电机学

本书是根据电气工程及其自动化专业本科生培养计划大纲并结合现代电机技术发展而编写的，重点突出电机基本结构的磁路与电路耦合关系，强调基本原理的电磁耦合分析方法、基于动态系统坐标变换思想的稳态系统数学建模，并进一步表示为等效电路和时空统一相量图，通过端口模型测定电气参数和分析运行特性。全书共7章，主要内容包括电机基础、变压器、交流电机共性问题、同步电机、异步电机、直流电机和特种电机。特别强调概念和原理的文字叙述、图形表示和数学描述，为动态系统建模和电机控制打下基础。本书可作为高等院校电气工程及其自动化专业本科生电机学课程的教材和电机专业研究生参考书，也可供机电类相关专业技术人员参考。

前言
绪论
0.1电机的概念
0.2电机的用途
0.3电机的分类
0.4电机的分析方法
思考题与习题
第1章电机基础
1.1电机常用材料
1.1.1导电材料
1.1.2绝缘材料
1.1.3铁磁性材料
1.2电机的基本电磁理论
1.2.1电磁定律
1.2.2电路基本定律
1.2.3磁路基本定律
1.2.4典型磁路分析
1.3电机的端口模型
1.3.1电机的端口模型
1.3.2机电能量转换系统
思考题与习题
第2章变压器
2.1概述
2.1.1变压器的用途
2.1.2变压器的基本结构
2.1.3变压器的分类方法
2.1.4变压器的额定值
2.2双绕组变压器的基本原理
2.2.1理想双绕组变压器
2.2.2实际双绕组变压器
2.2.3电磁耦合模型
2.2.4等效电路与相量图
2.2.5功率平衡与效率
2.2.6变压器的空载电流波形
2.3三相变压器
2.3.1三相变压器的磁路与电路系统
2.3.2电路与磁路系统对空载电流、磁通和电动势波形的影响
2.3.3标幺值
2.3.4变压器的运行特性与性能指标
2.3.5变压器的参数测定
2.3.6三相变压器的并联运行
2.3.7三相变压器的瞬变过程
2.3.8三相变压器的不对称稳态运行
2.4特种变压器
2.4.1自耦变压器
2.4.2仪用变压器
2.4.3三绕组变压器
2.4.4电力电子变压器
思考题与习题
第3章交流电机的共性问题
3.1交流电机的绕组
3.1.1交流电枢绕组的基本要求
3.1.2三相对称绕组的排列
3.1.3交流电机的磁极绕组
3.2交流电机绕组的磁动势
3.2.1一个电枢线圈的气隙磁动势
3.2.2极相组线圈的气隙磁动势
3.2.3一相电枢绕组的气隙磁动势
3.2.4三相电枢绕组的气隙磁动势
3.2.5谐波磁动势的削弱
3.2.6电流和磁动势时空矢量
3.2.7不对称电流产生的气隙基波磁动势
3.2.8励磁绕组的磁动势
3.3交流电机的气隙磁场
3.3.1均匀气隙的气隙磁场
3.3.2非均匀对称气隙的气隙磁场
3.3.3气隙磁场谐波的削弱方法
3.3.4正弦波气隙磁场的时空矢量
3.4交流电机电枢绕组的电动势
3.4.1单个线圈产生的电动势
3.4.2一个相带线圈组产生的电动势
3.4.3一相绕组产生的电动势
3.4.4谐波电动势的削弱方法
3.4.5正弦波电动势的时空矢量
3.5对称电枢绕组的主电感
3.5.1能量法
3.5.2磁链法
3.5.3感应电动势法
思考题与习题
第4章同步电机
4.1概述
4.1.1同步电机的用途
4.1.2同步电机的基本结构
4.1.3同步电机的分类方法
4.1.4同步电机的额定值与基值
4.2同步发电机的基本原理
4.2.1规定参考方向
4.2.2电磁关系
4.2.3电枢反应性质
4.2.4凸极同步发电机的双反应理论
4.2.5电磁耦合模型
4.3同步发电机的运行特性
4.3.1同步发电机的运行特性
4.3.2同步发电机的参数测定
4.3.3额定负载励磁电流和电压调整率的计算方法
4.4同步发电机的并网运行
4.4.1同步发电机的并网条件
4.4.2同步发电机的并网方法
4.4.3同步发电机并网运行特性分析
4.5同步电动机与调相机
4.5.1同步电动机的运行分析
4.5.2同步电动机的起动和调速
4.5.3同步调相机
4.5.4同步电机的功率四象限运行
4.6同步发电机的不对称运行
4.6.1不对称运行的序阻抗
4.6.2不对称短路稳态分析
思考题与习题
第5章异步电机
5.1概述
5.1.1异步电机的用途
5.1.2异步电机的基本结构
5.1.3异步电机的分类方法
5.1.4异步电机的额定值与基值
5.2三相异步电机的基本原理
5.2.1规定参考方向
5.2.2电磁关系
5.2.3三相异步电机的运行状态
5.2.4电磁耦合模型
5.2.5等效电路与相量图
5.2.6功率与转矩平衡方程
5.2.7电磁转矩的参数表达式
5.3三相异步电动机的运行特性
5.3.1三相异步电动机的工作特性
5.3.2三相异步电动机的机械特性
5.3.3三相异步电动机的参数测定
5.4三相异步电动机的起动、制动和调速
5.4.1三相异步电动机的起动
5.4.2三相异步电动机的制动
5.4.3三相异步电动机的调速
5.5三相异步发电机
5.5.1鼠笼转子异步发电机
5.5.2绕线转子双馈异步发电机
思考题与习题
第6章直流电机
6.1概述
6.1.1直流电机的用途
6.1.2直流电机的基本结构
6.1.3直流电机的分类方法
6.1.4直流电机的额定值
6.2直流电机的基本原理
6.2.1规定参考方向
6.2.2电磁关系
6.2.3电枢反应
6.2.4电枢线圈的换向
6.2.5感应电动势与电磁转矩
6.2.6稳态电磁耦合模型
6.2.7稳态功率和转矩平衡
6.2.8直流电机的等效电路
6.3直流电机的运行特性
6.3.1直流发电机的运行特性
6.3.2直流电动机的运行特性
6.3.3直流电动机的起动、制动和调速
思考题与习题
第7章特种电机
7.1概述
7.2永磁电机
7.2.1概述
7.2.2永磁同步电机的基本结构
7.2.3永磁同步电动机的调速特性
7.2.4永磁同步电动机的特点
7.3无刷直流电机
7.3.1概述
7.3.2无刷直流电机的基本结构
7.3.3无刷直流电机的基本原理
7.4开关磁阻电机
7.4.1概述
7.4.2开关磁阻电机的基本结构
7.4.3开关磁阻电机的基本原理
7.5超导电机
7.5.1概述
7.5.2超导电机的基本结构
7.5.3超导电机的特点
7.5.4超导电机的关键技术
7.6静电电机
7.6.1概述
7.6.2静电电机的基本结构和工作原理
7.7超声波电机
7.7.1概述
7.7.2超声波电机的基本结构
7.7.3超声波电机的基本原理
7.7.4超声波电机的特点与应用
思考题与习题
附录名词术语中英文对照
参考文献

电机学是电气工程及其自动化专业的基础课，主要分析基于电磁感应原理的变压器和交、直流电机的基本结构、工作原理和运行特性。电机是电力系统中发电、变电和用电的主要装置，也是自动化装置不可缺少的驱动元件，在工农业生产、机械、车辆、航空航天、交通运输和微机械加工系统等领域得到广泛应用。 本书吸收和借鉴了国内外优秀电机学教材的特点，形成了具有自身特色的内容体系：本书与相关课程内容承上启下，突出电机基础理论和共性问题，电机结构由简单到复杂，主磁路由简单静态到复杂动态，利用磁路模型等价变换将电磁耦合模型转换成等效电路模型，凸现电机内部电磁过程的电路参数表示，并通过外部端口测试获得等效电路参数和行为特性，文字描述详细，并附有大量插图，各章均有思考题和习题。本书各章内容编写相对独立，适合不同顺序电机类型的教学计划安排。本书主要内容包括： 绪论阐述电机的概念、电机在国民经济中的地位和作用，以及电机的种类和分析方法。 第1章电机基础，主要阐述电机中常用的导电、绝缘和导磁材料，磁性材料的磁化特性及其交流磁滞与涡流损耗，总结电磁基本定律和电路基本定律，给出了磁场、电流和电磁力正交情况下的各类电机结构形式，利用能量法确定两个磁场相互作用产生稳定电磁转矩的条件。重点介绍磁路基本定律以及典型磁路结构的电磁耦合关系，导出了等效磁路的磁动势磁通模型、磁通磁动势模型、磁链电流模型和电动势电流模型，并指出了三相对称耦合磁路能解耦的条件。将电磁耦合系统通过引入电气参数等效漏电感和主电感转换成集中参数电路模型，从而对典型电机主磁路的磁化特性进行等价表示，说明这些等价磁化特性描述的参数及其物理意义。最后介绍电机端口模型、机电能量转换中的各种损耗、能量守恒与功率平衡一般关系以及效率的概念。本章内容承上启下，为分析电机原理打下基础。 第2章介绍电力系统中静止的电气设备——变压器，主要阐述变压器的基本结构、用途和分类，在交流电压作用下的电磁耦合关系，详细分析了铁心磁滞与涡流的作用机理及其等价表示，通过引入漏电抗、磁化电抗和铁耗电阻等参数，以及绕组匝数折算，获得正弦稳态电路方程、“T”形等效电路和相量图。利用空载和短路试验测量等效电路参数，引入标幺值系统简化不同电压等级绕组之间的折算。利用端口模型分析变压器的外特性和效率特性，给出电压调整率的计算公式。分析变压器的并联运行、空载合闸暂态过程和不对称运行。最后介绍自耦变压器、仪用变压器、三绕组变压器和智能型电力电子变压器。 第3章交流电机的共性问题，主要阐述交流绕组的排列，通过引入线圈波形函数及其周期分解，逐一分析单个线圈、极相组线圈、一相绕组和多相绕组产生的磁动势，从而揭示磁动势的变化规律，通过引入短距系数、分布系数和绕组系数的概念，揭示如何将短距与分布绕组等效为集中整距绕组的规律；解释不同绕组和励磁电流形成的磁动势所产生的气隙磁场，揭示产生气隙磁场谐波的原因，分析削弱谐波的方法；介绍在正弦交变磁场下交流绕组的感应电动势计算方法，解释短距和分布对电动势的影响；详细分析了各种物理量的瞬时值、时空矢量及其正弦稳态时间相量的关系；最后给出了交流绕组基波主电感的不同计算方法。 第4章同步电机，根据定、转子磁场相互独立且空间保持相对静止的原理，确定直流励磁同步电机的转子转速必须是同步速，利用双反应理论分析凸极同步发电机电磁耦合关系，揭示电枢磁场对主极磁场产生作用的电枢反应机理，解释电枢反应的性质取决于励磁电动势和电枢电流相位差的原因，引入直轴和交轴电枢反应电抗的概念，建立直轴和交轴电磁耦合数学模型、等效电路和时空统一矢量图，并获得有功功率和无功功率的功角特性，分析了凸极同步发电机的静态稳定特性和功率调节特性，给出了比整步功率和过载能力的概念。隐极同步发电机作为凸极同步发电机的特例可以由直轴和交轴电枢反应电抗相同得到。利用端口模型分析同步发电机的空载、短路、零功率因数负载运行特性，外特性和调节特性，并给出短路比和电压调整率的概念、等效电路电抗参数的测定方法，最后简要分析不对称相序阻抗和各种稳态短路矩阵分析方法。 第5章异步电机，根据定、转子磁场相互独立且空间保持相对静止的原理，确定双边交流励磁异步电机的转子转速不等于同步速，但转子转速与定、转子电流频率和电机极对数仍保持严格一致关系，并给出转差率的概念。以绕线转子异步电机为例，利用电磁感应原理分析异步电机电磁耦合关系，详细阐述了转子短路或接无源负载情况下，异步电机的运行状态取决于转差率。通过转子频率折算和绕组折算，并引入铁耗电阻和磁化电抗的概念，建立电磁耦合数学模型、并联励磁支路的“T”形等效电路和时空统一矢量图。通过空载和堵转试验测定异步电机的等效电路参数，简要分析异步电动机定子电流、功率因数、转差率、效率和负载转矩随转子输出机械功率变化的工作特性，重点分析异步电动机的电磁转矩的表达式和机械特性，给出了过载能力的概念，并利用自然和人为机械特性分析异步电动机的起动、制动和调速过程。最后阐