电机学-高等学校教材（专科适用）-电子书

高等学校教材(专科适用)

电   机   学

南京电力高等专科学校牛维扬  主编

中  同  电  力  出  阪  社

内  容  提  要

本书共分5篇、26章，主要介绍磁路与变压器、交流电机绕组、 电动势和磁动势、感应电动机、同步电机、直流电机，包括主要结  构、工作原理、运行性能以及使用时的有关知识，并以变压器和同步  电机为重点。根据专科教学特点，本书适当降低理论深度，加强应用  分析，增加较多例题和习题。

本书由电力工业部电力高等专科教学委员会确定为电力类专业  《电机学》推荐使用教材，也适用于函授、职工大学电力类专业使用， 还可供从事电力生产的工程技术人员参考。

图书在版编目 (CIP)   数据

电机学/牛维扬主编.-北京：中国电力出版社，1998 高等学校教材：专科适用

ISBN 7-80125-480-5

I.   电…   Ⅱ.牛 …   Ⅲ.电机学-高等学校-教材

IV.TM3

中 国 版 本 图 书 馆CIP    数 据 核 字 ( 9 7 ) 第 1 9 1 4 6 号

中国电力出版社出版

(北京三里河路6号 邮政编码100044)

北京鑫正大印刷厂印刷

新华书店北京发行所发行 ·各地新华书店经售

1998年5月第一版    1998年5月北京第一次印刷

787毫米×1092毫米16开本22 .75印张510千字

印数0001—4070册    定价22.00元

版 权 专 有    翻 印 必 究

(本书如有印装质量问题，我社发行部负责退换)

前        言

本书原系根据高等工程专科学校电力类专业“电机学教学基本要求”编写的校内讲  义，经试用四届、三次修订后，由电力部电力高等专科教学委员会选定为电力类专业专科  第...轮电机学课程推荐教材，也适用于专科层次的函授、职工大学等学校同类专业使用。 书中“*”内容，为选讲内容。

专科要办出特色，必须在课程内容体系上作出符合专科培养目标要求的改革：要改  “学科”体系为“工程技术”体系；要从注重理论探讨改为加强应用分析。基于上述认识， 在修订本教材时，做了如下尝试：从使用者的角度出发，适当降低电机理论分析的深度； 增强对运行的分析，着重知识的应用；增加使用电机的有关知识，扩大工程知识面；精选  较多的例题和习题，加强自学和训练。教材的重点放在变压器和同步电机两部分上。我们  希望，经过多次试用和修改，逐步形成具有工程专科特色的电机学课程教材。

本书第一篇由胡守璐老师编写及修改，第五篇由李祖明老师改写，其余各篇由牛维扬 老师编写及修改，并负责全书统稿。李祖明老师还修订和补充了部分习题、思考题，侯新 贵老师复查并统了全书使用的符号。

本书承太原工业大学张春镐教授审阅，并提出许多宝贵意见和建议，对本书完善、提 高起了重要作用，在此特致以衷心的感谢。

由于编者水平所限，书中错误和不妥之处，敬请读者批评指正。

编   者

1997年7月

绪      论

一、电机的定义及作用

电机是根据电磁感应定律和电磁力定律实现电能与机械能之间能量形式转换的机械， 其机电能量转换过程如图0- 1(a) 所示，图中箭头方向表示能量传递方向。变压器也是根据   电磁感应定律工作的能量转换器械，只不过它是把 一种数值的电压、电流转换成另 一种数  值的电压、电流，其能量转换过程如图0- 1(b)  所示。从基本原理上讲，它与异步电机有   许多相似之处。

电机学就是研究电机、变压器的基本结构、原理和运行特性的科学。

在现代社会中， 一般将各种自然能源(如水力、风力、热力等)通过电机生成电能， 再通过电机转换成能够利用的能量形态，所以概括地说，电机的主要作用有以下三  点。

(1)进行电能的生产、传输和分配。如发电厂中，由汽轮机(或水轮机、柴油机)带 动电机发电，将机械能转换成电能，这种电机称为发电机。然后，用变压器升高电压，通 过输电线把电能送到各用电地区，再经过降压变压器变成可供利用的低压电能，供用户使 用。

(2)驱动各种生产机械和装备。用户使用电动机将电能转换成机械能，用来拖动各种 生产机械设备和用具。例如驱动机床、电力排灌、电车牵引、抽水鼓风、轧钢造纸以及家 用电器的驱动等等。

(3)作为各种控制系统、自动化装置的执行、检测、放大和计算元件。

总之，作为与电能有关的能量转换机械，电机是工业、农业、交通运输、国防以及日 常生活中最常用的重要设备，其应用场合将越来越广。

二 、电机的主要类型

电机作为 一种机电能量转换元件，是适应工农业生产、科学技术和日常生活的需要而 发展的。由于使用电机的场合要求多种多样，至今已发展了种类越来越多的电机，总体上 可作如下分类。

1. 按电流的种类分

2. 按电机使用的职能分

(1)变压器：把一种数值的电压、电流转变成另一种数值的电压、电流。

(2)发电机：将机械能转换成电能输出。

(3)电动机：将电能转换成机械能输出，拖动生产机械。

(4)控制电机：作为控制系统的元件。

按上述分类，除变压器为静止电气设备外，其余均为旋转电机，可总结如下。 

三 、机电能量转换原理

图0-2为一台模型电机。框架 abcd 处于匀强磁场 B 中。长为1的导体 L 沿金属框架在外力作用下以 v 的速 度匀速运动，垂直切割磁力线而感应电动势e=Blv,    在 电动势e 作用下导体L 中有电流i,   则可输出电功率

P₂=ei=Blv·i

此即发电机。与此同时，导体L 中有电流i,   则导体将受交流电机到电磁力 f 作用，f=Bli,  其方向由左手定则决定。可知 f 方向与导体运动方向相反， 若维持导体以速度 v 匀速运动，不计摩擦损耗时，则所加外力必与电磁力f 大小相等而 方向相反，所以外机械力所输人的机械功率P₁  为

可见，在不计各种损耗的条件下，发电机输人机械功率 P₁ 全部转换成模型电机的输出电 功率 P₂。

上例说明了“电机”如何根据电磁感应和电磁力的原理，将获得的机械功率转换成电 功率输出，从而实现机电能量转换。在这个转换中，磁场B 起着媒介作用，这一点应予 以充分的注意。

但是实际的机电能量转换中是伴随着损耗的，在电机内部转换成热能形式散失。能量 损耗有如下三类，它们将使电机有关部件发热。

(1)电机绕组和引线流过电流时的电阻损耗i²r;

(2)由于轴承摩擦及通风引起的机械损耗 pm;

(3)电机磁场变化在铁心中引起的铁心损耗PFeo

图0-3是考虑了能量损耗时，机电能量转换系统的功率平衡图。

由图0-3可见，电机把机械系统和电系统连接成为一个机电能量转换体系。实际上，这个联系是由电机的气隙磁场来完成的，因此电机的气隙磁场称为耦合磁场。

由图0-3还可知，当考虑了损耗后，电机的输出功率 P₂  总是小于输人功率P₁ 的，比值η=P₂/P₁    称为电机效率，且 》总是小于1。电机作为机电能量的转换元件，显然希望损耗越小越好，则η越接近于1。若电机作为信号传递、检测、放大元件使用，则不必过 多要求提高效率，而着重于性能要求。

四、本课程特点和学习时的注意事项

电机学是一门专业基础课，主要介绍各种电机的工作原理和基本运行规律，是后续专 业课的基础。由于所介绍的各类电机事实上也是现代工业生产和生活中实际使用电机的 “原型”,有关理论知识可以直接应用，所以本课程对掌握专业工作能力是至关重要的。

电机是一个电的、磁的和机械的 综合体，其基本作用原理是基于电磁 感应和电磁力定律之上的，电磁现象 是发生于有限空间内的复杂过程。所 以学习电机学首先需要了解各种电机 的基本结构，其次需要将复杂的结构 简化成反应本质的原理结构，才能方 便分析。例如，图0-4(a)  中将空间的、 离散的变压器磁场，化简为平面上由 主磁通Φ匝链的几个线圈；图0-4(b)中将空间的、交变的同步电机磁场，化简为某瞬间由转子主磁通Φ与定子三相线圈匝链 的平面图形。事实上，对电机行为进行分析时，也还需要做一些工程上的假设，使所分析 的问题简单明了，抓住主要脉络。当然如果假设条件改变了，原有分析结论也要相应地变 动，这才能学活与用活知识。电机学课程实践性较强，所以学习时既要重视基本理论和基 本分析方法，还要重视作业练习、课程实验和实习，通过实践和实习逐步加深理解和掌握 知识，将知识逐步转化为能力。

第一篇  磁 路 与 变 压 器

第 一 章   磁          路

无论是发电机、电动机还是变压器，它们工作原理都是电磁感应。下面从学习电机的 需要出发，对磁路方面的知识进行必要的补充和复习。

第 一节  描述磁场的几个物理量

一 、磁感应强度及磁通

在永磁体及通电导线周围存在着磁场。磁场最基本的特性是对在场域中的载流导体有 力的作用，研究磁场的强弱就是从分析载流导体在磁场中的受力情况着手。当载流导线段

△l与磁力线相垂直时，作用在该导线段上的电磁力为

其中1T=1N/(A·m) 。   也就是说，1m 的导线，通过1A的电流，在磁场中受到的作用力 是 1N 时，磁感应强度就是1T。

磁感应强度是表示磁场强弱的一个物理量。在电机中，气隙处的磁感应强度约为0.4 ~0.8T;     铁心中的磁感应强度约为1～1.8T。

磁感应强度B 描述的只是空间每一点的磁场，如果要描述穿过一个给定面上的磁场， 就要引人另一个物理量，叫磁通量，简称磁通。如果在匀强磁场中有一个与磁场方向垂直  的平面，面积为A,   则磁通Φ为

①=BA                                                              (1-3)

在国际单位制中，B 的单位是T,A     的单位是m²,    更的单位便是 Wb 。式(1-3)还可以 写成下面的形式，即

                  (1-4)

由式(1-4)可知：磁感应强度可以看成是穿过单位面积的磁通，所以磁感应强度又称为磁通密度。

二、磁导率

通电线圈所产生磁场的强弱与线圈周围的介质有关。当线圈以铁磁性物质作介质时， 磁场会大为增强。表示介质这种磁性质的一个物理量叫做磁导率，用符号μ来表示。

根据磁性质的不同，可以将物质分为三类：一类叫顺磁性物质，如空气、铝等，它的 磁导率比真空磁导率略大；第二类叫逆磁性物质，如氢、铜等，它的磁导率略小于真空； 还有一类叫铁磁物质，如铁、钢、钴、镍等，它们的磁导率是真空磁导率的几百倍甚至儿 千倍，并且与磁场强弱有关，不是一个常数。

磁导率μ的单位是H/m,    真空的磁导率μo=4π×10-7H/m。

三 、磁场强度

磁场强度H 的定义是：在任何介质中，磁场中某点的磁感应强度 B 与该点上的磁导

率μ的比值，用符号H  表示，即

如果B 的单位是T,μ     的单位是H/m,    则 H  的单位是A/m。

第二节  磁 路 的 基 本 定 律

如同电流流过导体构成电路一样，人们把磁通通过的路径称为磁路。然而，实际磁场 在空间呈复杂分布，加之不存在磁的导体与绝缘体，因此，磁路的概念不可能象电路那样 简明。不过，电机中总是采用磁导率很大的铁磁材料作铁心[例如μFe=(2000~6000)po], 能使大部分磁通集中在闭合或近似闭合的铁心中通过，这种约束在限定铁心范围内 的磁场路径叫磁路。进行磁路计算时，往往要应用下面几个定律。

一 、安培环路定律

实验证明：沿着任何一条闭合回路1,磁场强度 H  的线积分，等于该闭合回路所包 围电流的代数和，这就是安培环路定律，又称全电流定律。其数学表达式为

在式(1-6)中，若电流方向与积分路径的方向符合右螺旋关系时， 该电流取正号，反之取负号。例如在图1-1中I₁  取负值，I₂、I ₃   取正值。

在图1-1中，还给出了另一条积分路径 I',    设 I'上磁场强度为 H′,   按安培环路定律，不论沿积分路径I 还是I’,   磁场强度线积分 结果相等，所以

二、磁路的基尔霍夫第一定律

在图1-2中，如果在中间铁心柱的线圈中通以电流，则产生磁通，其路径如虚线所示。从图中可以看出

 三、磁路的基尔霍夫第二定律

电机和变压器中磁路，都是分段计算的，即将材料及截面积相同的部分取为一段。在 每一段磁路中磁通Φ相等，由于截面积相同，所以磁感应强度B 处处相等，且又用同  材料做成，磁导率一样，所以磁场强度 H 相等。例如在图1-3所示磁路中，磁路是由铁 磁材料及空气隙两部分构成，而铁磁材料这一部分的截面积又分为A₁  及 A₂ 。 整个磁路 分为三段，每段平均长度分别为 I₁、I ₂  及 2l₃ 。每段中磁场强度是相同的，分别为 H₁ 、 H₂ 及 H₃ 。

 根据安培环路定律可得

H 的方向与电流的方向符合右手螺旋定则时，取正号； 否则取负号。HI  称为该段磁路上的磁压降，ZHI  便是闭  合回路上的总磁压降，而 NI 是作用在整个磁路上的磁动  势。所以式(1-9)表明，作用在磁路上的总磁动势等于 各段磁路的磁压降之和，这就是磁路的基尔霍夫第二定  律的表达式，它是由安培环路定律演变而来的。

四 、磁路的欧姆定律

在匀强磁场情况下，某一段磁路长为1,则该段上的磁压降 Um便为

磁阻与磁路的长度I 成正比，与磁路的截面积A 及磁导率μ成反比。由于铁磁材料 的磁导率μ不是一个常数，故铁磁材料的磁阻是非线性的。而空气的磁导率接近于真空 磁导率，所以气隙的磁阻是线性的。

磁路与电路有许多相似之处，现将这二者的对比列于表1- 1中。

必须指出，磁路与电路虽有许多相通之处，但它们的物理本质不同。例如，电路中的  电流是带电质点的运动，而磁通并不是某种质点的运动；恒定电流在电路中有功率损耗， 而恒定磁通并不消耗功率；电路在开路时，即使电路中有电动势，也没有电流，但磁路是  没有开路状态的，只要有磁动势存在，总有磁通存在；当电路中没有电动势时，电流等于  零，而磁路里磁动势等于零时，可能仍有剩磁磁通存在。并且，由于铁磁物质的磁导率μ 不是常数，它随磁场强度 H 而变化，故磁阻也不是常数，使得我们不能直接利用磁路的  欧姆定律进行计算。

磁路计算的方法有两种， 一种是已知磁动势和磁路的几何尺寸求磁通量；另一种是已 知磁通量和磁路的几何尺寸求磁动势，电机和变压器中磁路计算常属后一种、下面介绍一 种计算方法。

【例1-1】 如图1-5(a) 所示的磁铁具有励磁线圈200匝，材料为D11 硅钢片。磁路各  部分尺寸已在图中标出，其单位为mm。 磁路用0.5mm 厚的硅钢片叠成，其叠装系数 K  =0.91。忽略气隙中的边缘效应(在空气隙中，磁通有向外扩张的效应，使得气隙截面积  大于邻近铁心的截面积，如忽略此效应，则气隙截面积等于所邻近铁心的截面积)。求在  此磁路中建立Φ=3×10-3Wb 的磁通所需的励磁电流。图1-5 (b)    给出了其等效磁路图， 其中，电阻图形符号侧面未加线条为线性磁阻，加线条为非线性磁阻。

解按磁路中心线把磁路划分为铁心长度I₁ 、I₂   与气隙长度l₈   三段，如图1-5 (a) 所示，各段长度为

对于空气隙，由于磁导率μo为常数，所以可以用下面的公式求H₈ 。 如果B₈  的单位是T, H₈ 的单位用A/m,   由于空气的pμo=4π×10-7H/m,则

对于空气隙，由于磁导率μo为常数，所以可以用下面的公式求H₈ 。 如果B₈  的单位是T, H₈ 的单位用A/m,   由于空气的pμo=4π×10-7H/m,则

由于铁磁物质的磁导率μ不是常数，所以只能从 B-H    曲线查出各段的H,    进而算 出 Hl  的值。

从图1-4中的D11 磁化曲线查出 H₁=2.6×10²A/m,H₂=18×10²A/m。

求出总磁动势为

在电机中，由于μo<μre,     即使空气隙很小，气隙磁压降占总磁动势的百分比也很 大。在上例中，所占百分比为3980/4894.7=81.3%。因此，为了减小励磁磁动势，变压 器磁路不留气隙，旋转电机中气隙尽可能小。

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