电机与拖动基础第三章 直流电机原理(第二部分)

山西大同大学工学院《电机与拖动基础》教学大纲大纲适用：自动化专业、电气工程及自动化等相关专业总学时：80学时，4学分编写：机电工程系执笔：王官升一、大纲说明（一）课程的性质和任务本课程是自动化专业、电气工程及自动化等相关专业的一门专业技术基础课，其任务是使学生掌握电机的基本结构、工作原理和性能参数，电力拖动系统的各种运行方式、动静态性能分析以及电机选择和实验方法，电力拖动系统的基本理论，计算方法；同时要求掌握基本的实验方法和操作技能以及常用电气仪表（器）的使用。

为进一步学习“电力电子拖动自动控制系统”、“PLC控制系统”等课程准备必要的基础知识。

（二）本课程与其它课程的关系学习本课程必须具备“电路原理”或“电工基础”课程的基本知识。

三、教学内容及基本要求绪论第一章电机的基本原理第一节电磁感应掌握电磁感应定律及物理意义第二节机电能量转换基本原理了解磁路的基本概念和分析方法第三节电机的基本结构与工作原理掌握电机的基本原理和结构第四节电机的能量损耗与发热理解电机的能量损耗与发热过程第二章电力拖动系统的动力学基础第一节电力拖动系统的运动方程掌握电力拖动的系统的运动方程，并能熟练运用于电力拖动系统的分析和研究第二节生产机械的负载转矩特性了解生产机械的负载特性，掌握各种负载特性的特点第三节电力拖动系统的稳态分析——稳定运行的条件掌握电力拖动系统的稳态分析方法，并能用于分析电力拖动系统的稳定问题第四节电力拖动系统的动态分析——过渡过程分析第五节多轴系统电力拖动系统的简化第三章直流电机原理第一节直流电机工作原理及结构掌握直流电机的基本原理和结构第二节直流电机电枢绕组磁场掌握直流电机的电枢绕组和磁场的磁通分布第三节电枢绕组感应电动势和电磁转矩掌握感应电动势和电磁转矩的计算方法第四节直流电机的基本方程和工作特性了解直流电机的基本方程和工作特性第四章直流电动机拖动基础第一节直流电动机机械特性分类第二节他励直流电动机的机械特性了解他励直流电动机的机械特性第三节他励直流电动机的起动了解他励直流电动机的起动第四节他励直流电动机的调速掌握他励直流电动机的调速指标、方法、方式与负载类型第五节他励直流电动机的制动了解他励直流电动机的制动第六节他励直流电动机的四象限运行第五章变压器第一节变压器的用途、结构及铭牌掌握变压器的基本原理与结构第二节变压器的空载运行和负载运行了解变压器的空载运行和负载运行第三节变压器的等效电路和参数测定掌握变压器的等效电路和参数测定第四节变压器的运行特性了解变压器的运行特性第五节三相变压器掌握三相变压器的结构特点第六节其它用途的变压器第六章交流电机的旋转磁场理论第一节电枢绕组的磁动势了解电枢绕组的磁动势第二节旋转磁场的形成和特点理解旋转磁场的形成和特点第三节交流电机的主磁通和漏磁通理解交流电机的主磁通和漏磁通第七章异步电机原理第一节概述第二节三相异步电动机的结构及工作原理掌握异步电机的结构和运行方式第三节异步电动机转子静止时的电磁关系掌握异步电动机的电磁关系第四节异步电动机转子旋转时的电磁关系理解异步电动机的功率关系，转矩的关系第五节对称运行的等值电路及相量图第六节负载运行的功率和转矩第七节异步电动机负载运行的功率和转矩第八节三相异步电动机的工作特性了解异步电机的工作特性第八章同步电动机的原理第一节同步电动机的结构和工作原理掌握同步电动机的结构和基本工作原理第二节同步电动机电压方程式和相量图第三节同步电动机电压平衡方程式和相量图能掌握同步电动机的电压方程和相量图第四节同步电动机功率方程功角特性理解同步电机的功率方程和功角特性第五节同步电动机的功率因数及U形曲线理解同步电动机的功率因数调节和U形曲线第八章交流电机拖动基础第一节异步电动机的机械特性理解异步电动机的机械特性第二节异步电动机的起动掌握异步电动机的起动方式第三节异步电动机的调速了解异步电动机的调速方法第四节异步电动机的制动了解异步电动机主要的三种制动方法第十章电力拖动系统电动机的选择第一节电动机的型号和铭牌参数理解电动机的型号和铭牌参数第二节电动机的绝缘等级与工作制分类了解电动机的绝缘材料及工作制分类第三节不同工作制下电动机的功率选择了解电动机不同工作制下的功率选择第四节电动机额定数据的选择理解电动机的额定数据第十一章特种电机第一节单相异步电动机掌握单相异步电动机的工作原理及分类第二节磁阻式同步电动机了解磁阻式同步电动机的工作原理、基本结构与起动问题第三节磁滞式同步电动机了解磁滞同步电动机的基本结构及工作原理第四节步进电动机了解步进电动机的基本结构及工作原理第六节直线电动机了解直线电动机的基本结构及工作原理。

《电机与拖动基础》教学大纲课程名称：电机与拖动基础适用专业：2016级电气工程及其自动化（专升本函授）、2016级电气自动化技术（专科业余函授）、2016级电气工程及其自动化（专升本）、2016级电气自动化技术业余函授（专科）辅导教材：《电机与拖动基础（2版）》汤天浩编著机工出版一、本课程的地位、任务、作用《电机与拖动基础》为电气工程及其自动化、自动化专业的一门必修课。

本课程是继数学、物理、电路等有关理论基础课之后必修的课程，系统地阐述主要类型电机：直流电机、变压器、交流感应电机、同步电机的工作原理、电磁过程、基本方程式、等效电路等内容。

通过本课程的学习，使学生对电机的基本理论、分析方法及其电机的应用有比较完整的理解和掌握，为后续专业课的学习及从事电气工程学科的工作打好基础。

二、本课程的相关课程先修课程有：《高等数学》、《大学物理》、《电路分析》等。

三、本课程的基本内容及要求第一章电机的基本原理1．了解本课程的性质和任务；电机与拖动技术的发展概况；电机的主要类型。

2．掌握电机理论中常用的基本电磁定律；铁磁材料的特性。

第二章电力拖动系统的动力学基础1. 掌握电力拖动系统的运动方程。

2．熟练掌握生产机械的负载转矩特性。

3. 理解电力拖动系统稳定运行的条件。

第三章直流电机原理1．理解直流电机空载和负载时的磁场及电枢反应；电机的可逆原理。

2．掌握直流电机的基本工作原理和结构；直流电机单叠绕组与单波绕组；直流电机的换向。

3．熟练掌握直流电机电枢电动势、电磁转矩和电磁功率；直流电机的运行原理、电动机惯例、基本方程式、机械特性、工作特性及相关运算。

第四章直流电机拖动基础1．掌握单轴系统运动方程式；生产机械的负载转矩特性；他励直流电动机的机械特性。

2．熟练掌握他励直流电动机的起动、制动和调速的特点、过程分析和相关运算。

第五章变压器1．了解三相变压器磁路系统；三相变压器绕组接法和磁路系统对电动势波形的影响。

2．理解单相变压器空载运行物理现象及电势、电流分析；变压器工作特性。

《电机与拖动基础》习题解答第一章 直流电机原理P331-21一台并励直流发电机N P =16kW , N U =230V,N I =69.6A ,N n =1600r/min,电枢回路电阻a R =0.128Ω,励磁回路电阻f R =150Ω,额定效率N η=85.5%.试求额定工作状态下的励磁电流、电枢电流、电枢电动势、电枢铜耗、输入功率、电磁功率。

解：fN I =N f U R =230150=1.53A aN I =N I +fN I =69.6+1.53=71.13A aN E =N U +aN I a R =230+71.130.128⨯=239.1Vcua p =2aN I a R =271.130.128⨯=647.6WaN E aN I =239.171.13⨯=17kW输出功率1N p =N N P η=1685.5%1685.5%=18.7kW1-29并励直流发电机N P =7.5kW , N U =220V , N I =40.6A , N n =3000r/min,Ra=0.213Ω.额定励磁电流fN I =0.683A,不计附加损耗，求电机工作在额定状态下的电枢电流、额定效率、输出转矩、电枢铜耗、励磁铜耗、空载损耗、电磁功率、电磁转矩及空载转矩。

解： a I =N I -fN I =40.6-0.683=40AP 1=N U N I =22040.6⨯=8932W N η=1N p p 100%⨯=75008932100%⨯=84% 2T =9550N N p n =95507.53000⨯=24N ·m cua p =2a I Ra=240⨯0.213=341W2203220.683N f fN U R I ===Ω 2cuf fN f p I R =∙=2200.683N fN U I ∙=⨯=150W0189327500341150941N cua cuf p P P p p =---=---=189323411508441M cua cuf P p p p =--=--=WT =9550M Np n =95508.4413000=27 N ·m 02T T T =-=27-24=3 N ·m第二章 电力拖动系统的动力学P482-9 负载的机械特性又哪几种主要类型？各有什么特点？答：负载的机械特性有：恒转矩负载特性、风机、泵类负载特性以及恒功率负载特性，其中恒转矩负载特性又有反抗性恒转矩负载与位能性恒转矩负载，反抗性负载转矩的特点是它的绝对值大小不变，但作用方向总是与旋转方向相反，是阻碍运动的制动性转矩，而位能性转矩的特点是转矩绝对值大小恒定不变，而作用方向也保持不变。

电机与拖动》课程教学大纲英文名称： Motors and Electric Drives一、课程说明1．课程性质：学科基础选修课。

2．课程的目的和任务本课程的目的和任务是使学生掌握常用的交、 直流电机， 控制电机及变压器等的 基本结构与工作原理以及电力拖动系统的运行性能、 分析计算及电机选择与实验方法 等，为学习《机床电气控制》及《机电一体化系统设计》等后续课程准备必要的基础 知识。

3． 适应专业：本大纲适用于机械电子工程、电气化与自动化等非电机制造类专业的 本科课程教学。

4． 学时与学分总学时 80学时，其中理论教学 66 学时，实验教学 14学时，共 4.5 学分。

教学 学时分配见第四部分。

先修课程：电路分析基础、模拟电子技术、电力电子技术等。

推荐教材或参考书目：（含教材名，主编，出版社，出版年份） 推荐使用由电子工业出版社出版，邱阿瑞主编的《电机与电力拖动》教材。

主要参考书目： （1）（2） （3） （4） （5） （6） 主要教学方法与手段本课程采用课堂教学与模型、实验教学相结合的方法。

共开设有关实验 14 个学 时，具体实验内容与所需实验仪器、设备等见实验大纲要求。

8．考核方式：（说明，成绩评定办法）理论考试成绩占 70％，实验及平时作业等占 30％。

9．课外自学要求 （ 包含作业要求 ）5．6．7．唐介主编 . 电机与拖动 . 北京：高等教育出版社， 2003顾绳谷主编 . 电机及拖动基础（第二版） . 北京：机械工业出版社， 1997 朱东起主编 . 电机学（上、下册） . 北京：中央广播电视大学出版社， 1995 李发海等编著 .电机学（上、下册 ）. 北京：科技出版社， 1991 杨兴瑶编 . 电动机调速的原理及系统 . 北京：水利电力出版社， 1979 丛望，郭镇明编 . 电机学 .哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社， 1996课前需要预习，课后看书复习。

每一章后留适量的作业，要求按时完成。

电机与拖动基础答案(第四版)电机与拖动基础答案(第四版)第一章电机基础知识1.1 电机的定义及分类电机是一种将电能转化为机械能的设备。

根据电源类型和工作原理的不同，电机可分为直流电机和交流电机两大类。

1.2 电机的工作原理直流电机的工作原理基于电流的方向和大小来决定磁场的方向和大小，从而产生电磁力。

交流电机则是通过电流的频率和大小的变化来产生旋转磁场，从而实现转动。

1.3 电机的结构及组成电机主要由定子、转子、电磁铁、机械轴等部件组成。

定子和转子之间的磁场交互作用使电机能够产生转动。

1.4 电机的性能参数主要包括额定功率、额定转速、效率、启动方式、绝缘等级等。

这些参数可以帮助我们选择合适的电机来满足特定的工作需求。

第二章拖动系统基础知识2.1 拖动系统的定义和组成拖动系统是由电机和负载设备组成的一套驱动装置，用于实现设备的运动和控制。

它包括电机、传动装置、控制装置等。

2.2 传动装置的分类传动装置通常分为机械传动和电子传动两种类型。

机械传动包括齿轮传动、带传动、链传动等，而电子传动主要使用变频器等电子设备来实现。

2.3 拖动系统的控制方式拖动系统可以采用手动控制、自动控制和远程控制等方式。

不同的应用场景需要选择合适的控制方式来实现对拖动系统的灵活控制。

第三章电机和拖动系统的选型和设计3.1 选型要点和方法根据实际工作负载和运行环境条件，我们需要明确电机的功率、转速、绝缘等级等要求，并结合实际情况进行合适的选型。

3.2 设计要点和方法拖动系统的设计需要考虑传动装置的类型、传动比、传动效率等因素。

同时，还需要综合考虑安全性、可靠性和经济性等方面的要求。

3.3 电机和拖动系统的故障分析与排除当电机和拖动系统发生故障时，我们需要进行故障分析，找出问题的原因，并采取相应的措施进行排除，以确保系统的正常运行。

结语电机与拖动基础答案(第四版)对于理解电机的基本原理和拖动系统的选型设计具有重要的参考价值。

通过深入学习和理解这些知识，我们可以更好地应用电机和拖动系统，为各行各业提供高效、安全的驱动方案。

电机与拖动基础习题1（第3-6章）第三章：直流电机原理一、简答题：1、换向器在直流电机中起什么作用在直流发电机中，换向器起整流作用，即把电枢绕组里交流电整流为直流电，在正、负电刷两端输出。

在直流电动机中，换向器起逆变作用，即把电刷外电路中的直流电经换向器逆变为交流电输入电枢元件中。

2、直流电机铭牌上的额定功率是指什么功率直流电机铭牌上的额定功率：对直流发电机而言，指的是输出的电功率的额定值;对直流电动机而言，指的是电动机轴上输出的机械功率的额定值3、直流电机主磁路包括哪几部分磁路未饱和时，励磁磁通势主要消耗在哪一部分直流电机的主磁路主要包括;主磁极、定、转子之间的气隙电枢齿、电枢磁轭、定子磁轭。

磁路未饱和时，铁的磁导率远大于空气的磁导率，气隙的磁阻比磁路中的铁心部分大得多，所以，励磁磁通势主要消耗在气隙上。

4、如何改变他励直流发电机的电枢电动势的方向如何改变他励直流电动机空载运行时的转向通过改变他励直流发电机励磁电流的方向，继而改变主磁通的方向，即可改变电枢电动势的方向;也可以通过改变他励直流发电机的旋转方向来改变电枢电动势的方向。

改变励磁电流的方向，继而改变主磁通的方向，即可改变电动机旋转方向;也可通过改变电枢电压的极性来改变他励直流电动机的旋转方向。

5、直流发电机的损耗主要有哪些铁损耗存在于哪一部分,它随负载变化吗电枢铜损耗随负载变化吗直流发电机的损耗主要有:(1)励磁绕组铜损耗;(2)机械摩擦损耗;(3)铁损耗;(4)电枢铜损耗;(5)电刷损耗;(6)附加损耗。

铁损耗是指电枢铁心在磁场中旋转时硅钢片中的磁滞和涡流损耗。

这两种损耗与磁密大小以及交变频率有关。

当电机的励磁电流和转速不变时,铁损耗也几乎不变。

它与负载的变化几乎没有关系。

电枢铜损耗由电枢电流引起,当负载增加时,电枢电流同时增加,电枢铜损耗随之增加。

电枢铜损耗与电枢电流的平方成正比。

6、他励直流电动机的电磁功率指什么在直流发电机中，电磁功率指的是由机械功率转化为电功率的这部分功率。

电机与拖动基础第一章电机的基本原理 (1)第二章电力拖动系统的动力学基础 (6)第三章直流电机原理 (12)第四章直流电机拖动基础 (14)第五章变压器 (29)第六章交流电机的旋转磁场理论 (43)第七章异步电机原理 (44)第八章同步电机原理 (51)第九章交流电机拖动基础 (61)第十章电力拖动系统电动机的选择 (73)第一章 电机的基本原理1-1 请说明电与磁存在哪些基本关系，并列出其基本物理规律与数学公式。

答：电与磁存在三个基本关系，分别是（1）电磁感应定律：如果在闭合磁路中磁通随时间而变化，那么将在线圈中感应出电动势。

感应电动势的大小与磁通的变化率成正比，即 tΦN e d d -= 感应电动势的方向由右手螺旋定则确定，式中的负号表示感应电动势试图阻止闭合磁路中磁通的变化。

（2）导体在磁场中的感应电动势：如果磁场固定不变，而让导体在磁场中运动，这时相对于导体来说，磁场仍是变化的，同样会在导体中产生感应电动势。

这种导体在磁场中运动产生的感应电动势的大小由下式给出Blv e =而感应电动势的方向由右手定则确定。

（3）载流导体在磁场中的电磁力：如果在固定磁场中放置一个通有电流的导体，则会在载流导体上产生一个电磁力。

载流导体受力的大小与导体在磁场中的位置有关，当导体与磁力线方向垂直时，所受的力最大，这时电磁力F 与磁通密度B 、导体长度l 以及通电电流i 成正比，即Bli F =电磁力的方向可由左手定则确定。

1-2 通过电路与磁路的比较，总结两者之间哪些物理量具有相似的对应关系（如电阻与磁阻），请列表说明。

答：磁路是指在电工设备中，用磁性材料做成一定形状的铁心，铁心的磁导率比其他物质的磁导率高得多，铁心线圈中的电流所产生的磁通绝大部分将经过铁心闭合，这种人为造成的磁通闭合路径就称为磁路。

而电路是由金属导线和电气或电子部件组成的导电回路，也可以说电路是电流所流经的路径。

磁路与电路之间有许多相似性，两者所遵循的基本定律相似，即KCL：在任一节点处都遵守基尔霍夫第一定律约束；KVL：在任一回路中都遵守基尔霍夫第二定律；另外，磁路与电路都有各自的欧姆定律。

《电机与拖动》教学大纲学分：4.5 总学时：81理论学时；72 实验学时：9面向专业：电气工程及其自动化大纲执笔人：郗忠梅大纲审定人：李有安一、说明1、课程的性质和目的《电机与拖动》是电气工程及其自动化专业的一门必修的专业基础课。

本课程的主要任务是使学生掌握变压器、交流电机和直流电机的基本知识、基本理论、基本计算方法和一般运行分析问题以及电力拖动系统的运行情况，为后续专业基础课和专业课的学习打好必要的基础。

电机实验是本课程的重要教学环节。

通过实验可对变压器和各类电机的工作特性，基本原理和理论计算加以验证，使学生掌握电机基本实验的原理和方法，初步掌握对电机进行一般操作的动手能力和对实验数据的分析能力，并提高实验技能和熟练程度。

2、课程教学的基本要求理论知识方面：本课程宜安排学生在学完电路、电子等有关基础课程之后的第四学期，内容上注意与以上学科的衔接，课堂教学应力求使学生理解基本概念，掌握基本内容。

实验技能方面：熟练掌握电工仪表的使用方法和各种电机线路的正确接线方法等。

3、课程教学改革总体设想：在有限的教学时间内尽可能多传授给学生有关电机学方面的理论知识。

为了与后继课程的连续性，多增加同步电机的理论知识的讲述学时数。

二、教学大纲内容（一）课程理论教学第一章绪论（2学时）第一节教材内容与课程性质第二节本课程常用的物理概念和定律本章重点、难点：1、安培环路定律2、变压器电动势。

建议教学方法：在教学方法上要力求少而精，采用启发式与形象化相结合。

思考题：1、变压器和电机的磁路常采用什么材料制成，这种材料有哪些主要材料？2、磁滞损耗和涡流损耗是什么原因引起的？它们的大小与哪些因数有关？第二章电力拖动系统动力学（2学时）第一节电力拖动系统转动方程式第二节负载的转矩特性与电力拖动系统稳定运行的条件负载的转矩特性、电力拖动系统稳定运行的条件。

本章重点、难点：电力拖动系统稳定运行条件。

建议教学方法：在教学方法上要力求少而精，采用启发式与形象化相结合。

电机及拖动基础教学课件目录绪论第1章直流电机原理1.1直流电机的基本工作原理1.1.1 直流发电机的工作原理1.1.2 直流电动机的工作原理1.2直流电机的主要结构及用途1.2.1 主要结构1.2.2 直流电机的铭牌数据1.2.3 直流电机的用途和分类1.3直流电机的电枢绕组1.3.1 单叠绕组1.3.2 单波绕组简介1.4直流电机的磁场1.4.1 直流电机的空载磁场1.4.2 直流电机负载时的磁场和电枢反应1.4.3 直流电机的励磁方式1.5直流电机的换向1.5.1 直流电机的换向问题和换向极绕组1.5.2 直流电机的补偿绕组小结思考题习题参考文献第二章直流电机的运行和拖动2.1直流电机的运行原理和特性；2.2他励直流电机的机械特性；2.3他励直流电机的起动；2.4他励直流电机的调速；2.5他励直流电机的电动与制动运行第三章变压器3.1变压器的基本工作原理和结构；3.2单相变压器的空载运行；3.3单相变压器的负载运行；3.4变压器参数的确定；3.5变压器的运行特性；3.6三相变压器；3.7自耦变压器第四章三相异步电动机原理4.1异步电动机的基本工作原理；4.2异步电动机的结构及用途；4.3异步电动机的定子绕组；4.4三相异步电动机的电磁关系；4.5三相异步电动机的功率与转矩；4.6三相异步电动机的工作特性；4.7三相异步电动机参数的测定第5章三相异步电动机的运行与拖动5.1 三相异步电动机的运行特性5.1.1 机械特性的物理表达式5.1.2 机械特性的参数表达式5.1.3 机械特性的实用表达式5.1.4 机械特性的固有特性和人为特性5.1.5 稳定运行问题5.2 三相异步电动机的起动5.2.1 三相异步电动机直接起动的问题5.2.2 三相鼠笼式异步电动机的降压起动5.2.3 三相绕线式异步电动机的起动5.3 三相异步电动机的制动5.3.1 能耗制动5.3.2 反接制动5.3.3 回馈制动5.4 三相异步电动机的调速5.4.1 三相异步电动机的降定子电压调速5.4.2 绕线式异步电动机转子回路串电阻调速5.4.3 电磁转差离合器调速5.4.4 绕线式异步电动机的串级调速5.4.5 变极调速5.4.6 变频调速小结习题第六章控制电机6.1 伺服电动机6.2步进电动机6.3测速发电机6.4自整角机6.5旋转变压器6.6小结第七章电动机的选择7.1电动机的发热与冷却7-2电机的绝缘材料和允许温升7.3电动机的工作方式7.4电动机的负载功率计算7.5电动机的容量选择7.6小结电机及拖动基础教学课件第1章 直流电机原理摘要：本章分析直流电机的工作原理、结构、电路、磁路及换向等问题，为电力拖动自动控制系统提供元件的基本知识。