电机学(3.5)n

电机学第五版引言概述：电机学是电气工程领域中的一门重要学科，它研究电机的工作原理、性能特点及其应用。

《电机学第五版》是一本经典的教材，它全面介绍了电机学的基本理论和实际应用。

本文将从五个大点来阐述《电机学第五版》的内容和特点。

正文内容：1. 电机学基础1.1 电机学的定义和发展历史1.2 电机学的基本概念和术语1.3 电机学的分类和特点1.4 电机学的基本原理和公式1.5 电机学的实际应用和意义2. 电机的结构和工作原理2.1 电机的基本结构和组成部分2.2 电机的工作原理和基本运行原理2.3 电机的磁场产生和转换原理2.4 电机的能量转换和传输原理2.5 电机的效率和性能指标3. 电机的性能特点和测试方法3.1 电机的静态特性和动态特性3.2 电机的转矩特性和速度特性3.3 电机的电气特性和机械特性3.4 电机的负载特性和响应特性3.5 电机的测试方法和测试仪器4. 电机的控制和调速技术4.1 电机的启动和制动控制技术4.2 电机的调速和变频控制技术4.3 电机的转矩和速度控制技术4.4 电机的位置和轨迹控制技术4.5 电机的故障诊断和保护技术5. 电机的应用领域和发展趋势5.1 电机在工业领域的应用和发展5.2 电机在交通运输领域的应用和发展5.3 电机在家庭和办公领域的应用和发展5.4 电机在能源和环保领域的应用和发展5.5 电机在新兴技术和领域的应用和发展总结：综上所述，《电机学第五版》是一本全面介绍电机学基础理论和应用的经典教材。

它详细阐述了电机学的基本概念、原理和公式，介绍了电机的结构、工作原理和性能特点。

同时，它还涵盖了电机的控制和调速技术，以及电机在不同领域的应用和发展趋势。

通过学习《电机学第五版》，读者可以全面了解和掌握电机学的知识，为电气工程领域的实际工作提供有力支持。

电机学概念以及公式总结电机学是一个研究电动机工作原理和运行特性的学科。

电动机是一种将电能转化为机械能的装置，它是现代工业中不可或缺的设备之一、在电机学中，我们需要掌握一些基本概念和公式来分析和计算电动机的性能。

1.电机概念：(1)励磁：通过电流在电动机的励磁线圈中产生磁场。

(2)动极转子：电机的转子部分，通常由电流产生的磁场与定子磁场相互作用来产生转矩。

(3)定子：电机的静态部分，包括固定的线圈和磁场。

(4)动极转子感应电动势：当动极转子旋转时，转子线圈就会受到磁场的影响，产生感应电动势。

(5)动极转子电感电动势：当动极转子上的线圈传输电流时，就会在线圈中产生感应电动势。

2.电机公式：(1)电动势公式：U=E+I*R，其中U是电源电压，E是感应电动势，I 是电流，R是电阻。

(2) 电动机效率公式：η = (Pout / Pin) * 100%，其中Pout是输出功率，Pin是输入功率。

(3)转矩公式：T=k*I*φ，其中T是转矩，k是转矩系数，I是电流，φ是磁通量。

(4)电流-转速方程：N=(U-E)/k*φ，其中N是转速，U是电源电压，E是感应电动势，k是电机常数，φ是磁通量。

(5) 转矩-转速特性公式：T = (Pout * 60) / (2 * π * N)，其中T是转矩，Pout是输出功率，N是转速。

3.电机类型：(1)直流电动机：通过直流电源供电，具有较大的转矩和调速范围。

(2)交流电动机：通过交流电源供电，具有简单的结构和较小的体积。

(3)三相异步电动机：最常用的电动机类型，通过三相交流电源供电。

(4)步进电机：通过脉冲信号驱动，可精确控制转动角度和位置。

4.电机特性：(1)转速特性：描述电机在不同负载下的转速变化情况。

(2)转矩特性：描述电机在不同负载下的输出转矩变化情况。

(3)效率特性：描述电机在不同负载下的能源转换效率。

5.电机控制：(1)转速控制：通过调节电源电压、频率和电流来控制电机转速。

《电机学》（第五版）课后习题解答系别：电气工程系系授课教师： *** * 日期： 2017.05.2 0第一章 磁路1-1 磁路的磁阻如何计算？磁阻的单位是什么？答： 磁路的磁阻与磁路的几何形状（长度、面积）和材料的导磁性能有关，计算公式为AlR m μ=，单位：Wb A1-2 磁路的基本定律有那几条？当铁心磁路上有几个磁动势同时作用时，能否用叠加原理来计算磁路？为什么？答： 有安培环路定律，磁路的欧姆定律，磁路的串联定律和并联定律；不能，因为磁路是非线性的，存在饱和现象。

1-3 基本磁化曲线与初始磁化曲线有何区别？计算磁路时用的是哪一种磁化曲线？答： 起始磁化曲线是将一块从未磁化过的铁磁材料放入磁场中进行磁化，所得的)(H f B =曲线；基本磁化曲线是对同一铁磁材料，选择不同的磁场强度进行反复磁化，可得一系列大小不同的磁滞回线，再将各磁滞回线的顶点连接所得的曲线。

二者区别不大。

磁路计算时用的是基本磁化曲线。

1-4 铁心中的磁滞损耗和涡流损耗是怎样产生的，它们各与哪些因素有关？答： 磁滞损耗：铁磁材料置于交变磁场中，被反复交变磁化，磁畴间相互摩擦引起的损耗。

经验公式V fB C p nmh h ≈。

与铁磁材料的磁滞损耗系数、磁场交变的频率、铁心的体积及磁化强度有关；涡流损耗：交变的磁场产生交变的电场，在铁心中形成环流（涡流），通过电阻产生的损耗。

经验公式G B f C p m Fe h 23.1≈。

与材料的铁心损耗系数、频率、磁通及铁心重量有关。

1-5 说明交流磁路和直流磁路的不同点。

答： 直流磁路中的磁通是不随时间变化的，故没有磁滞、涡流损耗，也不会在无相对运动的线圈中感应产生电动势，而交流磁路中的磁通是随时间而变化的，会在铁心中产生磁滞、涡流损耗，并在其所匝链的线圈中产生电动势，另外其饱和现象也会导致励磁电流、磁通，感应电动势波形的畸变，交流磁路的计算就瞬时而言，遵循磁路的基本定律。

1-6 电机和变压器的磁路通常采用什么材料构成？这些材料有什么特点？答：磁路：硅钢片。

第 3 章3.1 三相变压器组和三相心式变压器在磁路结构上各有什么特点？答：三相变压器组磁路结构上的特点是各相磁路各自独立，彼此无关；三相心式变压器在磁路结构上的特点是各相磁路相互影响，任一瞬间某一相的磁通均以其他两相铁心为回路。

3.2三相变压器的联结组是由哪些因素决定的？答：三相变压器的联结组是描述高、低压绕组对应的线电动势之间的相位差，它主要与（1）绕组的极性（绕法）和首末端的标志有关；（2）绕组的连接方式有关。

3.4 Y ，y 接法的三相变压器组中，相电动势中有三次谐波电动势，线电动势中有无三次谐波电动势？为什么？答：线电动势中没有三次谐波电动势，因为三次谐波大小相等，相位上彼此相差003601203=⨯，即相位也相同。

当采用Y ，y 接法时，线电动势为两相电动势之差，所以线电动势中的三次谐波为零。

以B A ,相为例，三次谐波电动势表达式为03.3.3.=-=B A AB E E E ，所以线电动势中没有三次谐波电动势。

3.5变压器理想并联运行的条件有哪些？答：变压器理想并联运行的条件有：（1） 各变压器高、低压方的额定电压分别相等，即各变压器的变比相等；（2） 各变压器的联结组相同；（3） 各变压器短路阻抗的标么值Z k *相等，且短路电抗与短路电阻之比相等。

上述三个条件中，条件（2﹚必须严格保证。

3.6 并联运行的变压器，如果联结组不同或变比不等会出现什么情况？ 答：如果联结组不同，当各变压器的原方接到同一电源，副方各线电动势之间至少有30°的相位差。

例如Y ，y0和Y ，d11两台变压器并联时，副边的线电动势即使大小相等，由于对应线电动势之间相位差300，也会在它们之间产生一电压差U ∆， 如图所示。

其大小可达U ∆=U N 22sin15°=0.518U N 2。

这样大的电压差作用在变压器副绕组所构成的回路上，必然产生很大的环流（几倍于额定电流），它将烧坏变压器的绕组。

第 1 页/共 6 页一、主要内容磁场、磁感应强度，磁场强度、磁导率，全电流定律，磁性材料的B-H 曲线，铁心损耗与磁场储能，电感，电磁感应定律，电磁力与电磁转矩。

二、基本要求结实控制以上概念对本课程学习是必须的。

三、注重点1、欧姆定律：作用于磁路上的磁动势等于磁阻乘以磁通m F Φ=Λ，1m m S R lμΛ== 2、2222m SfN SN l X L N l μμωωπω==Λ==3、随着铁心磁路饱和的增强，铁心磁导率µFe 减小，相应的磁导、电抗也要减小。

一、主要内容额定值，感应电动势、电压变比，励磁电流，电路方程、等效电路、相量图，绕组归算，标幺值，空载实验、短路实验及参数计算，电压变化率与效率。

三相变压器的联接组判别。

三相变压器绕组的联接法和磁路系统对相电势波形的影响。

二、基本要求熟练控制变压器的基本电磁关系，变压器的各种平衡关系。

三种分析手段：基本方程式、等效电路和相量图。

正方向决定，基本方程式、相量图和等效电路间的一致性。

理解变压器绕组的归算原理与计算。

熟练控制标幺值的计算及数量关系。

认识变压器参数的测量主意，运行特性分析主意与计算。

控制三相变压器的联接组表示与决定。

三、注重点1、变压器的额定值对三相变压器来说电压、电流均为线值，功率是三相视在功率，计算时一定要注重。

三相变压器参数计算时，必须换成单相数值，最后结果再换成三相值。

2、励磁阻抗的物理意义，与频率和铁心饱和度的关系。

3、变压器的电势平衡、磁势平衡和功率平衡（功率流程图）。

4、变压器参数计算（空载实验普通在低压侧做，短路实验普通在高压侧做。

在哪侧做实验，测出来的就是哪侧的数值，注重折算！）5、变压器的电压调节率和效率的计算（负载因数1I β*=）。

6、单相变压器中励磁电流、主磁通和感应电势的波形关系，三相变压器的铁心结构和电势波形。

7、联接组别的判别。

8、变压器负载与二次侧接线方式要一致，若不一致，必须将负载∆-Y 变换。

《电机学》课后习题答案华中科技大学辜承林主编第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 L e d t Lψ=-对空心线圈：L Li ψ= 所以die L L dt=-自感：2LL 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。

电机学电机分类谨转电机直线电机严机｛2=舷电机!轴电机V r〜同步电机叫感应发电机同步发曲机同步电动机同步补偿机直线同步（永磁）电动机直线异步电动机1.1磁路基本定律磁路：磁通所通过的路径。

主磁通：由于铁心的导磁性能比空气要好得多，绝大部分磁通将在铁心内通过, 这部分磁通称为主磁通。

漏磁通：围绕载流线圈、部分铁心和铁心周围的空间，还存在少量分散的磁通, 这部分磁通称为漏磁通。

? 安培环路定律全电流定律：磁场强度沿任意的闭合回路的线积分等于闭合回路包围的导体电流 的代数和。

意义：电流是产生磁场的源? 磁路的欧姆定律 磁动势：F Ni 磁阻：R m丄A磁导：m 1/R m磁通： F /“? 磁路的基尔霍夫第一定律穿出（或进入）任一闭和面的总磁通量恒等于零（或者说进入任一闭合面的磁 通量恒等于穿出该闭合面的磁通量），这就是磁通连续性定律。

? 磁路的基尔霍夫第二定律1磁路蜒H dl | H dl i ，?H dl I 1Id O ,d/2 33Ni H k i k 1 R m1 2 Rm2R mk 1定律内容：沿任何闭合磁路的总磁动势恒等于各段磁路磁位降的代数和。

1.2常用的铁磁材料及其特性铁磁物质的磁化：铁磁材料在外磁场中呈现很强的磁性，此现象称为铁磁物质的磁化。

1.2.1磁化曲线和磁滞回线将一块尚未磁化的铁磁材料进行磁化，当磁场强度H由零逐渐增大时，磁通密度B将随之增大，曲线B=f（H）就称为起始磁化曲线。

随着磁场强度H的增大，饱和程度增加，丹减小，R m增大，导磁性能降低。

设计电机和变压器时，为使主磁路内得到较大的磁通量而又不过分增大励磁磁动势。

通常把铁心内的工作磁通密度选择在膝点（磁化曲线开始拐弯的点）附近。

1）磁滞回线剩磁：去掉外磁场之后，铁磁材料内仍然保留的磁通密度B r。

矫顽力：要使B值减小到零，必须加上相应的反向外磁场，此反向磁场强度称为矫顽力。

2）基本磁化曲线对同一铁磁材料，选择不同的磁场强度进行反复磁化，可得一系列大小不同 的磁滞回线，再将各磁滞回线的顶点联接起来，所得的曲线。

电机学定子转子自感互感表达式１引言以分块矩阵的形式可以列写出交流电机的电压方程和磁链方程如下：式中下标“s”表示定子侧的量，下标“r”表示转子侧的量。

其中转子的自感矩阵[Lrr]是一个常系数矩阵。

而由于电机转子的旋转造成气隙的变化，因此在其磁链方程中定子线圈自感系数矩阵[Lss]和定、转子线圈互感系数矩阵[Msr]与[Mrs]都是时变的，使方程的求解和分析非常困难。

在分析正常电机的电流、电压特性等问题时，可以将电机的每一相绕组及转子上的励磁绕组、纵轴和横轴阻尼绕组分别作为一个整体来研究，则子矩阵[Lss]、[Msr]、[Mrs]和[Lrr]均是3×3的矩阵。

根据电机绕组间电感的性质，可以利用Park变换将上述时变的电感矩阵转变成常系数矩阵，并且实现了定子矩阵的解耦，因此大大简化了方程的计算和分析，在工程计算和科学分析中得到了广泛的应用。

但是，当需要研究电机绕组内部故障的特性时，就不能再将电机的每一相绕组当作一个整体了。

此时，以单个线圈为基本单位来分析电机具有更大的灵活性，在此基础上，“多回路分析法”[1]、“支路分解组合法”[2]等取得了良好的效果。

假设电机定子绕组共有N个线圈，则以单个线圈为基础的磁链方程中系数矩阵[Lss]是一个N×N的时变系数矩阵，当定子绕组线圈N很大时，将使电机方程的求解十分困难，因此在实用中必须采取一些简化措施。

如果能找到适当的变换矩阵，可以象Park变换那样把以单个线圈为基础的电机电感参数矩阵变换成常系数矩阵，就可以简化方程的计算，大大加快工程运算速度，并且有利于对电机内部故障的瞬态分析。

本文在这方面进行了一些初步研究。

2、电机电感矩阵简介为下面推导说明清楚，以下先介绍电机电感及其矩阵表达式。

主要分析电机定子线圈自感系数矩阵，对于定、转子线圈的互感矩阵和转子线圈的自感矩阵仅作简要描述。

2.1定子线圈互感表达式定子线圈AA＇和BB＇的互感等于气隙磁场引起的自感系数加上漏磁引起的电感系数式中γ是以线圈AA＇轴线为基准的转子位置角；α是线圈AA＇和BB＇之间相隔的电气角度。