电机学(华中科技大学出版社)

《电机学（二）》课程教学大纲课程中文名称：电机学课程英文名称：Electric Machines课程编号：C1216应开课学期：5学时数：28+4学分数：2先修课程：《高等数学》、《大学物理》、《电路原理》等适用专业：电气工程及其自动化等课程类型：专业核心课、学位课使用教材：辜承林、陈乔夫、熊永前主编；电机学(第三版)，华中科技大学出版社。

开课单位：电气与新能源学院一、课程性质本课程是电气工程及其自动化等专业的一门重要专业技术基础课程,是专业核心课和必修学位课。

本课程的特点是理论性、关联性、分析性强，概念、公式多，与工程实际联系密切。

通过本课程学习，让学生获得电机的基本理论知识、基本分析方法和基本实验技能，为进一步学习电力系统专业课和从事电力系统行业打下坚实的基础。

二、教学目标1、掌握电机学（二）的研究内容、基本理论知识和分析方法及电机学与相关学科的关系，用以解决复杂工程问题。

支撑指标点1.3 。

2、熟悉直流和异步电机的基本结构，掌握其基本理论知识和基本电磁关系的分析；使学生熟悉和理解这两种电机的运行原理，掌握其运行性能的评判。

支撑指标点2.1 。

3、通过电磁关系的分析，获得这两种电机的电压电流方程，把物理模型转换成电路模型，进而获得其数学模型，这样提升学生识别、表达电气工程问题的能力。

支撑指标点2.1，2.5 。

4、能够分析出异步电机、直流电机运行的要求和应满足的条件，也能分析启动、调速和制动这样一些实际工程问题，进而分析其在电力系统中的应用性能。

支撑指标点2.1，2.5 。

5、通过这两种电机实验，培养学生掌握其基本实验技能，提高学生的动手能力，加强学生团队合作能力；提升学生实验数据采集、分析处理和获得有效结论的能力；培养学生写好实验报告的能力。

支撑指标点4.2，4.3,4.4 。

三、教学内容、学时安排和基本要求第一章绪论（6学时）1、教学内容（1）了解本课程的性质和任务；了解本课程的主要内容、学习方法；了解本课程的教学和考试大纲。

第二章：变压器主要内容：变压器的工作原理，运行特性，基本方程式等效电路相量土，变压器的并联运行及三相变压器的特有问题。

2-1变压器的工作原理本节以普通双绕组变压器为例介绍变压器的工作原理，基本结构和额定值。

一、 基本结构变压器的主要部件是铁心和绕组，它们构成了变压器的器身。

除此之外，还有放置器身的盛有变压器油的油箱、绝缘套管、分接开关、安全气道等部件。

主要介绍铁心和绕组的结构。

1、铁心变压器的铁心既是磁路，也是套装绕组的骨架。

铁心分：心柱：心柱上套装有绕组。

铁轭：形成闭合磁路为了减少铁心损耗，通常采用含硅量较高，厚度为0.33mm 表面涂有绝缘漆的硅钢片叠装而成。

铁心结构的基本形式分心式和壳式两种心式：铁轭靠着绕组的顶面和底面。

而不包围绕组侧面，见图2-2特结构较为简单，绕组的装配及绝缘也较为容易，所以国产变压器大多采用心式结构。

（电力变压器常采用的结构）壳式：铁轭不仅包围顶面和底面，也包围绕组的侧面。

见图2-3，这种结构机械强度较好，但制造工艺复杂，用材料较多。

铁心的叠装分为对接和叠接两种对接：将心柱和铁轭分别叠装和夹紧，然后再把它们拼在一起。

工艺简单。

迭接：把心柱和铁轭一层一层的交错重叠，工艺复杂。

由于叠接式铁心使叠片接缝错开，减小接缝处的气隙，从而减小了励磁电流，同时这种结构夹紧装置简单经济可靠性高，多采用叠接式。

缺点：工艺上费时2、绕组绕组是变压器的电路部分，用纸包或纱包的绝缘扁线或圆线绕成。

接入电能的一端称为原绕组（或一次绕组）输出电能的一端称为付绕组（或二次绕组）一、二次绕组中电压高的一端称高电压绕组，低的一端称低电压绕组高压绕组匝数多，导线细；低压绕组匝数少，导线粗。

因为不计铁心的损耗，根据能量的守恒原理S I U I U ==2211 （s 原付绕组的视在功率）电压高的一端电流小所以导线细从高低压绕组的相对位置来看，变压器绕组可以分为同心式和交叠式两类同心式：高低压绕组同心的套在铁心柱上。

第三章变压器3． 1变压器有哪几个主要部件？各部件的功能是什么？变压器的主要部件:铁心 : 磁路 , 包括芯柱和铁轭两部分绕组:电路油箱 : 加强散热，提高绝缘强度套管 : 使高压引线和接地的油箱绝缘3．2变压器铁心的作用是什么？为什么要用厚0.35mm 、表面涂绝缘漆的硅钢片制造铁心？变压器铁心的作用是磁路. 铁心中交变的磁通会在铁心中引起铁耗, 用涂绝缘漆的薄硅钢片叠成铁心, 可以大大减小铁耗.3． 3为什么变压器的铁心和绕组通常浸在变压器油中？因变压器油绝缘性质比空气好，所以将铁心和绕组浸在变压器油中可加强散热和提高绝缘强度 .3． 4变压器有哪些主要额定值？一次、二次侧额定电压的含义是什么？额定值I1N, I 2N,U1N, U2N, S N, f NU U 1N :一次绕组端子间电压保证值2 N :空载时 ,一次侧加额定电压,二次侧测量得到的电压3． 5 变压器中主磁通与漏磁通的作用有什么不同？在等效电路中是怎样反映它们的作用的？主磁通:同时交链一次，二次绕组,但是能量从一次侧传递到二侧的媒介,使E1N1k ,实现变压功能E2N2漏磁通 :只交链自身绕组 , 作用是在绕组电路中产生电压降,负载时影响主磁通 ,E1和二次电压 U2的变化,以及限制二次绕组短路时短路电流的大小,在等效电路中用Z m反应磁通的作用,用x1, x2反应漏磁通的作用3． 6电抗X1、X k、X m的物理概念如何？它们的数据在空载试验、短路试验及正常负载运行时是否相等？为什么定量计算可认为Z k和 Z m是不变的？Z k的大小对变压器的运行性能有什么影响？在类变压器Z k的范围如何？x1:对应一次绕组的漏磁通,磁路的磁组很大，因此x1很小,因为空气的磁导率为常数,∴ x1为常数x k x1x2叫短路电抗x m:对应于主磁通,主磁通所走的磁路是闭合铁心,其磁阻很小 ,而电抗与磁阻成反比,因此x m很大.另外,铁心的磁导率不是常数,它随磁通密度的增加而变小，磁阻与磁导率成反比,所以励磁电抗和铁心磁导率成正比由于短路时电压低,主磁通小，而负载试验时加额定电压，主磁通大，所以短路试验时x m比空载试验时的 x m大.正常负载运行时加额定电压，所以主磁通和空载试验时基本相同,即负载运行时的励磁电抗与空载试验时基本相等，x1, x k在空载试验 ,断路试验和负载运行时 ,数值相等 ,ZK U K叫短路阻抗Z K R K j X K( 1R2R)( j1 x是常数∴不变 (R1,R2随温I K2x)度变化 )Z m E1 4.44 fN1 m 2 fN21(见背面 ) I02I 0N1R m3．7为了得到正弦感应电动势，当铁心不饱和与饱和时，空载电流应各呈何种波形？为什么？铁心不饱和时,空载电流与成正比,如感应电势成正弦,则也为正弦变化，∴i0也为正弦铁心饱和时 : i为尖顶波,见P图 3.801233． 8试说明磁动势平衡的概念极其在分析变压器中的作用？一次电流 I产生的磁动势 F和二次电流 I2产生的磁动势F共同作用在磁路上，等于磁通112乘磁组 ,即F1F2m R m其中是考虑铁心的磁滞和涡流损耗时磁动势超前磁通的一个小角度,实际铁心的R m很小，而 R m0,则F1F20,即F1F2这就叫磁动势平衡,即一二次磁动势相量的大小相等，方向相反，二次电流增大时,一次电流随之增大 .当仅考虑数量关系时 ,有N1I1N2I 2即kI1I2或I1I2∴利用磁动势平衡的概念来定性分析变压器运行时,可立即得出结论,一 ,二次电流之比和他们的匝数成反比 .3．9为什么变压器的空载损耗可以近似地看成是铁耗，短路损耗可以近似地看成是铜耗？负载时变压器真正的铁耗和铜耗与空载损耗和短路损耗有无差别，为什么？P02P Fe空载时I0很小，∴解：P Fe∵空载损耗 P0 mI 0 R1 mI02R1可忽略∴P0P FeP k P c u∵ P k Pcu P Fe∵短路试验时外施电压U k很小,∴很小 ,I 0很小∴铁耗很小 ,可忽略铁耗 ,P k Pcu负载时 P Fe：与空载时无差别，这是因为当f不变时， P Fe B22E2U 2负载与空载时一次绕组侧施加的电压基本不变，∴P Fe基本不变，则不变损耗，严格说，空载时，漏抗压降大∴磁密略低，铁耗略少些P cu：如果是同一电流，则无差别。

电机学第四版华中科技大学出版社课后答案第一章1.1 电机和变压器的磁路主要采用硅钢片制成。

硅钢片具有良好的导磁性能，其磁导率极高（可达到真空磁导率的数百乃至数千倍），能减小电机和变压器的体积。

同时由于硅钢片加入了半导体硅，增加了材料的电阻率，从而能有效降低材料在交变磁场作用下产生的磁滞损耗和涡流损耗。

1.2 铁磁材料在交变磁场的作用下，磁畴之间相互摩擦产生的能量损耗称为磁滞损耗。

当交变磁通穿过铁磁材料时，将在其中感应电动势和产生涡流,涡流产生的焦耳损耗称为涡流损耗。

磁滞损耗和涡流损耗合在一起称为铁耗。

在铁磁材料重量一定的情况下,铁耗P Fe的大小与磁场交变的频率f和最大磁通密度B m之间的关系为P Fe C ∝fβB2m式中, β为频率指数，与材料性质有关,其值在1.2~1.6之间。

因此，铁耗与最大磁通密度的平方、磁通交变频率f的β次方成正比。

1.3 变压器电动势是线圈与磁场相对静止，单由磁通随时间变化而在线圈中产生的感应电动势，与变压器工作时的情况一样，并由此而得名。

运动电动势是磁场恒定时，单由线圈(或导体)与磁场之间的相对运动所产生。

变压器电动势的大小与线圈匝数及与线圈交链的做通随时间的变化率成正比;运动电动势的大小与导体长度、导体与磁场间相对运动的速度以及磁通密度成正比。

1.4 当铁磁材料中的磁通密度B达到定的程度后.B的增加随着外加场H的增加而逐渐变慢，磁导率减小，这种现象称为磁饱和现象。

1.5 磁通、磁动势、磁阻分别和电路中的电流、电动势和电阻对应,磁路的基本定律分别和电路中的基本定律对应。

磁路的基本定律有磁路欧姆定律中Φ=F/R m=Λm F,磁路基尔霍夫第一定律中ΣΦ=0,磁路基尔霍夫第二定律ΣF= ΣHl= ΣΦR m。

当铁芯磁路上有几个磁动势同时作用时，磁路计算一般不能用叠加原理。

因为铁芯磁路存在饱和现象。

饱和时，磁阻不是一个常数,因此不能用叠加原理。

若铁芯中的磁通密度很小，没有饱和，则可以用叠加原理。

第二章 直流电机 2．1 为什么直流发电机能发出直流电流？如果没有换向器，电机能不能发出直流电流？换向器与电刷共同把电枢导体中的交流电流，“换向”成直流电，如果没有换向器，电机不能发出直流电。

2．2 试判断下列情况下，电刷两端电压性质 （1）磁极固定，电刷与电枢同时旋转； （2）电枢固定，电刷与磁极同时旋转。

(1)交流 ∵电刷与电枢间相对静止，∴电刷两端的电压性质与电枢的相同。

（2）直流 电刷与磁极相对静止，∴电刷总是引出某一极性下的电枢电压，而电枢不动，磁场方向不变 ∴是直流。

2．3 在直流发电机中，为了把交流电动势转变成直流电压而采用了换向器装置；但在直流电动机中，加在电刷两端的电压已是直流电压，那么换向器有什么呢？ 直流电动机中，换向法把电刷两端的直流电压转换为电枢内的交流电，以使电枢无论旋转到N 极下，还是S 极下，都能产生同一方向的电磁转矩 2．4 直流电机结构的主要部件有哪几个？它们是用什么材料制成的，为什么？这些部件的功能是什么？有7个 主磁极 换向极， 机座 电刷 电枢铁心，电枢绕组，换向器 见备课笔记2．5 从原理上看，直流电机电枢绕组可以只有一个线圈做成，单实际的直流电机用很多线圈串联组成，为什么？是不是线圈愈多愈好？一个线圈产生的直流脉动太大，且感应电势或电磁力太小，线圈愈多，脉动愈小，但线圈也不能太多，因为电枢铁心表面不能开太多的槽，∴线圈太多，无处嵌放。

2．6 何谓主磁通？何谓漏磁通？漏磁通的大小与哪些因素有关？主磁通： 从主极铁心经气隙，电枢，再经过相邻主极下的气隙和主极铁心，最后经定子绕组磁轭闭合，同时交链励磁绕组和电枢绕组，在电枢中感应电动势，实现机电能量转换。

漏磁通： 有一小部分不穿过气隙进入电枢，而是经主极间的空气隙钉子磁轭闭合，不参与机电能量转换，δΦ与饱和系数有关。

2．7 什么是直流电机的磁化曲线？为什么电机的额定工作点一般设计在磁化曲线开始弯曲的所谓“膝点”附近？磁化曲线：00()f F Φ= 0Φ-主磁通，0F 励磁磁动势设计在低于“膝点”，则没有充分利用铁磁材料，即 同样的磁势产生较小的磁通0Φ，如交于“膝点”，则磁路饱和，浪费磁势，即使有较大的0F ，若磁通0Φ基本不变了，而我的需要是0Φ（根据E 和m T 公式）选在膝点附近好处：①材料利用较充分②可调性好③稳定性较好。

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6 有机会自己上电机厂看看，不用多，两天，电机工艺的感性认识就有了，以后工作再学就说这些了，其实还有很多话要说，有空在说吧！。

第三章直流电机的稳态分析主要内容：研究直流电机的稳态运行，对直流电机的工作原理、结构、电路、磁路及运行原理和换向问题加以分析，并对直流电机的启动、调速和制动进行了分析。

3-1直流电机的工作原理和基本结构电机是由两大部分组成1、静止部分——定子2、旋转部分——转子一、直流电机的静止部分（定子）1、主磁极主磁通的作用是建立主磁场。

主磁极由主极铁心和套装在铁心上的励磁绕组组成它的，铁心是由1～1.5mm厚的钢板冲片叠压紧固而成。

极靴的作用是使主磁通在过气隙时分布的更合理并且固定励磁绕组。

2、机座其作用一是作为磁路的一部分，二是固定主极，换向极和端盖。

通常是用铸钢或厚钢板焊成，机座中有磁通通过的部分称为磁轭。

3、换向极换向极装在两极之间。

其作用是用来改善换向，也是由铁心和绕组组成，换向极绕组与电枢绕组串联。

4、电刷装置电刷装置是电枢电路的引入（或引出）装置，通过它可以把电机旋转部分的电流引出到静止的电路里，它与换向器配合才能使电机获得直流电机的效果。

二、直流电机的转动部分1、电枢铁心电枢铁心即是主磁路的组成部分,又是电枢部分绕组的支撑部件.为减少电枢铁心内的涡流损耗,铁心一般采用0.5mm厚的DR530或DR510的硅钢片叠压而成.2、电枢绕组.电枢绕组叠放在电枢铁心的槽内,是由按一定规律联接的线圈组成.它是直流电机的电路部分.上、下层之间及线圈与铁心之间都要有绝缘,槽口处用槽楔压紧.3、换向器换向器也是直流电机的重要部件，在发电机中可将电枢绕组中交变的电流转换成电刷上的直流，起整流作用，而在直流电动机中将电刷上的直流变为电枢绕组内的交流，即起逆变作用。

换向器由许多换向片组成，片间用云母绝缘，电枢绕组的每个线圈的两端分别接到两个换向片上.三、电流电机的工作原理1、直流电动机的工作原理我们首先分析一个简单的物理模型，图中N.S是一对磁铁,它可以是永久磁铁,也可以为电磁铁，所谓电磁铁就是在磁极铁心上绕上励磁线圈且通入直流，便产生固定的极性。

第1章 导论1.1 电机和变压器的磁路常采用什么材料制成？这些材料各有哪些主要特性？ 解：磁路：硅钢片。

特点：导磁率高。

电路：紫铜线。

特点：导电性能好，电阻损耗小. 电机：热轧硅钢片， 永磁材料 铁氧体 稀土钴 钕铁硼 变压器：冷轧硅钢片。

1.2 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素有关？解：磁滞损耗：铁磁材料在交变磁场作用下反复磁化，磁畴会不停转动，相互间产生摩擦，消耗能量，产生功率损耗。

与磁场交变频率f ，磁通密度B ，材料，体积，厚度有关。

涡流损耗：由电磁感应定律，硅钢片中有围绕磁通呈涡旋状的感应电动势和电流产生叫涡流，涡流在其流通路径上的等效电阻中产生的损耗叫涡流损耗。

与磁场交变频率f ，磁通密度，材料，体积，厚度有关。

1.3 变压器电动势、运动电动势产生的原因有什么不同？其大小与哪些因素有关？ 解：变压器电势：磁通随时间变化而在线圈中产生的感应电动势 4.44m EfN φ=。

运动电势：线圈与磁场间的相对运动而产生的e T 与磁密B ，运动速度v ，导体长度l ，匝数N 有关。

1.6自感系数的大小与哪些因素有关？有两个匝数相等的线圈，一个绕在闭合铁心上，一个绕在木质材料上，哪一个自感系数大？哪一个自感系数是常数？哪一个自感系数是变数，随什么原因变化？解：自感电势：由于电流本身随时间变化而在线圈内感应的电势叫自感电势。

d Le dt Lψ=- 对空心线圈：L Li ψ= 所以die L L dt=-自感：2L L N N m m iiiLNi N φψ===∧=∧ Am l μ∧=所以，L 的大小与匝数平方、磁导率µ、磁路截面积A 、磁路平均长度l 有关。

闭合铁心µ>>µ0，所以闭合铁心的自感系数远大于木质材料。

因为µ0是常数，所以木质材料的自感系数是常数，铁心材料的自感系数是随磁通密度而变化。

1.7 在图1.30中，若一次绕组外加正弦电压u 1、绕组电阻R 1、电流i 1时，问 （1）绕组内为什么会感应出电动势？（2）标出磁通、一次绕组的自感电动势、二次绕组的互感电动势的正方向； （3）写出一次侧电压平衡方程式；（4）当电流i 1增加或减小时，分别标出两侧绕组的感应电动势的实际方向。