电机学基础知识.doc

第1章 电机学基础知识1.1 基本要求1. 了解电机的基本分类2. 了解磁场的基本物理量3. 掌握磁路的分析方法4. 掌握电机学的基本定律：全电流定律、电磁感应定律和电磁力定律5. 理解电机的可逆性原理6. 了解电机的主要制造材料，掌握铁磁材料的重要特性1.2 学习指导1．电机的分类 电机是实现能量转换和信号转换的电磁装置，在现代社会中起着重要的作用按照电机的结构特点及电源性质不同，电机分类如图1-1所示图1-1 电机的分类2．电机中的电与磁电机是通过电磁感应原理来实现能量变换的，电和磁是构成电机的两大要素，二者缺一不可电在电机中主要是以路的形式出现，即由电机内的绕组构成电机的电路磁在电机中是以场的形式存在的 表征磁场强弱的物理量是磁感应强度B，磁场中各点的磁感应强度可以用磁感线的疏密程度来表示，应注意磁感线是人为地设想出来、画出来的，并非磁场中真的有这种线存在 穿过某一截面A的磁感应强度B的通量称为磁通量，简称磁通，用表示，定义为 磁场强度H是进行磁场计算时引进的一个辅助物理量，在各向同性介质中，它与磁感应强度B之间有如下关系：在工程分析计算中，常将磁场简化为磁路来简化电机的分析与设计。

电路和磁路的类比见表1-1表1-1 电路与磁路的类比电路磁路电流I磁通电流密度J磁通密度B电动势E磁动势F电阻磁阻电阻欧姆定律磁阻欧姆定律但是，必须指出，电路和磁路只是形式上相似，二者在本质上是有区别的，主要体现在以下方面：1） 在电路中有真正的带电粒子作定向运动，而在磁路中却没有任何粒子沿着闭合回路流动2） 对电来讲，存在电的导体和绝缘体，电流集中在导体中通过，但是并不存在磁的导体和绝缘体因此，磁路概念并不像电路概念那样简明3．电机学的基本定律安培环路定律、电磁感应定律和电磁力定律是分析电机的基本定律，可逆性原理是电机中的普遍规律，简要回顾如下：（1） 安培环路定律 （全电流定律）在磁场中，磁场强度矢量沿任一闭合路径的线积分，等于该闭合路径所包围的电流的代数和，即式中，∑i为全电流（传导电流和位移电流）的代数和当电流的方向与闭合线上磁场强度的方向满足右手螺旋规律时，电流取正值，否则取负值2） 电磁感应定律设有一匝数为N的线圈位于磁场中，当与线圈交链的磁链发生变化时，线圈中将有感应电动势产生感应电动势的数值与线圈所匝链的磁链的变化率成正比如果感应电动势的正方向与磁通的正方向符合右手螺旋关系，则感应电动势为式中，负号含义是线圈中的感应电动势倾向于阻止线圈内磁链的变化。

3） 电磁力定律位于磁场中的载流导体受到磁场力的作用，该力称为电磁力如果磁场与载流导体相互垂直，则作用在导体上的电磁力为（4） 电机的可逆性原理电机可逆性原理说明，发电机和电动机只是一种电机的两种不同运行方式而已实际上，某些电机常称为发电机（或电动机），这说明该类电机作为发电机 （或电动机） 运行时性能较好，而不是说只能用作发电机（或电动机）4．电机的制造材料各种电机虽然结构不同，但都是由导电回路（包括定子回路和转子回路）和导磁回路组成的，电磁系统用绝缘材料分隔开，并利用各种结构零件组合在一起因此，电机的制造材料主要为导电材料、导磁材料、绝缘材料以及结构材料四大类此外还有散热、冷却、润滑等材料铁磁材料（铁族元素及其合金）是良好的导磁材料，工程上用铁磁材料来构成电机和变压器的主磁路铁磁材料具有高导磁性、磁饱和特性和磁滞特性铁磁材料在交变磁场作用下反复磁化时，内部磁畴不停翻转和摩擦会产生磁滞损耗；由于铁心既是导磁体又是导电体，交变磁场在铁心中感应的电动势将在铁心中引起涡流，从而在铁心中产生涡流损耗磁滞损耗和涡流损耗统称为铁耗电机和变压器采用各种电工钢片（俗称硅钢片）叠成铁心，就是为了减小铁耗。

绝缘材料在电机中的作用是把导电部分（如铜线）与不导电部分（如铁心）隔开，或把不同电位的导体隔开（如相间绝缘、匝间绝缘）在热的作用下，绝缘材料会逐渐老化，即逐渐丧失其机械强度和绝缘性能为了保证电机能在一定的年限内可靠运行，对绝缘材料都规定了容许工作温度绝缘材料可分为Y、A、E、B、F、H、C七级，其中Y级绝缘已基本淘汰，各级绝缘的允许工作温度和主要材料见表1-2表1-2 绝缘材料的等级绝缘等级YAEBFHC允许工作温度/℃90105120130155180>180第2章 直流电机2.1 基本要求1. 了解直流电机的基本结构和励磁方式，掌握其额定值2. 掌握直流电机的工作原理3. 理解直流电机的电枢反应，了解电枢反应对换向的影响和改善换向的措施4. 掌握直流电机的电动势和电磁转矩5. 掌握他励和并励直流电动机的基本方程式和工作特性，理解电动机的功率流程图6. 理解串励和复励直流电动机的工作特性7. 掌握他励直流发电机的基本方程式和工作特性，理解发电机的功率流程图8. 理解并励直流发电机的自励过程与外特性2.2 学习指导1．直流电机的工作原理、基本组成和额定值直流电机按其能量转换方向的不同分为直流发电机和直流电动机，两者之间具有可逆性。

对于直流电动机，当给电枢绕组通入直流电流时，通过电刷和换向器转换为交变电流，使处于主极磁场中绕组的线圈始终受到相同方向电磁转矩的作用，保证了电动机连续转动，从而实现电能到机械能的转换对于直流发电机，当原动机拖动电枢转动时，电枢绕组的线圈切割主极磁场而产生交变感应电动势，再通过电刷和换向器转换为直流电动势，由电枢绕组输出直流电流，从而实现机械能到电能的转换直流电机主要由定子和转子两大部分组成其基本组成如图2-1所示定子转子（电枢）主磁极换向极主极铁心励磁绕组电刷机座端盖电枢铁心电枢绕组换向器直流电机图2-1 直流电机的基本组成转子称为电枢，它是能量转换的枢纽电枢绕组构成了直流电机的主要电路，它是由很多元件按一定规律连接起来的闭合绕组按元件的连接方式和端接形状分类，电枢绕组主要有叠绕组和波绕组两大类换向器是直流电机所特有的部件，与电刷配合，实现电枢绕组端部的直流电流与电枢绕组内部的交变电流之间的转换，即在直流电动机中起到了“逆变器”的作用，在直流发电机中起到了“整流器”的作用直流电机的额定值主要有额定电压、额定电流、额定功率和额定转速等值得注意的是，各种电机的额定功率均是指输出功率的额定值。

对于电动机，额定功率即为轴上输出的额定机械功率；对于发电机，额定功率即为输出的额定电功率直流发电机按励磁方式可分为自励和他励两大类，其中，自励又可分为并励、串励和复励3种直流电动机按励磁方式分为他励、并励、串励和复励4种2．直流电机的磁场和电枢反应磁场是电机实现机电能量转换的耦合场磁场能量主要储存在直流电机定、转子之间的气隙中因此，气隙磁场的分布直接关系到感应电动势的产生和机电能量的转换直流电机空载时，气隙磁场是由主极励磁磁动势单独产生，在几何中性线处径向磁通密度为零直流电机负载时，气隙磁场是由主极励磁磁动势和电枢磁动势共同产生，几何中性线处径向磁通密度不为零，电枢表面径向磁通密度为零的连线物理中性线偏离了几何中性线一定的角度，即气隙磁场相对空载时发生了畸变，并使每极下的磁通量有所削弱这就是直流电机的电枢反应当电机负载发生变化时，电枢磁动势就会发生相应变化，电枢反应的轻重就会有所不同直流电机的电枢反应会对电机的换向造成不利影响所谓换向是指电枢元件从一条支路转换到另一条支路时，元件中电流改变方向的过程当电枢反应使气隙磁场发生畸变后，会在换向元件中产生感应电动势，该电动势阻碍电流变化（另外，还有元件本身具有的电感也阻碍电流变化），由此导致换向延迟，引起换向火花，严重时将烧坏电刷和换向器。

可以通过加装换向极和移动电刷来改善换向3．直流电机的感应电动势和电磁转矩直流电机的电枢旋转时，电枢绕组中将产生感应电动势E，其值为，即为机电能量相互转换的电磁功率在直流电动机中，E为反电动势；在直流发电机中，E为电源电动势电枢电流与气隙磁场相互作用产生电磁转矩，其值为也是标志着机电能量相互转换的电磁功率，因此有关系在直流电动机中，为拖动性质的转矩，在直流发电机中，为制动性质的转矩4．直流电动机的基本方程式和工作特性在规定正方向的前提下，他励直流电动机的基本方程式为电压平衡方程： 转矩平衡方程： 功率平衡方程： 直流电动机的基本方程式综合反映了电机内部的电磁关系和机电过程运用这些基本方程式，可以分析其工作特性和机械特性（机械特性见第8章）值得注意的是，对于不同的励磁方式，电压平衡方程式是不同的，而转矩平衡方程式和功率平衡方程式基本不变（只有内涵不同）直流电动机的工作特性包括：转速特性： 转矩特性： 效率特性： 不同励磁方式的电动机其工作特性有很大的差异，测试工作特性的条件也不尽相同他 励和并励直流电动机具有略微下倾的转速特性，电磁转矩与电枢电流呈线性关系串励直流 电动机的转速随电枢电流的增加下降很快，电磁转矩近似与电枢电流的平方成正比，具有起 动转矩大、过载能力强、不能轻载和空载的特点。

复励直流电动机的转速特性介于并励与串 励之间5．直流发电机的基本方程式和工作特性在规定正方向的前提下，他励直流发电机的基本方程式为电压平衡方程： 转矩平衡方程： 功率平衡方程： 直流发电机的基本方程式综合反映了电机内部的电磁关系和机电过程，根据基本方程 式，可以分析其工作特性直流发电机的工作特性有空载特性、外特性和调整特性注意区分各种工作特性的测试条件他励直流发电机的空载特性曲线就是电机的磁化特性曲线，其外特性是一条稍微下倾的 直线，电压调整率约为（5—10）％并励直流发电机是一种自励发电机，其自励发电必须满足以下3个条件：①有剩磁；②励磁电流所产生的磁场与剩余磁场方向相同；③励磁回路的电阻小于临界电阻由于是自励发电，并励直流发电机的电压调整率大于他励直流发电机，约为20％；且具有拐弯的外特性，其短路电流值较小第3章 变压器3.1 基本要求1．了解变压器的基本结构和主要种类，掌握变压器额定值的定义及其相互关系2．掌握变压器的工作原理，理解变压器的电磁关系，特别是磁动势平衡方程的意义3．掌握变压器绕组的折算方法和等效电路，熟练使用等效电路和基本方程式分析变压器的相关问题，掌握相量图的画法。

4．了解标幺值的定义，基本掌握使用标幺值分析问题的方法5．掌握变压器参数的测定方法6．掌握变压器的运行特性，理解变压器的参数对运行特性的影响，掌握电压调整率和效率的计算方法7．了解三相变压器联结组的表示方法及其判断方法8．掌握变压器理想并联运行的条件，理解联结组、电压比和短路阻抗的标幺值对变压器并联运行的影响9．了解自耦变压器的工作原理和特点10．了解三绕组变压器的工作原理和用途11．了解电压互感器和电流互感器的工作原理和使用注意事项3.2 学习指导变压器是一种静止的电磁装置（或称为静止的电机），它利用电磁感应作用将一种等级的交流电压和电流转换成同频率的另一种等级的交流电压和电流，即利用电磁感应实现了能量或信号的传递因为交流电机的工作原理也是建立在电磁感应基础上的，故变压器的分析方法、基本结论均可以推广应用到交流电机（特别是异步电机）中因此，熟。