电机学图(4)

由转矩公式可知： (1)产生转矩的条件：必须有励磁磁通和电枢电流。 (2)改变电机旋转的方向：改变电枢电流的方向或者
改变磁通的方向。
二、 转矩平衡关系
电磁转矩T为驱动转矩，在电机运行时，必须和外 加负载和空载损耗的阻转矩相平衡，即
T TL T0
TL： 负载转矩 T0 ：空载转矩
转矩平衡过程：当负载转矩（TL）发生变化时， 通过电机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁
其中 n0
U
K
Φ
E
，n
KT
Ra
K
Φ
E
2
T
n
nn0n0'0''
（
Rf
增减 加小
）
TL
T
因为：
n0
1
Φ
，
n
1
Φ2
所以：磁通减小以后特性上移，而且斜率增加。
n n0 n
其中 n0
U
K
Φ
E
，n
KT
Ra
K
Φ
E
2
T
调速过程: U一定,则
Rf
E
Ia
Ia
E
n
最后达到新的平衡 T =TL
T
暂时 T > TL
(2)若忽略绕组中的电阻Ra，则
U
E
K
Φn，
E
可见，当外加电压一定时，电机转速和磁通成反
比，通过改变 可调速。
7.2.4 电磁转矩
一、电磁转矩 T KTΦI a
KT：与线圈的结构有关的常数 （与线圈大小，磁极的对数等有关）
：线圈所处位置的磁通
Ia：电枢绕组中的电流
单位： （韦伯），Ia（安培），T（牛顿•米）

节距：一个线圈的两个有效边在铁心圆周表面上所跨 的距离称为节距，用符号y1表示，一般以槽数计。
《电机学》第4章 交流绕组的基本理论——绕组构成
14
极距：一个磁极在铁心圆周
表面上所占的范围称为极距 ，用符号τ表示，通常以用槽 数或长度计。
Z
2 p
πD
(槽) (米)
2 p
＝ y1
(整距) ( 短距) ( 长距)
步骤： ①画槽电动势星形图； ②分相； ③构成线圈； ④构成线圈组； ⑤画绕组展开图。
《电机学》第4章 交流绕组的基本理论——绕组构成
21
《电机学》第4章 交流绕组的基本理论——绕组构成
22
双层叠绕组展开图(y1=7, a=2)。
A
X 《电机学》第4章 交流绕组的基本理论——绕组构成
23
双层叠绕组A相展开图(y1=7, a=2)。
《电机学》第4章 交流绕组的基本理论——绕组构成
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《电机学》第4章 交流绕组的基本理论——绕组构成
13
线圈：在电机制造过程中，构成交流绕组的基本单 元一般不是导体而是线圈。线圈是串联好的两根导 体或多根导体，相应地称为单匝线圈或多匝线圈 。
y1
(a)单匝线圈 (b) 多匝线圈 (c) 多匝线圈简易画法
1. 交流电机的简单工作原理
导体感应电动势
① 大小 ② 波形 ③ 频率 ④ 三相对称性
导体 交流绕组
同步发电机原理结构示意图
《电机学》第4章 交流绕组的基本理论——绕组构成
3
2. 导体感应电动势
① 大小 ② 波形 ③ 频率 ④ 三相对称性
ec
ec B(θ)lv Bmlv sin θ Bmlv sin ωt Bmlv sin 2πft

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65
双层绕组 单层绕组
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双层绕组 分极分相
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双层绕组 线圈组
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双层绕组 连相绕组
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异步电机功率平衡关系
p cu 1
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变压器参数测定:空载实验
a
A
WA
~V
V
x
X
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变压器参数测定:短路实验
A
a
WA
~V
X
x
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变压器的运行特性
U2
U20
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cos2(超前 )
cos2 1
cos2(滞后 )
I2
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三绕组变压器等效电路
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三绕组变压器简图
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三绕组变压器绕组排列
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自耦变压器电流分布
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27
三绕组变压器向量图
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98
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33
相量图

• 难点：电磁关系，磁动势，旋转磁场。
• 使用教材：胡虔生、胡敏强、杜炎生合编《电 机学》，中国电力出版社
• 参考书：汪国梁主编《电机学》
05.12.2020
.
12
《电机学》（二）课程简介
• 课程名称： 中文名称：电机学（二） • 英文名称：Electrical Machinery （Part 2） • 教学对象：电气工程类专业、本科 • 课程定位：《电机学》是本专业的一门主要技
• 使用教材：胡虔生、胡敏强、杜炎生合编《电 机学》，中国电力出版社
•
Stephen J.Chapman, Electric Machinery
Fundamentals, McGRAW-HILL International
Editions
• 参考书：汪国梁主编《电机学》 返回
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15
变压器图片、图形、动画
变压器的空载运行 变压器运行特性 三绕组变压器 三绕组变压器向量图 变压器外特性 TR三次谐波磁通路径 YYN变压器组中性点浮动 三相变压器组铁芯磁通波形 相量图
变压器参数测定 变压器暂态运行 自耦变压器 互感器 对称分量合成 变压器并联运行 T形电路 三相变压器
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术基础课，定位为：
* 电气工程的基础 * 电力系统的核心
• 课程特点：课程特点是概念多、理论性强，与 工程联系密切。
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《电机学》（二）课程简介
主要内容：本课程主要讲述：同步电机的结构， 工作原理、运行等到方面的内容。具体为：
❖同步电机的基本理论与运行特性 ❖同步发电机在大电网上运行 ❖同步发电机不对称运行 ❖同步发电机的突然短路。

该式表明：沿任何闭合磁路的总磁动势恒等于各段磁路磁压 降的代数和，这就是磁路的基尔霍夫第二定律。
绪论
4.磁路的欧姆定律
Φ F iN Rm Rm
式中
Rm
l μS
二、常用的铁磁材料及其特性
1.高导磁性
μ0 4 107 H/m （2000 ~ 6000）0
2.磁化特性
B Φ μ iN μ F μH
3.磁滞特性
将铁磁材料进行周期性磁化，B和H之间的变化关系就会变 成如图中曲线中abcdefa所示-----磁滞回线
同一铁磁材料在不同的磁场强度值下有不同的磁滞回线，如 图所示。将各磁滞回线的顶点连接起来，所得的曲线称为基本 磁化曲线。
4. 磁滞损耗和涡流损耗
在交流磁路中，磁场强度的大小和方向不断变化，铁磁材 料磁化方向反复变化，使磁畴方向也不断来回排列。磁畴彼此 之间摩擦引起的损耗，称为磁滞损耗。
交变的磁通也能在铁心中感应电动势，并引起环流。这些环 流在铁心内部围绕磁通作涡流状流动，称为涡流，涡流在铁心 中引起的损耗，称为涡流损耗。
磁滞损耗和涡流损耗，总称为铁心损耗
pFe CFe Bm2 f 1.3G
为了减少铁心损耗,电机的铁心均采用0.35~0.5毫米厚、两 面涂有绝缘漆的硅钢片迭成,
ห้องสมุดไป่ตู้
Sl
l
分析:利用磁畴分析
因为在它内部存在着许多很 小的天然磁化区，称为磁畴 .
铁磁物质未放入磁场之前，磁畴杂乱无章地排列着，磁效 应互相抵消，对外部不呈磁性
将铁磁物质放入磁场，在外磁场作用下，磁畴的极性将趋 于同一方向，由此形成一个附加磁场，叠加在外磁场上，磁畴 所产生的附加磁场将比非铁磁物质在同一磁场强度下所激励的 磁场强得多，使铁磁材料内磁场大为增强。当磁畴全部沿外磁 场方向排列后，即使外磁场再增加，铁磁材料内磁场几乎不再 增加，即进入磁饱和状态。

磁路计算逆问题——因为磁路为非线性的，用试探法。
第四节 交流磁路的特点
交流磁路除了会在铁心中产生损耗外，还有以下两 个效应： 1）磁通量随时间变化，在励磁线圈中产生感应电 动势。 2）磁饱和现象会导致电流、磁通和电动势波形畸 变。
本章作业：1.1~1.7
第二章 直流电机
本章主要讨论直流电机的基本结构和工作 原理，讨论直流电机的磁场分布、感应电动 势、电磁转矩、电枢反应及影响，从应用角 度分析直流发电机的运行特性和直流电动机 的工作特性。
电磁转矩
电磁功率
电磁转矩和电磁功率在机电能量转换中起重要 用，而它们都是通过气隙磁场的作用而产生
总结
第一节 磁路的基本定律
• 电机是进行机电能量转换的装置 • 机电能量转换的媒介是磁场，磁场的路径称
为磁路。在工程中，通常将磁场问题简化为 磁路问题。
一. 磁场的几个常用量
磁感应强度（又称磁通密度）B —— 表征磁场强弱 及方向的物理量。单位：Wb/m2
磁滞回线——当H在Hm和－ Hm 之间反复变化时，呈现磁滞现
象的B－H闭合曲线，称为磁滞
回线。
3、基本磁化曲线
对同一铁磁材料，选择不同的Hm反复磁化，得到不同 的磁滞回线。将各条回线的顶点连接起来，所得曲线称为 基本磁化曲线。
三、铁磁材料
1、软磁材料
2、硬磁材料
四、铁心损耗
1、磁滞损耗——材料被交流磁场反复磁化，磁畴相互摩 擦而消耗的能量。
2.1 直流电机的基本工作原理和结构
2.1.1直流电机的主要结构
第二类问题求解：给定磁动势大小，求磁通和磁密
假定一个磁通值，计算出相应得磁动势，迭代完成 假定一个磁通φ’
计算出磁动势F’
| FF' |

2s 2s 2s 2s 2s 2s 2s 2s
U1 E1 I1 ( R1 jX1 )
1）转子绕组频率折合的思路
转子旋转与否影响了转子绕组的频率，但是对 转子磁动势相对定子的转速（即同步速 n1 ）不会 产生影响。现在寻求一个所谓的“等效”静止转子， 它产生的磁动势肯定和转子旋转时候的磁动势相比 是不变的，只是转子绕组的频率就由 f 2 改变为 f1 而已。这就是转子绕组频率折合的思路。
二、磁动势分析
由于转子短路，I 2 F2 ；由于转子堵转， 频率也为 f1 ；旋转速度为 n 60 f1 n 2 1 p 结论：F1 与 F2 在定子内圆空间同转速、同转向，即 相对静止。 根据全电流定律知道，产生气隙磁密 B 的磁动势 F0 是作用在磁路上的所有磁动势的总和。即认为合成磁 动势产生气隙磁密：
B1 B2 X1 Z2
Z1 A1
n T A 1 TL X2 A2 C2 Y2 0 0 n1 C1
2 1
Y1
A2
气隙磁密 旋转方向
A1
U1
I1
E1
X1
B1
C1
A2
U2
I2
0
E2
C2 B2
第一节 转子绕组开路时的电磁关系
一、异步电动机的主磁通和定子漏磁通 主磁通 m 和变压器一样起到传递能量的媒介作用； 定子漏磁通 s1 不起传递能量的媒介作用，只起电抗压降的 作用； 包括：槽部漏磁通、端部漏磁通和谐波磁通
结论： 无论转子旋转与否，转子磁动势 F2 相对于定子 磁动势 F1总是静止的，也就是说转子磁动势 F2 转速 总是为 n1 。 下面我们首先具体分析转子旋转时磁动势 F2 。
二、转子回路的电流和磁动势分析

部件。
机座：铸铁或铸钢浇铸成型，它旳作用是保护和固定三相电 动机旳定子绕组。中、小型三相电动机旳机座还有两个端盖支承 着转子，它是三相电动机机械构造旳主要构成部分。一般，机座 旳外表要求散热性能好，所以一般都铸有散热片。
端盖：用铸铁或铸钢浇铸成型，它
图3.6 三相交 流电流波形 图
设
iU sint
iV sin(t 120)
iW sin(t 120)
为了分析以便，假设电流为
正值时，在绕组中从始端流向 末端，电流为负值时，在绕组 中从末端流向首端。
当 t 0 旳瞬间，iU =0，iV
为负值，iW 为正值，根据”右 手螺旋定则”，三相电流所产 生旳磁场叠加旳成果，便形成 一种合成磁场，如图3.7（a）所 示，可见此时旳合成磁场是一 对磁极（即二极），右边是N极， 左边是S极。
2号铁心
长机座（M——中机座） （S——短机座）
中、小型三相异步电动机旳机座号与定子铁心外径及中心 高度旳关系见表3.1和表3.2。
表3.1 小型异步三相电动机
机座号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
定子铁心外 径（mm） 中心高度
（mm）
机座号
120 145 167 210 245 280 327
90 100 112 132 160 180 225
（a）定子铁心 （b）定子冲片 图3.2 定子铁心及冲片示意图
（3）定子绕组
定子绕组是三相电动机旳电路
部分，三相电动机有三相绕组，通
入三相对称电流时，就会产生旋转
磁场。三相绕组由三个彼此独立旳
绕组构成，且每个绕组又由若干线
圈连接而成。每个绕组即为一相，

电磁转矩
Tem 2 paN IaCTIa
一台制造好的电机， 它的电磁转矩正比于每极磁通 φ （韦伯)和电枢电流(A)， 与磁密分布无关。
和Ia大小和方向可以改变
电势常数Ce和转矩常数CT决定于结构常数。 它们的关系为：
C T 60 C e 2
Ea Cen TemCTIa
为制动转矩，吸收机械功率。
电枢电动势Ea与电流Ia方向相反 ， 吸收电功率。
电磁转矩Tem与转速n方向一致，为驱 动转矩，输出机械功率。
直流电机的空载磁场
当励磁绕组的串联匝数
为 N f ，流过电流为 I f ，
每极的励磁磁动势为：
Ff If Nf
直流电机的空载磁场
为了感应电动势或产生电
磁转矩，直流电机气隙中需要
+
-
cd
ab
a→b→c→d
+
-
（2）直流发电机运行时的几点结论
1. 电枢线圈内电势、电流是交流电；
2. 电刷间为直流电势。
3. 发电机运行时:线圈中感应电势与电流方向一致；
4. 电动机运行时:线圈中感应电势与电流方向相反；
5. 3,由于换向片和电刷配合作用，才把线圈中的交流 电势“换向”成引出端的直流电势；
三、电磁功率
电枢电功率
PemEa Ia Ce nIa 260CT nIa Tem 机械功率
直流电动机：从电源吸收的电功率， 通过电磁感应 作用， 转换成轴上的机械功率； 直流发电机：原动机克服电磁转矩的制动作用所做的 机械功率等于通过电磁感应作用在电枢回路所得到的 电功率。
有关电枢绕组名词、术语
极轴线：磁极中心线--d 轴
几何中心线：磁极之间的平分线--q轴

PN 3UN IN cos •
【补】已知一台三相异步电动机，4kW ，380V, 功率因数0.77, 效率0.84。求该电动机的额定电流。（9.4A）
总结：与变压器一样，异步电动机的额定电压和额定电流指的 是线电压和线电流。
第三节 三相异步电动机的定子绕组 一、交流绕组的一些基本知识和基本量
4、画展开图
画出槽内线圈边（上层 边用实线，下层边用虚 线表示），并且编号
以上是并联路数等于1,还可以 连成并联路数等于2和4.
[例]3相,4极,36槽,y1=8,画波绕组展开图. 1.求q 2.分相带 3.连接 下图是a=1,还可以连成a=2
总结：功率稍大的交流电机一般采用双层绕组，其中双层叠绕 组最为常见。双层短距绕组所产生的旋转磁场的波形和感应电 动势的波形比单层绕组的更接近正弦波。
F1 0.9N y I
f y (x,t) Fym(x) cost

0.9
NyIFra bibliotekcos

x 1 cos3 3
x 1 cos5 5
x

c
ost
把以2τ为周期的 矩形磁动势波用 傅氏级数分解
(一)整距线圈的磁势是脉振矩形波,波幅是
2 2 NyI
把这个矩形波加以分解,得基波,三次谐波,五次谐波,七次谐波等. 其中基波波幅是矩形波波幅的4/π倍.即
CY
15,16,17,18 19,20,21,22
4、组成线圈组 三相单层同心 式绕组展开图
相绕组 的构成
同心式 绕组
总结：同心式 绕组、链式绕 组和交叉式绕 组是三种常见 的单层绕组。
作业：4-6，4-7
四、三相双层绕组
双层绕组的每个槽内都有上下两个线圈边，每个线圈的一个边 放在某一个槽的上层，另一边放在相隔节距y1的另一个槽的下层。 整个绕组的线圈数等于槽数。另外，双层绕组的节距比较灵活。