电机学 第2版

前言

本书是普通高等教育电气类规划教材，是根据电气工程及其自动化专业教学大纲的要求编写的。

本书着重介绍了电机（直流电机、变压器、异步电机、同步电机）的基本功能和用途、基本作用原理、基本机构、基本分析方法和基本特性；简要介绍了特种电机基本结构、工作原理和基本特点，可作为高等学校电气工程及其自动化专业和其他强弱电结合专业的教材。本书自2013年出版以来，多谢各使用院校的支持和广大师生的关爱，我们陆续收集了一些中肯的建议和很好的修改意见。

随着互联网与数字技术的不断发展，我国的图书出版市场发生了翻天覆地的变化，例如在图书中加入与其内容有关的短视频、微课、动画等，帮助读者直观地阅读和理解，以适应读者的需求。为适应图书出版市场的变化和教学改革的要求，有利于培养出更多出色的高级专业技术人才，我们对本书进行了修订。本次修订对书中个别插图和一些文字错误进行了更正外，还适当增减了特种电机的有关内容，在主要章节中设置了微课。

本书编写的指导思想是：突出强化基础知识，拓宽专业口径；力求图文并茂、深入浅出、通俗易懂、循序渐进，激发学生学习的积极性；注重培养和提高学生独立分析问题和解决问题能力，为培养学生的创新能力打下基础。我们的目标是编写一本取材精、科学性强、概念清、便于教学和自学的教材。

全书主要内容包括直流电机、变压器、异步电机、同步电机和特种电机等。为使全书的基本内容突出，书中着重论述四种典型电机的基本结构、电磁过程、理论分析方法和运行特性。本书的编写特点是:注重基本概念、基本理论和基本分析方法的阐述，使学生建立牢固的物理概念，学会用工程观点分析和解决问题。本书主要分析电机的稳态运行，重点介绍电机的工作特性和机械特性及定量分析。为了拓宽知识面，以适应科研和生产的需要，本书还介绍了常用特种电机的基本结构、工作原理及应用。本书各章节具有相对独立性，选学内容可由教师根据具体情况选定。为了便于学生复习和自学，在主要章节中配有微课、习题微课，并编制了微课索引便于查阅；章末附有小结、思考题与习题，并附有习题的参考答案，供教学参考。

本书由孙克军主编，马丽、安国庆为副主编。第1章由李文娟编写，第2章由马丽编写，第3章由樊伟编写，第4章由朱维璐和安国庆编写，第5章由孙克军编写，第6章由孙会琴编写，第7章由徐红和井成豪编写。参加本书视频制作的有孙会琴、安国庆、井成豪、王忠杰、孙克军、闫彩红等。编者在此向关心本书出版和为本书提供参考资料的专家表示衷心的感谢。

由于编者的经验和学识水平有限，尽管我们已经做了不懈的努力，书中难免有不妥之处，恳请广大读者批评指正，并提出宝贵意见。

编者

2021年5月

版前言

本书是根据电气工程及其自动化专业教学大纲的要求编写的，主要内容包括直流电机、变压器、异步电机、同步电机和特种电机等。为使全书的基本内容突出，书中着重论述典型电机与变压器的基本结构、电磁过程、理论分析方法和运行特性。

由于电机学是电气工程及其自动化专业的技术基础课，也是一门承上启下的核心基础课，是从基础理论、技术理论走向专业课学习和工程应用研究的基础与纽带，课程的特点是理论性强、概念抽象、专业特征明显等。因此，本书力求以“内容新颖、覆盖面宽、讲解详尽、注重理论、兼顾研究”为编写原则，故本书的编写特色如下。

（1）本书保留了传统电机学按直流电机、变压器、异步电机、同步电机四大类论述的体系。简化了传统电机学课程中关于电机与变压器的材料和工艺等方面的内容。注重基本概念、基本理论和基本分析方法的阐述，由浅入深、循序渐进，使学生建立牢固的物理概念，学会用工程观点分析问题和解决问题。

（2）本书主要分析电机与变压器的稳态运行，重点介绍电机与变压器的工作特性和电动机的机械特性的描述和定量分析。为了拓宽知识面，以适应科研和生产的需要，本书还介绍了常用特种电机的基本结构、工作原理及应用。

（3）本书各章节具有相对独立性，选学内容可由教师根据具体情况选定。为了便于学生复习和自学，主要章节中均有例题、章末附有小结、思考题与习题，并附有习题的参考答案，供教学参考。

（4）本书可作为普通高等学校电气工程及其自动化等电气类相关专业的教材。由于在编写过程中考虑到了便于自学的需求，故本书也可作为从事电工技术工作的有关工程技术人员的参考用书。

本书配套的电子课件可免费提供给采用本书作为教材的老师，如有需要，可发邮件至cipedu@163.com索取。

本书由孙克军主编，马丽、朱维璐为副主编。第1章由李文娟编写，第2章由马丽编写，第3章由樊伟编写，第4章由朱维璐编写，第5章由孙克军编写，第6章由孙会琴编写，第7章由徐红编写。

由于编者的经验和学识水平有限，书中难免有不妥之处，恳请广大读者批评指正。

编者

2013年6月

全书共7章，内容包括磁路、直流电机、变压器、交流绕组及其电动势和磁动势、异步电机、同步电机和特种电机等。书中主要介绍了直流电机、变压器、异步电机和同步电机稳态运行的基本理论和基本分析方法，同时还介绍了几种特种电机的工作原理、基本结构与用途，以扩大电机学的知识面。本书在编写时适当简化电磁理论的推导，强调理论知识的应用和实际运行问题的分析。在主要章节中配有微课、习题微课，章末附有小结、思考题与习题，并附有习题的参考答案，以利复习和加强训练。

本书可作为普通高等学校电气工程及其自动化、自动化等相关专业的教材，也可作为从事电工技术工作的有关工程技术人员的参考用书。

全书共7章，内容包括磁路、直流电机、变压器、交流绕组及其电动势和磁动势、异步电机、同步电机和特种电机等。书中主要介绍了直流电机、变压器、异步电机和同步电机稳态运行的基本理论和基本分析方法，同时还介绍了几种特种电机的工作原理、基本结构与用途，以扩大电机学的知识面。本书在编写时适当简化电磁理论的推导，强调理论知识的应用和实际运行问题的分析。在主要章节中配有微课、习题微课，章末附有小结、思考题与习题，并附有习题的参考答案，以利复习和加强训练。

本书可作为普通高等学校电气工程及其自动化、自动化等相关专业的教材，也可作为从事电工技术工作的有关工程技术人员的参考用书。

绪论1

0.1电机在国民经济中的作用1

0.2电机的定义与分类2

0.2.1电机的定义2

0.2.2电机的分类2

0.3电机学课程的性质和学习方法3

0.3.1电机学课程的性质3

0.3.2电机学课程的学习方法3

第1章磁路

1.1磁路的基本知识5

1.1.1磁场5

1.1.2磁路常用物理量6

1.2常用的铁磁材料及其特性8

1.2.1铁磁材料的磁化曲线8

1.2.2铁磁材料的损耗10

1.2.3铁磁材料的分类10

1.3磁路的基本定律11

1.3.1全电流定律11

1.3.2磁路的欧姆定律11

1.3.3磁路的基尔霍夫定律12

1.3.4磁路的基尔霍夫第二定律12

1.3.5电磁感应定律13

1.3.6电磁力定律15

1.4磁路的计算16

1.4.1磁路计算的方法步骤16

1.4.2磁路计算实例17

思考题与习题19

第2章直流电机

2.1直流电机的工作原理和基本结构20

2.1.1直流电机的基本结构20

2.1.2直流发电机的工作原理23

2.1.3直流电动机的工作原理24

2.1.4直流电机的励磁方式25

2.1.5直流电机的特点和用途26

2.1.6直流电机的型号和额定值27

2.2直流电枢绕组28

2.2.1直流电枢绕组常用术语28

2.2.2直流电机电枢绕组的分类30

2.2.3单叠绕组的特点与实例30

2.2.4单波绕组的特点与实例31

2.3空载和负载时直流电机的磁场33

2.3.1空载时直流电机的磁场33

2.3.2负载时直流电机的磁场34

2.3.3交轴电枢反应36

2.3.4直轴电枢反应37

2.4电枢感应电动势和电磁转矩38

2.4.1电枢的感应电动势38

2.4.2直流电机的电磁转矩39

2.5直流发电机40

2.5.1直流发电机的基本方程式40

2.5.2直流发电机的效率特性42

2.5.3他励直流发电机的运行特性43

2.5.4并励直流发电机的自励45

2.5.5并励直流发电机的运行特性46

2.5.6复励直流发电机的外特性46

2.6直流电动机47

2.6.1电机的可逆原理47

2.6.2直流电动机的基本方程式48

2.6.3直流电动机的工作特性50

2.6.4并励直流电动机的机械特性52

2.6.5串励直流电动机的机械特性54

2.6.6复励直流电动机的机械特性55

2.6.7电力拖动系统运行的稳定性56

2.6.8直流电动机的启动57

2.6.9直流电动机的调速59

2.6.10直流电动机的制动61

2.7直流电机的换向64

2.7.1直流电机的换向过程64

2.7.2产生火花的原因65

2.7.3改善换向的措施65

小结68

思考题与习题69

第3章变压器

3.1变压器概述71

3.1.1变压器的用途71

3.1.2变压器的分类71

3.1.3变压器的基本结构72

3.1.4变压器的型号和额定值77

3.2变压器的空载运行79

3.2.1空载运行时的物理现象79

3.2.2变压器中各物理量正方向的规定80

3.2.3变压器空载运行时各物理量之间的关系81

3.2.4变压器空载运行时的电压平衡方程式82

3.2.5变压器的空载电流和励磁电流82

3.2.6变压器空载运行时的等效电路与相量图84

3.3变压器的负载运行84

3.3.1负载运行时的物理过程85

3.3.2磁动势平衡方程式86

3.3.3负载运行时的电压平衡方程式87

3.3.4绕组的折算87

3.3.5绕组折算后变压器的等效电路89

3.3.6绕组折算后变压器的相量图91

3.4变压器的参数测定91

3.4.1空载试验92

3.4.2短路试验93

3.4.3阻抗电压95

3.5变压器的标幺值95

3.5.1基准值的选取与标幺值的计算95

3.5.2采用标幺值的优点96

3.6变压器的运行特性98

3.6.1变压器的外特性98

3.6.2变压器的电压变化率98

3.6.3变压器的效率特性100

3.7三相变压器102

3.7.1三相变压器的磁路系统102

3.7.2三相变压器的电路系统103

3.7.3三相变压器的联结方法和磁路系统对电动势波形的影响109

3.8变压器的并联运行111

3.8.1变压器并联运行的优点111

3.8.2变压器并联运行的条件112

3.8.3变比不等时变压器的并联运行112

3.8.4联结组别不同时变压器的并联运行113

3.8.5短路阻抗不等时变压器的并联运行113

3.9特殊变压器115

3.9.1三绕组变压器115

3.9.2自耦变压器118

3.9.3仪用互感器120

小结122

思考题与习题123

第4章交流绕组及其电动势和磁动势

4.1交流电机的基本工作原理126

4.1.1同步电机的基本工作原理126

4.1.2异步电机的基本工作原理127

4.2交流绕组的基本要求和分类127

4.3三相双层绕组128

4.3.1槽电动势星形图128

4.3.2三相双层叠绕组129

4.3.3三相双层波绕组132

4.4三相单层绕组134

4.4.1三相单层同心式绕组134

4.4.2三相单层链式绕组135

4.4.3三相单层交叉式绕组136

4.5正弦磁场下交流绕组的感应电动势137

4.5.1导体的感应电动势137

4.5.2整距线圈的感应电动势138

4.5.3短距线圈的感应电动势和短矩系数139

4.5.4分布绕组的感应电动势、分布系数和绕组系数139

4.5.5相电动势和线电动势141

4.6感应电动势中的高次谐波142

4.6.1高次谐波电动势142

4.6.2削弱谐波电动势的方法143

4.7通有正弦电流时单相绕组的磁动势145

4.7.1整距线圈的磁动势145

4.7.2整距分布绕组的磁动势146

4.7.3短距分布绕组的磁动势147

4.7.4单相绕组的基波磁动势和脉振磁动势148

4.7.5单相绕组的谐波磁动势148

4.8通有对称三相电流时三相绕组的磁动势149

4.8.1三相绕组的基波合成磁动势149

4.8.2三相合成磁动势中的高次谐波152

小结152

思考题与习题153

第5章异步电机

5.1异步电机的结构和运行状态155

5.1.1异步电机的基本结构155

5.1.2三相异步电机的工作原理158

5.1.3异步电机的运行状态159

5.1.4异步电动机的型号和额定值161

5.2三相异步电动机的基本方程、等效电路和相量图163

5.2.1转子绕组开路时的异步电动机163

5.2.2转子堵转时的异步电动机166

5.2.3转子旋转时的异步电动机170

5.3笼型转子的极数和相数176

5.3.1笼型转子的极数176

5.3.2笼型转子的相数和绕组因数177

5.4异步电动机的功率方程和转矩方程178

5.4.1异步电动机的功率方程178

5.4.2异步电动机的转矩方程180

5.4.3异步电动机的电磁转矩180

5.4.4电磁转矩的物理表达式180

5.5感应电动机参数的测定181

5.5.1空载试验181

5.5.2短路试验182

5.6异步电动机的转矩-转差率曲线183

5.6.1异步电动机电磁转矩的参数表达式183

5.6.2异步电动机的转矩-转差率曲线184

5.6.3异步电动机的机械特性186

5.7异步电动机的工作特性188

5.7.1工作特性的分析189

5.7.2工作特性的求取190

5.8三相异步电动机的启动191

5.8.1笼型三相异步电动机的直接启动191

5.8.2笼型三相异步电动机的降压启动192

5.8.3绕线转子三相异步电动机的启动195

5.8.4改善启动性能的笼型三相异步电动机196

5.9三相异步电动机的调速198

5.9.1异步电动机的变极调速199

5.9.2异步电动机的变频调速200

5.9.3异步电动机的调压调速202

5.9.4绕线转子异步电动机的调速203

5.10三相异步电动机的制动205

5.10.1异步电动机的能耗制动205

5.10.2异步电动机的反接制动206

5.10.3异步电动机的回馈制动208

5.11单相异步电动机209

5.11.1单相异步电动机的基本结构209

5.11.2单相异步电动机的工作原理210

5.11.3单相异步电动机的分类与特点211

5.11.4单相异步电动机的型号211

5.11.5单相异步电动机的机械特性214

5.11.6罩极式单相异步电动机的启动215

5.11.7单相异步电动机的调速216

5.12异步发电机217

5.12.1与电网并联运行的三相异步发电机217

5.12.2单独运行的异步发电机218

小结219

思考题与习题221

第6章同步电机

6.1同步电机的基本结构和运行状态224

6.1.1概述224

6.1.2同步电机的分类225

6.1.3同步电机的工作原理225

6.1.4隐极同步电机的基本结构226

6.1.5凸极同步电机的基本结构228

6.1.6同步电机的运行状态230

6.1.7同步电机的励磁方式231

6.1.8同步电机的额定值232

6.2空载和负载时同步发电机的磁场233

6.2.1空载时同步发电机的磁场233

6.2.2同步发电机的电枢反应234

6.3隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路237

6.3.1不考虑饱和时的电压方程、相量图和等效电路237

6.3.2考虑饱和时的电压方程和相量图240

6.4凸极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路241

6.4.1双反应理论241

6.4.2不考虑饱和时的电压方程、相量图和等效电路242

6.4.3考虑饱和时的电压方程和相量图245

6.5同步发电机的功率方程和转矩方程246

6.5.1同步发电机的功率方程246

6.5.2同步发电机的电磁功率247

6.5.3同步发电机的转矩方程247

6.6同步发电机的运行特性及参数的测定247

6.6.1用空载特性、短路特性求取同步电抗的不饱和值和短路比248

6.6.2用转差法测定同步电抗250

6.6.3零功率因数负载特性及漏电抗的求取251

6.6.4同步发电机的外特性253

6.6.5同步电机的调整特性和效率特性254

6.6.6用电动势-磁动势图求取额定励磁电流和电压调整率255

6.7同步发电机与电网的并联运行256

6.7.1并联运行的条件和方法257

6.7.2与电网并联时同步发电机的功角特性259