河海大学：《电机学》课程教学资源（自学材料）

电机学自学材料 第1页 绪论( introduction) 电机及电机学概念( electr ic mach ine and electr ic machine theory concept) 1.电机定义:是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置。 2.电机分类:(按运动方式分类) 静止电机一变压器 电机 直流电机 旋转电机 流电机」异步电机 同步电机 3.电机学及性质:专业基础课 4本门课学习方法:①抓住主要矛盾; ②理论联系实际; ③善于运用对比的方法。 二、电机中的材料( materials) 1.导电材料:线圈(铜、铝) 2.导磁材料:铁磁材料(重点介绍) 3.结构材料:铸铁、铸钢和钢板等 4.绝缘材料:聚酯漆、环氧树脂、玻璃丝带、电工纸、云母片等(A、E、B、F、H、C) 、铁磁性材料的磁化特性:( character istic of ferromagnetic mater ia 1.铁磁性物质的磁化 铁磁材料:铁、镍、钴及其合金 磁化曲线:B=f(H) 特性:①具有高的导磁性能;②磁化曲线呈非线性(饱和特性) 2.磁滞回线 ①磁滞现象:B的变化总是滞后H的变化;H=0时B的值,称为剩磁B; ②基本磁化曲线:B=f(H); ③铁磁材料「软磁材料:∥高,B小,磁滞回线窄而长,如:铸钢、硅钢、坡莫合 金,制作电机铁心 硬磁材料:μ不髙,Br大,磁滞回线宽而胖,制造永久磁铁 河海大学

电机学自学材料 第 1 页 河海大学 绪论 （introduction） 一、电机及电机学概念（electric machine and electric machine theory concept） 1.电机定义：是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置。 2.电机分类：（按运动方式分类） 静止电机-----------------变压器 电机 直流电机 旋转电机 交流电机 异步电机 同步电机 3.电机学及性质：专业基础课 4.本门课学习方法：①抓住主要矛盾； ②理论联系实际； ③善于运用对比的方法。 二、电机中的材料（materials） 1.导电材料：线圈（铜、铝） 2.导磁材料：铁磁材料（重点介绍） 3.结构材料：铸铁、铸钢和钢板等 4. 绝缘材料：聚酯漆、环氧树脂、玻璃丝带、电工纸、云母片等（A、E、B、F、H、C） 三、铁磁性材料的磁化特性：（characteristic of ferromagnetic material） 1.铁磁性物质的磁化 铁磁材料：铁、镍、钴及其合金 磁化曲线： B = f (H) 特性：①具有高的导磁性能；②磁化曲线呈非线性（饱和特性） 2.磁滞回线 ①磁滞现象：B 的变化总是滞后 H 的变化； H = 0 时 B 的值，称为剩磁 Br ； ②基本磁化曲线： B = f (H) ； ③铁磁材料 软磁材料：  高， Br 小，磁滞回线窄而长，如：铸钢、硅钢、坡莫合 金，制作电机铁心； 硬磁材料：μ不高，Br 大，磁滞回线宽而胖，制造永久磁铁；

电机学自学材料 第2页 3.磁滞损耗和涡流损耗 ①磁滞损耗:磁畴之间产生摩擦而产生的,P∝B ②涡流损耗:涡流与铁心电阻相作用产生的损耗,P=f2B2d/R ③铁损:磁滞损耗+涡流损耗,P∝∫B2 四、电机中的基本电磁定律( basic electromagnetic I aws) 1.磁路中的几个基本定律 ①全电流定律一安培环路定律(1 aw of total current) H·d=) 举例 工程上:∑团m=∑ 线圈:∑团=M *电流方向的判断: ②磁路的基尔霍夫第一定律:∑=0 *说明磁通是连续的。 ③磁路的基尔霍夫第二定律:∑团=∑M F d R ④磁路欧姆定律: R 铁磁材料的m不为常数。 2.电路中的两个基本定律 ①基尔霍夫第一定律: i=0 ②基尔霍夫第二定律: 3.电磁感应定律( electromagnetic inductive law) 变压器电动势:同上 运动电动势:e=Bh *判断方向:右手定则 4.电磁力定律:f=Bl *判断方向:左手定则(主要用于分析旋转电机的电磁转矩) 河海大学

电机学自学材料 第 2 页 河海大学 3.磁滞损耗和涡流损耗 ①磁滞损耗：磁畴之间产生摩擦而产生的， 2 h m p  fB ②涡流损耗：涡流与铁心电阻相作用产生的损耗， Fe Bm d Re p f / 2 2 2 = ③铁损：磁滞损耗+涡流损耗， 1.3 2 fe Bm p  f 四、电机中的基本电磁定律(basic electromagnetic laws) 1.磁路中的几个基本定律 ①全电流定律—安培环路定律 (law of total current)  H  dl = I L 举例： 工程上： Hl =I 线圈： Hl = NI * 电流方向的判断： ②磁路的基尔霍夫第一定律：  = 0 *说明磁通是连续的。 ③磁路的基尔霍夫第二定律： Hl = NI ④磁路欧姆定律： F S l R F m   = = S l Rm  = *铁磁材料的 Rm 不为常数。 2.电路中的两个基本定律 ①基尔霍夫第一定律： i = 0 ②基尔霍夫第二定律： e = u 3.电磁感应定律 (electromagnetic inductive law) dt d N dt d e  = −  = − 变压器电动势：同上； 运动电动势： e = Blv *判断方向：右手定则 4.电磁力定律： f = Bil *判断方向：左手定则（主要用于分析旋转电机的电磁转矩）

电机学自学材料 第3页 第一篇变压器 transformer 1.变压器的定义:它是一种静止的电机,通过线圈间的电磁感应关系,将某一等级的 交流电压转换为同频率的另一等级的交流电压。 2.变压器的用途: 3.电力变压器:用于电力系统升、降电压的变压器。 第一章变压器的基本工作原理和结构 (basic operation pr inciple and structure of transformer) 、基本结构( basic structure) 器身:由铁心和线圈组成 1.铁心:构成主磁路,机械骨架,由硅钢片迭成 ①材料:0.35m厚涂有绝缘漆膜的硅钢片,导磁性能好,可减少铁损; ②铁心形状:矩形、十字形等 ③迭片方式:交迭式迭装 2.线圈:导电部分,铜线或铝线 *为便于线圈和铁心绝缘,低压靠近铁心柱在里面,高压在外面 线圈在铁心上排列方式:同心式 交迭式 3.油箱和冷却装置 变压器油的作用:绝缘和冷却 4绝缘套管:用于引线 5.保护装置和其他 基本工作原理( basic operation pr inc iple) 河海大学

电机学自学材料 第 3 页 河海大学 第一篇 变压器 transformer 1.变压器的定义：它是一种静止的电机，通过线圈间的电磁感应关系，将某一等级的 交流电压转换为同频率的另一等级的交流电压。 2.变压器的用途： 3.电力变压器：用于电力系统升、降电压的变压器。 第一章 变压器的基本工作原理和结构 （basic operation principle and structure of t ransformer） 一、基本结构（basic structure） 器身：由铁心和线圈组成。 1.铁心：构成主磁路，机械骨架，由硅钢片迭成 ①材料：0.35mm 厚涂有绝缘漆膜的硅钢片，导磁性能好，可减少铁损； ②铁心形状：矩形、十字形等； ③迭片方式：交迭式迭装 2.线圈：导电部分，铜线或铝线 *为便于线圈和铁心绝缘，低压靠近铁心柱在里面，高压在外面； 线圈在铁心上排列方式： 同心式 交迭式 3.油箱和冷却装置： *变压器油的作用：绝缘和冷却 4.绝缘套管：用于引线 5.保护装置和其他 二、基本工作原理（basic operation principle） A X u1 i1 Φ0 e1 a x e2 i2 u2

电机学自学材料 第4页 l1→l1 基本原理 其中: e1≈l1∝N1 可见,l2N2只要改变线圈的匝数,就能达到改变电压的目的 、变压器的分类( classi fication of transformer) 1.用途分:升压变压器、降压变压器; 2.相数分:单相变压器和三相变压器 3.线圈数:双线圈变压器、三线圈变压器和自耦变压器; 4.铁心结构:心式变压器和组式变压器 5.冷却介质和冷却方式:油浸式变压器和干式变压器等; 6.容量大小:小型变压器、中型变压器、大型变压器和特大型变压器。 四、变压器的型号和额定值( type and rated value) 1.型号:表示一台变压器的结构、额定容量、电压等级、冷却方式等内容 例如:SL-500/10:表示三相油浸自冷双线圈铝线,额定容量为500kVA,高压侧额定 电压为10kV级的电力变压器。 2.额定值: sx:铭牌规定在额定使用条件下所输出的视在功率。 Ux:指变压器长时间运行所承受的工作电压。(三相为线电压) UN:规定加在一次侧的电压 U2:一次侧加额定电压,二次侧空载时的端电压。 x:变压器额定容量下允许长期通过的电流有l1和(三相为线电流)。 河海大学

电机学自学材料 第 4 页 河海大学 基本原理： 2 2 1 1 1 0 e i e u i → → → → →  → 其中： dt d e N 0 1 1  = − ； dt d e N 0 2 2  = − 若 1 u1 N1 e   2 u2 N2 e   可见， 2 1 2 1 N N u u = 只要改变线圈的匝数，就能达到改变电压的目的。 三、变压器的分类（classification of transformer） 1. 用途分：升压变压器、降压变压器； 2. 相数分：单相变压器和三相变压器； 3. 线圈数：双线圈变压器、三线圈变压器和自耦变压器； 4. 铁心结构：心式变压器和组式变压器； 5. 冷却介质和冷却方式：油浸式变压器和干式变压器等； 6. 容量大小：小型变压器、中型变压器、大型变压器和特大型变压器。 四、变压器的型号和额定值(type and rated value) 1. 型号：表示一台变压器的结构、额定容量、电压等级、冷却方式等内容。 例如：SL-500/10：表示三相油浸自冷双线圈铝线，额定容量为 500kVA，高压侧额定 电压为 10kV 级的电力变压器。 2. 额定值： N S ：铭牌规定在额定使用条件下所输出的视在功率。 UN ：指变压器长时间运行所承受的工作电压。（三相为线电压） U1N ：规定加在一次侧的电压； U2N ：一次侧加额定电压，二次侧空载时的端电压。 N I ：变压器额定容量下允许长期通过的电流有 N I 1 和 N I 2 （三相为线电流）

电机学自学材料 第5页 :我国工频:50H 还有额定效率、温升等额定值。 3.单相变压器的关系式 三相变压器的关系式:SN=√3U1 *:对于双线圈变压器一、二次侧的额定容量相等。(由于其效率高) 4.举例:一台Y,d11联接的三相变压器,额定容量为3150kVA,U1/U2=35/6.3kV,求 ①变压器一、二次额定电压和额定电流? ②变压器一、二次线圈的额定电压和额定电流? **思考题:原边加直流电压是否可以?为什么? 河海大学

电机学自学材料 第 5 页 河海大学 N f ：我国工频：50Hz； 还有额定效率、温升等额定值。 3. 单相变压器的关系式： N N N S = U I 三相变压器的关系式： N N N S = 3U I **：对于双线圈变压器一、二次侧的额定容量相等。（由于其效率高） 4. 举例：一台 Y,d11 联接的三相变压器，额定容量为 3150kVA,U1N/U2N=35/6.3kV,求： ①变压器一、二次额定电压和额定电流？ ②变压器一、二次线圈的额定电压和额定电流？ **思考题：原边加直流电压是否可以？为什么？

电机学自学材料 第6页 第二章单相变压器运行原理及特性 (operation pr inciple and character istic of single phase transformer) 1.从空载和负载运行时的电磁关系出发,导出基本方程式、等效电路和相量图 2.分析稳态运行性能(电压变化率、损耗和效率) *适用于三相变压器的对称运行 第一节单相变压器的空载运行 (no-load operation of single phase transformer) 、电磁现象( electromagnetic phenomenon) 1.空载定义:12=0 2.物理过程: E1=-444N1 U1→10→Fo=1oN1 E2=-j444N2Φm Ela==ilo X 电机中各物理量正方向的规定 和Φ1。区别: ①在性质上:Φ。与I非线性关系;Φ1。与I线性关系; 河海大学

电机学自学材料 第 6 页 河海大学 第二章 单相变压器运行原理及特性 (operation principle and characteristic of single phase transformer) 1. 从空载和负载运行时的电磁关系出发，导出基本方程式、等效电路和相量图； 2. 分析稳态运行性能（电压变化率、损耗和效率） *适用于三相变压器的对称运行。 第一节 单相变压器的空载运行 （no-load operation of single phase transformer） 一、电磁现象（electromagnetic phenomenon） 1. 空载定义： 2 = 0 • I 2. 物理过程： 1 1 1 0 2 2 1 1 0 1 1 0 0 0 4.44 4.44 E j I X E j fN E j fN U I F I N m m • • • • • • • • • • • •  → = − = −  = −   → → = →   1 I 0 r • *电机中各物理量正方向的规定 3. Φ0和Φ1σ区别: ①在性质上：Φ0与 I0非线性关系；Φ1σ 与 I0线性关系；

电机学自学材料 第7页 ②在数量上:Φ。占99%以上;Φ1。占1%以下 ③在作用上:Φ传递能量的媒介;Φ1。漏抗压降。 二、空载时各物理量( physical quantities of no-load) 1.原边电压Un:变压器一次线圈所接的电网电压; 2.空载电流0 ①作用:一是用来激磁,产生主磁通;二是供空载损耗。 ②组成 ③性质:感性无功 ④大小:2~8%;∵lo》}ln∴lo≈lm,称为激磁电流。 **0为什么越小越好? ⑤波形:磁路饱和:尖顶波;磁路不饱和:正弦波。 *实际需要:将尖顶波的空载电流等效为正弦波 3.空载磁动势F0 F0=N10……建立空载磁场 4.主磁通Φ与一次漏磁通Φ 5.主磁通感应的电动势 设 勿=地=2N中n5n(m-90°) E1=-14441Φm 同理可得 E2=-/444N2dm 结论:E1(E2)∞fN1(N2)中m,在相位上滞后Φm90 6.一次漏感电动势o: 设 ①1n= d sin ot 则 cg.=2N中1msm la 444MNΦ 又可得 J10x1 河海大学

电机学自学材料 第 7 页 河海大学 ②在数量上：Φ0占 99%以上；Φ1σ 占 1%以下； ③在作用上：Φ0传递能量的媒介；Φ1σ 漏抗压降。 二、空载时各物理量（physical quantities of no-load） 1. 原边电压 1 • U ：变压器一次线圈所接的电网电压； 2. 空载电流 0 • I ： ①作用：一是用来激磁，产生主磁通；二是供空载损耗。 ②组成： I 0 I 0a I 0r • • • = + ③性质：感性无功； ④大小：2～8%； r a r I I I I 0 0  0  0   ，称为激磁电流。 ** 0 I 为什么越小越好？ ⑤波形：磁路饱和：尖顶波；磁路不饱和：正弦波。 *实际需要：将尖顶波的空载电流等效为正弦波。 3. 空载磁动势 0 • F 0 1 0 • • F = N I ……建立空载磁场 4. 主磁通 0 •  与一次漏磁通 1 •  5. 主磁通感应的电动势 设 t 0 = m sin  ，则 2 sin( 90 ) 1 0 1 1 =  −   = − fN t dt d e N  m  E j fN m • • 1 = − 4.44 1  同理可得： E j fN m • • 2 = − 4.44 2  *结论： N N m E1 (E2 )  f  1 ( 2 ) ，在相位上滞后 m •  90°。 6. 一次漏感电动势 E1 ： 设 t 1 = 1m sin ，则 2 sin( 90 ) 1 1 1 1 1 =  −   = − fN t dt d e N  m    E1 j4.44 fN1 1m • • = −  又可得： 1 0 . 1 E = − j I x 。 

电机学自学材料 第8页 2Tf 式中: Rm=常数,为一次绕组的漏电抗 电抗的概念可以推广。 7.一次线圈电阻压降 8.空载损耗 P0=P+Pon≈peBn·f *空载损耗约占(0.2~1)%,随容量的增大而减小 三、空载时的电磁关系( electromotive relationship of no-load) 1.电动势平衡方程: ①一次侧: E1+or1+jl0x1=-E1+/0z1 忽略I,则有:U1≈E1=444N1Φ 4.44N1444N *结论:影响主磁通大小的因素是:电源电压U1、电源频率f和一次侧线圈匝数N, 与铁心材质及几何尺寸基本无关 ②二次侧:U20pE 2.变比:代E2N1U EN U 降压K〉1;升压K〈1; K *三相变压器:Y,d接线 √3U2N D,y接线 K Y,y和D,d接线 3.等效电路: 河海大学

电机学自学材料 第 8 页 河海大学 式中：   Rm N x f 2 1 1 = 2 =常数， 为一次绕组的漏电抗。 *电抗的概念可以推广。 7. 一次线圈电阻压降 1 I 0 r • 8. 空载损耗 0 p 2 1.3 0 p p p p B f Fe Cu Fe m = +   • *空载损耗约占（0.2～1）%，随容量的增大而减小。 三、空载时的电磁关系（electromotive relationship of no-load） 1. 电动势平衡方程： ①一次侧： 1 0 . 1 . 1 0 . 1 0 . 1 . 1 . U = −E + I r + j I x = −E + I Z 忽略 I0Z1，则有： m U1  E1 = 4.44 fN1 即 1 1 1 1 4.44 4.44 fN U fN E m =  * 结论：影响主磁通大小的因素是: 电源电压 U1、电源频率 f 和一次侧线圈匝数 N1， 与铁心材质及几何尺寸基本无关。 ②二次侧： 2 . 20 . U = E 2. 变比： N N U U U U N N E E K 2 1 20 1 2 1 2 1 = =  = *降压 K〉1；升压 K〈1； **三相变压器：Y，d 接线： N N U U K 2 1 3 = D，y 接线： N N U U K 2 3 1 = Y，y 和 D，d 接线： N N U U K 2 1 = 3. 等效电路：

电机学自学材料 第9页 令:-E1=102m=(m+xm)0 *m和xm的物理意义; 则有:1=-B+1021=(m+fxm)0+(+fx)o 式中:m、m和m随磁路饱和程度的增加而减小。 等效电路为: 1=lzM+lozi 变压器空载时的等效电路 由于r》r1,x,》x,可得简化等效电路:U1102m 变压器空载时的简化等效电路 *空载电流的大小:取决于激磁阻抗的大小,从变压器运行的角度看,希望空载电流 越小越好,因此变压器采用高导磁率的铁磁材料,以增大Z减少 I,提高变压器的效率和功率因数 4.相量图 ①空载时的方程式:(总结) ②空载时的相量图 **变压器空载运行时,Cos9o很低,一般在0.1~0.2之间 河海大学

电机学自学材料 第 9 页 河海大学 令: 0 . 0 . 1 . E I Z (r jx )I − = m = m + m * m r 和 m x 的物理意义； 则有： 0 . 1 1 0 . 1 0 . 1 . 1 . U E I Z (r jx )I (r jx )I = − + = m + m + + 式中： m z 、 m x 和 m r 随磁路饱和程度的增加而减小。 等效电路为： 1 U1 I 0 Z m I 0 Z • • • = + 0 • I r1 x1σ rm 1 • U 1 • E xm 变压器空载时的等效电路 由于 rm》r1 ，xm》x1 ，可得简化等效电路： Z m U 1 I 0 • •  0 • I Rm 1 • U 1 • E Xm 变压器空载时的简化等效电路 **空载电流的大小：取决于激磁阻抗的大小，从变压器运行的角度看，希望空载电流 越小越好，因此变压器采用高导磁率的铁磁材料，以增大 Zm减少 I0，提高变压器的效率和功率因数。 4. 相量图： ① 空载时的方程式：（总结） ②空载时的相量图： **变压器空载运行时， 0 cos 很低，一般在 0.1～0.2 之间

电机学自学材料 第10页 第二节单相变压器的负载运行 (load operation of single-phase transformer) 、磁动势平衡关系( magnetomotive force(mmf) ba l ance relationship) 1.负载运行定义:在J,U1下,二次线圈接以负载的运行状态。 负载时的电磁过程 l 单相变压器负载运行示意图 U1→1→F1=l1M1 1→En 20 2P2 3.磁动势平衡方程式:(1)磁动势形式:F1+F2=F0 1=10+ (2)电流形式 解释方程的物理意义71N2 若忽略I,则有:12KN1注意大小和相位。 河海大学

电机学自学材料 第 10 页 河海大学 第二节 单相变压器的负载运行 (load operation of single-phase transformer) 一、磁动势平衡关系（magnetomotive force(mmf) balance relationship） 1. 负载运行定义：在 N f ，U1N 下，二次线圈接以负载的运行状态。 2. 负载时的电磁过程 3. 磁动势平衡方程式：（1）磁动势形式： 1 2 0 • • • F + F = F （2）电流形式 ： ( ) 2 1 0 k I I I • • • = + − *解释方程的物理意义？ 若忽略 I0，则有： 1 2 2 1 1 N N I K I  = 注意大小和相位