行机械特性
制动时回路中串入的电阻越小，能耗制动开始瞬间的制 动转矩和电枢电流越大。但电枢电流过大，则会引起 换向困难。因此能耗制动过程中电枢电流有个上限， 即电动机允许的最大电流，由此可计算串入的电阻：
U N EaN 110 103.4 Ra 0.036 IN 185 Ea N 103.4 Ce N 0.1034V . min/ r nN 1000
0.8TN TL 制动前电枢电流 I a I N 185 148 A TN TN
制动前电枢电势 Ea U N I a Ra 110 148 0.036 104.67V （1）若采用能耗制动停车，电枢应串入的最小电阻为：
(旋转运动)
起重传动 T ' L d GL R L (直线运动)
折算到电动机轴上的转矩分别为
TL T 'L j
GL R GL v L T 'L j d
2.飞轮矩折算 根据动能守恒定律可知，折算后等效系统存储的动能应 该等于实际系统的动能。因此，对于双轴传动系统有
1 J 2
2
1 1 2 2 J d d J LL 2 2
Jd
JL
所以
-----电动机的转动惯量 -----负载轴的转动惯量
J -----电动机轴上等效的转动惯量
J Jd JL j
2
同理
GD GDd GDL
2 2
2
由于电枢电流反向，电磁转矩为制动转矩，电动机的运 行点沿着能耗制动时的机械特性下降直到原点，电磁转 矩和转速都为零，系统停止转动。
图2-8 能耗制动过程机械特性
图2-9
能耗制动运行机械特性
制动时回路中串入的电阻越小，能耗制动开始瞬间的制 动转矩和电枢电流越大。但电枢电流过大，则会引起 换向困难。因此能耗制动过程中电枢电流有个上限， 即电动机允许的最大电流，由此可计算串入的电阻：
U N EaN 110 103.4 Ra 0.036 IN 185 Ea N 103.4 Ce N 0.1034V . min/ r nN 1000
0.8TN TL 制动前电枢电流 I a I N 185 148 A TN TN
制动前电枢电势 Ea U N I a Ra 110 148 0.036 104.67V （1）若采用能耗制动停车，电枢应串入的最小电阻为：
(旋转运动)
起重传动 T ' L d GL R L (直线运动)
折算到电动机轴上的转矩分别为
TL T 'L j
GL R GL v L T 'L j d
2.飞轮矩折算 根据动能守恒定律可知，折算后等效系统存储的动能应 该等于实际系统的动能。因此，对于双轴传动系统有
1 J 2
2
1 1 2 2 J d d J LL 2 2
Jd
JL
所以
-----电动机的转动惯量 -----负载轴的转动惯量
J -----电动机轴上等效的转动惯量
J Jd JL j
2
同理
GD GDd GDL
2 2
2
电力拖动与控制第二章电力拖动系统基础2
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2.2多轴电力拖动系统的简化
工作机构为平移运动时转矩与飞轮矩的折算 计算负载转矩折算值时，可以先计算作用在传动 机构转速为nf的轴上的转矩FR，R为与齿条啮合的齿 轮半径，然后折算为TFFR/jh。
Байду номын сангаас
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2.2多轴电力拖动系统的简化
工作机构为平移运动时转矩与飞轮矩的折算 2．飞轮矩的折算 设作平移运动部分的物体总重为Gf=mfg，其动能为
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2.2多轴电力拖动系统的简化
(1）提升重物时负载转矩的折算 重物对卷筒轴的负载转矩为GR，不计传动机构 损耗时，折算到电动机轴上的负载转矩为
TF GR j
图2-5工作机构运动为升降的电力拖动系统
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2.2多轴电力拖动系统的简化
(2)下放重物时负载转矩的折算 下放重物时，重物对卷筒轴的负载转矩大小仍为 GR，不计传动机构损耗时，折算到电动机轴上的负 载转矩也仍为GR/j，负载转矩的方向也不变。
4
G f v2 2n 60
2
365
G f v2 n2
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2.2多轴电力拖动系统的简化
工作机构作提升和下放重物运动时，转矩与飞轮矩的 折算 1．负载转矩折算 图 2-5 所示为一起重机示意图，电动机通过传动 机构（减速箱）拖动一卷筒，缠在卷筒上的钢丝绳悬 挂一重物，重物的重力为 G=mg，速比为 j，重物提升 时传动机构效率为 h，卷筒半径为 R，转速为 nf，重物 提升或下放时的速度为v，是个常数。
2.1电力拖动系统运动方程式
讨论
1. 当T-TL=0,dn/dt=0则,n=0或n=常数,即电动机静
止或恒速旋转。电力拖动系统处于稳定运行状态， 简称稳态。 2．当T-TL>0, dn/dt>0,动转矩大于零时，电力拖动 系统处于加速运行状态，即处于过渡过程或称动态。
2.2多轴电力拖动系统的简化
工作机构为平移运动时转矩与飞轮矩的折算 计算负载转矩折算值时，可以先计算作用在传动 机构转速为nf的轴上的转矩FR，R为与齿条啮合的齿 轮半径，然后折算为TFFR/jh。
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2.2多轴电力拖动系统的简化
工作机构为平移运动时转矩与飞轮矩的折算 2．飞轮矩的折算 设作平移运动部分的物体总重为Gf=mfg，其动能为
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2.2多轴电力拖动系统的简化
(1）提升重物时负载转矩的折算 重物对卷筒轴的负载转矩为GR，不计传动机构 损耗时，折算到电动机轴上的负载转矩为
TF GR j
图2-5工作机构运动为升降的电力拖动系统
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2.2多轴电力拖动系统的简化
(2)下放重物时负载转矩的折算 下放重物时，重物对卷筒轴的负载转矩大小仍为 GR，不计传动机构损耗时，折算到电动机轴上的负 载转矩也仍为GR/j，负载转矩的方向也不变。
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2.2多轴电力拖动系统的简化
工作机构作提升和下放重物运动时，转矩与飞轮矩的 折算 1．负载转矩折算 图 2-5 所示为一起重机示意图，电动机通过传动 机构（减速箱）拖动一卷筒，缠在卷筒上的钢丝绳悬 挂一重物，重物的重力为 G=mg，速比为 j，重物提升 时传动机构效率为 h，卷筒半径为 R，转速为 nf，重物 提升或下放时的速度为v，是个常数。
2.1电力拖动系统运动方程式
讨论
1. 当T-TL=0,dn/dt=0则,n=0或n=常数,即电动机静
止或恒速旋转。电力拖动系统处于稳定运行状态， 简称稳态。 2．当T-TL>0, dn/dt>0,动转矩大于零时，电力拖动 系统处于加速运行状态，即处于过渡过程或称动态。