东南大学：《电机学》参考书籍PDF电子版（第三版，共四篇十六章，主编：周鹗）.pdf_大学文库

第一章绪论第一节电机在国民经济建设中所起的作用电能是能量的一种形式。电的现象很早就已发现，但是电能在工业及人类生活中的广泛应用，还是从9世纪初，奥斯特、法拉第先后发现了电磁感应现象、提出了著名的电磁感应定体开始的。人们为了生产和利用电能，积极致力于电机和电力工业的研究开发，由不知到知，由初级到高级，在19世纪末期，已初具规模。与各种形式的能量相比，电能具有明显的优越性，它适宜于大量生产、集中管理、远距离传输和自动控制。各种电机的类型和性能很不相同，但是它们都是一种能置转换装置。例如把煤炭、天然气、水力、风力等自然界中的储能释放出来，转换成机械能，再用电机就可以把机械能转换为电能：反之，在有电源供电情况下，电机也能将电能转换为机献能。一百多年来，电机和电力工业的发展历史说明，电机工业在国民经济建设中具有重大意义，它在龟力工业、各类工矿企业、农业、同防、交通运输、日常生活各个方面都占有重要地位。电力工业的发展是以电机制造工业的发展为基础的。例如在热力发电厂中，锅炉使燃料中的能量释放出来，对水加热，产生高压高通燕气：燕气进入汽轮机、使热能变为机城能，带动发电机转于旋转，而发电机则把机械能转换为电能。显然，设有发电机，就没有电能的大规模生产，它是电力系统中最关键的电气设备。此外，发电厂一般多位于燃料或水力资源开发区峻、地处偏僻，这样，就需要把大景电能远距高地输送出去，这时需要用变压器将电压升高，以利经济运行，为了安全用电、在用电区域又要用变压器将电压降低。电力系统及电网需要变压器的总容量、达发电设备总容量的7一8倍。在工矿企业和农业生产中需要大量的电动机。机械工业中各种工作母机都须由一台或多台不同容意的电动机来施动和控制，磨床用电动机的转速可达每分钟敷万转，甚至更高，有些机床需用多速可控电动机：治金工业中高炉、转炉和平炉都需用多台电动机来驱动，大型轧钢机要用5000kW或更大功率的直流电机：化学工业要用几百干瓦的异步机或同步机拖动压缩机。对特定用途电机的性能与对一般用途电机的要求不同。例如：石油、煤矿中的电机要防爆、防骗蚀；轻纺工业中用的电机要防尘、防潮：化工中的电机要防碱、酸及各类气体的腐蚀等。显然，各种不同的工作机被要求有不同容量、不同电压、不同起动性能和不同调速性能的电机。各类企业中的车间供电、运输传送、吊车起动、抽水鼓风、粉碎搅摔，交通运输中的城市电车、铁道列车牵引：农业中的电力排灌、衣产品加工等无一不斋要电机来驱动。随普工业企业电气化、自动化、电脑化的发展，还需要众多的各种容量的精密控制电机，作为整个自动控制系统工作中的重要元件。 1

第二节电机发展简史及发展趋势一、电机的发展简史电机的发展可以分为二个时期，第一个时期是从发现电磁惑应现象开始，直到19世纪末和本世纪初，当各种电机和变压蕃的基本型式已经具备时为止。第二个时期是从本世纪初直到现在。前者可称为电机初期发展时期、后者可称为近代发展时期。前期又可分为四个阶段，即：①电磁感应定律的发现：②直流电机的发展：③单相交流电的应用，④三相交流电的应用」 (一）电磁感应定律的发现 18世纪中叶开始了第一次世界工业革命，这之前由于地理上的大发现，世界市场日益增大、以手工业为基础的工场工业已远远不能满足市场的需要，为了利润及扩大生产，必须进行技术革命。这次查草是在当时生产最发达的英国首先发生的，从棉纺织业开始，影响各个行业，波及各国。主要是以机器大生产代簪工场手工业，把社会推进到机器时代、而它的主要标志是蒸气机的广泛使用随者生产力的发展，由于蒸气动力在静送和管理上的不便，它已不能满足进一步发展的需要、迫使人们寻找新的能源和动力。在这一时代背景下，电磁学得到了兴起和爱展。人们已长期积累了有关电磁现象的丰富知识，在此基础上，1921年，法拉第表演了电流位于磁场中产生机嫩力的实验，发现了电动机作用原理，不久就制成了原始型式的电动机。之后，931年法拉第提出了电磁忠应定律，出现了各种各样原始型式的发电机。人们掌握了电能和机械能可以互相转换的规律，使得在生产中大规模地使用电能有了可能。 (二)直流电机的发展电能在工业上最早的应用是供给聚明和电化学工业的稀要，所以，最初发展的电机是直流发电机。在19世纪40年代到70年代期间，直流发电机发展很快。在励磁方面，1845年狱用电磁铁代替永久磁铁，而在1867年就制成了自励发电机。在电枢结构方面，1870年就制成了环形电枢，到1？3年发展为妓形电招，至此、直流电机的结构已具备了现代直流电机的燕本型式。直流电动机最初由电池供电、后来改为直流发电机供电，由于电源问题，它的发展受到限制。在1882年建成了第一条直流物电线路，虽然系统的容量、电压等级和输送距离都很有限，但是它指明了广泛应用电能的宏伟远景。 (三)单湘文流电的应用为了把较大的电功韦输送至较远的距离，在19世纪70年代人们就尝试用交流电传输电能，1876年，交流电已被应用于照明装置。不久有原始型式的同步发电机及变压器相继出现，部为单相交流系统的发展奠定了基础。当时，变压器的磁路是开启式的，直到184年闲合酰路的变压器制成，并得到推广使用，使单相交流电的应用得到了迅速发展。 (四)三相交流电的应用在单相交流电源供电情况下，单相交流电动机无法自行起动、必须用其它方法起动

然后才能自行产生转矩，继续运转。不久，两相电流能产生旋转酷场的原理被发现、185 年制成了二相交流异步电机的模型，后来也得到了一定的应用。但是直到1889~1897年，经一系列的研究与实验，才终于制成了三相电动机和三相变压器，建成了第一个三相交流输电系统。它的优越性立即被公认，很快取代了两相制，由此莫定了交流三相制在工业上被广泛应用的基础。接着，交流三相制发电厂迅速发展起来，高速运转的汽轮发电机也就代替了以蒸气机为原动机的发电机。9世纪后半叶，由电磁学的发展所引起的一连串重大的科学技术成就，把社会生产力推进到电力时代，在社会进步史上称之为第二次技术革命。交流输电系统的建成，是电力工业、电机工业发展的一个重要阶段。进入0世纪以后，在电气化基础上，大型工业企业不断集中，并且发展迅速，要求传输的功率不断加大，距离延伸，电气设备在不断经历着巨大的变革二、电机的发展趋势电机的近代发展及今后发展的主要趋势有以下几个方面。 (一)单机客量不断提高随着科学拉术水平不断提高，电力工业不断发展，发电机和变压器的单机容量不断增大，这是电机制造工业中的重要趋势。一台发电机的重量、所需材料、损耗和造价等与电机本身的容量并不是成正比例的。机组容量大时，单位容量的用料省、损耗小，益价低。同时，单机容盘大，电站机组数就少，工作人员也少，厂房面积也可缩小，又可节约基建投资及维护费用。二十世纪以来，发电机单机存量不断提高的情况可以用汽轮发电机为例加以说明。在 1900年，不超过5MVA:到1920年，转速为3000r/min的电机容量达25MVA,转速为1000r/ min的达6MVA。1937年应用空气冷却的电机达100MW。氢气冷却在1928年初次用于同步补偿机，在1937年推广到汽轮发电机，应用氢冷后，转速为3000r/min的电机容量上升到150MW。之后，冷却技术继续发展，采用了导体内部用气体或液体冷却的措施，单机容量可以大为提高，1956年制成了定子导体水内冷、转子导体氢内冷的208MW 汽轮发电机，1960年容量上升到320MW。目前，世界上汽轮发电机的单机容量已突破 1000MW。定子和转子都采用水内冷的技术首先在我同取得了重大成果，以后、不少其它国家也研制过。水轮发电机和电力变压器的发展也有类似情况。单机容量的提高与冷却技术的发展，绝缘、硅解片、转子钢材等有效材料和结构材料性能的改进，设计和工艺水平的提高等都有密切关系。今天，超导技术在发展，这对单机容量限制的突破会起重要作用。 (二)中小型电机技宋和经济指标不断玫进当前，已广泛应用计算机对电机进行设计和分析。计算机辅助设计可以大大缩短计算时间，在优化设计基础上可以得到最佳设片方案。计算机计算时，可以建立足够精确的电机数学模型、使计算结果与电机实际性能很接近，这可以减少样机试制工作量。加速新产品开发。除设计技术进一步完善外，新工艺和新的测试方法不断出现，生产过程自动化受

到很大重视，新型磁性、绝橡等材料的研制，都可以促进电机性能指标和产品经济效益的提高。我国在中小型电机生产方面，解教以来已从过去的仿制转入自行设计和进一步发展阶段，建立了研究机构，形成了比较完整的工业体系，完成了各类中小型电机的系列设计 (三)应用范围不断护大为适应各种不同工作要求，电机的系列和品种也戴来愈多。除一觳用邃电机外，还有特定用途电机，如潜水电机、防爆电机、船舶电机、纺织用电机、矿用电机、林业用电机等。它们常在某些特定的环境条件下运行，例如易燃易燥、有腐蚀性气体和粉尘、辐射、虫蛀等，或者电源为非标准的.电机负载呈周期性变化等。还有特殊用途电机，如高速电机、计时电机、陀螺电机等，以及在控制系统中用作检测或伺服元件的各种微型控制电机等。后者的工作特性较为特殊. 一般对它们的性能精度和动态特性等要求较高，在体积和重量方面也有严格限制。此外，一些新型结构电机、如印制绕组电机、无副电机、各类水磁电机等也都在迅速发展。世界上对小型驱动电机需要量很大·各工业发达国家每年生产量达数千万台，甚至上亿台。这一方面显示了社会生产发展的需要，另一方面也说明日常生话所用微型电机的数蟹绣增。 0年代以来，由于电力电于学的迅速发展，大电流耐高压晶闸管的出现，促使许多大容量同步电机的励磁改用品闸管励磁系统。这类装置休积小，质量轻、效率高、发电系统的性能和可靠性也得到提高。当前，国内外都有高压直流输电线路在运行，在直流和交流系统连网处的换流站、需要用整流逆变装置。此外、利用晶闸管可做成可控大容量直流电源或可控变颗装置，在电动机调速和控制系统中应用，有利于电机的平滑、宽范围、高效事的调速运行。采用电子线路控制后，交流异步机的调速性能可得到很大改进。电力电于技术的发展、为电机运行、电力驱动开辟了新的途径。显然。电机学科历史悠久。有系统的理论和丰高的工程实践。长期以来。它在国民经济建设中起着重大的作用，随著生产的发展和科学技术水平的提高。它本身的内容也在不断地深化和更新。第三节电机的主要类别电机本身是转换能量的装置，必须一方面有能量输入，另一方面才会有能量粮出。电机的容量即以该机在每单位时间里所能传递的能量来量度。每单位时间内所输入的能量称为输入功率，每单位时间榆出的能量称为输出功事，功率的单位通常用W、kW或MW来表示。当功事通过电机时，不可避免她要有一些内部损耗。因此、任一电机的信出功率总比棉入功率小。设以P,表示电机的输入功率，P表示电机的输出功率，则其比值？=P,/P, 就称为电机的效率。电机的基本作用原理在于电磁8应，所以在任何电机中都必须有一闭合的磁路和两个或两个以上的电路相交链。电机中的功率传递，就是通过有关电路中磁链的变化来

成的。和机械功率有关的电机都必须有机械运动，通常是旋转运动。发电机把机械功率转变为电功率。电动机把电功率转变为机械功率，它们统称为旋转电机。旋转电机都有一静止部分，叫做定子：又有一旋转部分，叫做转子。既然有相对运动。定子和转子之闭必须有一空气隙。在空气隙中的磁场分布和变化规律与电机中的功率转换和传递有着密切关系。为了解各种电机的运行特征，对于空气隙中的避场在空间如何分布，随时间如何变化，以及随负载如何改变等，都必须充分了解。关于各种电机空气隙磁场的变化情况，在讨论到各种电机时再详细说明。按照电机在应用中的职能来分，电机可以分为下列各类。 (1)将机械功率转换为电功率一一发电机。 (2)将电功率转换为机械功率一电动机。 (3)将电功率转换为另一种形式的电功率，又可分为：（①输出和输入有不同的电压一变压器：②轴出与输入有不同的被形，如将交流变为直流-一一变流机：③输出与输入有不同的须串一变领机：④输出与输入有不同的相位一一移相覆。 (4)不以功率传递为主要职能，而在电气机械系统中起调节、放大和控制作用的各种微型控制电机。按照所应用的电流种类，电机可以分为薰流电机和交流电机。电机还可按同步速度来分，同步速度决定于该电机的极数和顿率，同步速度的确切意义将在后文说明。电机按速度分类如下。 {1)没有周定的同步速度一一直流电机。 (2)静止设备一变压器。 (3)作为电动机运行时，速度水远较同步速度为小，作为发电机运行时，速度水远较同步速度为大一异步电机。 (4)速度等于同步速度一—同步电机、 (5)速度可以在宽广范园内随意调节，可以从同步速度以下调至同步速度以上一交流换向赠电机。各种控制电机可分别归入以上各类中。从理论体系来看，后一种分类方法较为合理，因为依据电机可逆性原理，发电机和电动机并不能作为不同类别，而只是同一电机的两种不同运行方式，第四节电机的基本作用原理电机是通过电磁感应原理来实现能量变换的机械，因此，电和磁是构成电机的两大要素，缺一不可。电在电机中主要是以路的形式出现，即由电机内的线国、绕组构成电机的电路。电机电路的星论未超出先修课“电路”的内容，这里就不再重复了。磁在电机中是以场的形式存在的，一般工程分析计算时、为了方便，才将磁场简化为磁路来处理。与电路相比，无论是磁路或磁场，同学们相对接触较少，比较生疏。因此，有必要在先修课的

基础上、对它们作一简要回顾并给以适当的延伸一、磁场、磁感应强度运动电荷（电流）的周围空间存在着一种特殊形态的物质，人们称之为磁场。磁场可由位于该空间的载流导体所受到的一种力一洛仑兹力来确定它的存在及了解它的性质。具体说来，上述洛仑兹力dF可表示为 dF=IdIB (1-1) 式中：1表示截流导体中的电藏，A,d!是导体微小单元长度，m;dF为该微小导体单元上受到的电磁力，N:而B是我们定义来说明导体单元d!所在空问的磁场性质的- 个基本物理量，称为磁感应强度，它是一个失量。二、磁感应线、磁通量在给定的磁场中某一点的磁感应强度B的大小和方向都是确定的。若设想用假想存在的曲线来衰示磁场的分布，则应栽定曲线上的每一点的切线方向就是该点的磁感应强度B 的方向。这样的曲线叫做磁感应线或磁力线、B线，妥注意，磁感应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。图1-1表示了长导线、环形线和螺线管载流时的磁感应线的图形、由图可见。磁感应线具有以下特性。田1-1我流长导线、环形导绒和螺线管的磁感应线（1)磁感应线的回转方向和电流方向之间的关系遵守右手螺旋法则。 (?)磁场中的磁感应线不会相交，因为磁场中每点的磁感应强度的方向是确定的、唯一的。 (3)载流导线周图的磁感应线都是围绕电流的闭合曲线、没有起点、也没有终为了使磁感应线不但能表示磁场的方向、雨且能描述磁场各处的强弱，人们以磁感应线的疏密程度米表示该处磁感应强度B的大小，对磁感应线的密度规定如下：通过磁场中某点处垂直于B矢量的单位面积上的磁惑应线数日（磁感应线密度）等于该点B的数值，因此，磁场强的地方，B大，磁惠应线密：磁场弱的地方，B小，磁感应线稀。对均匀磁场来说，磁场中的磁感应线相互平行，各处的磁感应线密度相等：对非均匀磁场来说，各条磁感应线相互不平行，各处的磁惑应线密度不相等。 6