电机及拖动基础（刘景林）（第二版）

电能是现代能源的主要形式，易于转换、传输、分配和控制。电能的产生是由发电机完成的，发电机把从原动机输入的机械能转换为电能。而电能的生产集中在距离城市较远的发电厂进行，然后进行输送。为了减少长途输电过程中的电能损失，均采用高电压输电，到达目的地后再降压供给用户使用。电压的升高和降低都是由变压器完成的。电能转换为机械能主要由电动机完成，电动机拖动生产机械运转称为电力拖动。在现代生产中绝大多数生产机械都采用电力拖动，各种生产机械包括： 各类机床、轧钢机械、矿山机械、纺织机械、印刷机械、造纸机械、化工机械、石化机械、起重机械、电力机车、风机、水泵、电动工具和家用电器等。在电力拖动中，大量应用各种类型的电动机。电机及电力拖动在国民经济和国防建设中起着至关重要的作用，比如：“和谐号” 和“复兴号” 动车组列车采用了大功率交流电机传动系统作为列车动力； 我国自主研制的北斗导航卫星、各种通信卫星和玉兔号月球车等航天器都装备着多种电动机驱动系统，实现天线展开、伺服跟踪和太阳能帆板展开、对日定向等功能。 
为适应高等院校电气类专业人才培养目标，本教材将“电机学” 及“电力拖动” 两门课程的主要内容系统地、有机地融为一体，以满足教学改革、科技进步和人才培养的需要。 
本教材包含了上述两门课程的主要内容，兼顾了不同专业和不同深度的教学要求，可根据不同的教学内容选用。 
“电机及拖动基础” 是电气类专业重要的核心专业课程，也是后续其他专业课程的基础。 
本书第二版保留了版的架构及主要内容，并根据科技发展、教学改革和人才培养的需要，对主要章节内容进行了一定的充实和修订。 
本教材具有以下特点： 
（1） 教材总体结构上体现了本领域知识的系统性和完整性。 
（2） 教材力图反映本领域的科技成果，书中对近年来不断发展的现代交流电机调速技术进行了较为详尽的分析介绍。 
（3） 随着智能系统的不断发展和应用，微特电机发挥着越来越重要的作用，应用也越来越广泛。书中对各种各样的微特电机进行了较为系统的分析和介绍。 
（4） 教材除了对电动机的相关内容进行系统的阐述之外，对发电机相关内容也有所加强，以拓宽知识的广度和适应性。 
（5） 教材用简练和通俗易懂的语言对基本概念和原理进行讲解和阐述，并借助丰富的图形辅助理解，力求言简意赅，深入浅出，富有启发性。 
（6） 为了有助于对内容的理解、掌握和复习，书中提供了较多的典型例题，每一章都对主要内容进行了小结，并给出了丰富的思考题和习题。 
本书内容共有十二章，分别是： 章绪论，第二章电力拖动系统动力学，第三章直流电机，第四章直流电动机的启动调速及四象限运行，第五章变压器，第六章交流电机电枢绕组的电动势与磁动势，第七章异步电动机，第八章异步电动机的各种运行方式分析，第九章同步电机，第十章现代交流电机调速技术，第十一章微特电机，第十二章电动机的选择。 
本书相关电子教案可免费提供给采用本书作为教材的院校和读者使用，如有需要请登录教学资源网www.cipedu.com.cn，注册后下载使用。 
本书版由刘景林、罗玲、付朝阳三位老师编写。第二版由刘景林、付朝阳、鲁家栋和公超四位老师编写。具体分工为： 章和第二章由公超老师编写，第三章、第四章、第九章、第十章、第十一章和第十二章由刘景林老师编写，第五章和第六章由鲁家栋老师编写，第七章和第八章由付朝阳老师编写。本书由刘景林负责全书的规划及统稿工作。 
本书的出版得到了化学工业出版社、西北工业大学教务处的大力支持，在此表示衷心的感谢。 
由于作者水平有限，书中难免存在疏漏之处，请读者批评指正。 

作者 
2022年6月于西北工业大学 

本书主要内容包括：电力拖动系统动力学，直流电机，直流电动机的启动调速及四象限运行，变压器，交流电机电枢绕组电动势与磁动势，异步电动机，异步电动机的各种运行方式分析，同步电机，现代交流电机调速技术，微特电机，电动机的选择等。本书适合普通高等学校的电气工程及其自动化、自动化、机器人工程、车辆工程、机械工程等专业作为教材使用，也可供有关科技人员参考。

本书主要内容包括：电力拖动系统动力学，直流电机，直流电动机的启动调速及四象限运行，变压器，交流电机电枢绕组电动势与磁动势，异步电动机，异步电动机的各种运行方式分析，同步电机，现代交流电机调速技术，微特电机，电动机的选择等。本书适合普通高等学校的电气工程及其自动化、自动化、机器人工程、车辆工程、机械工程等专业作为教材使用，也可供有关科技人员参考。

章　绪论 
节　基本电磁定律 　 001 
一、全电流定律（安培环路定律）   001 
二、电磁感应定律 　 001 
三、电磁力定律 　 003 
第二节　铁磁材料特性 　 003 
一、铁磁材料的磁导率 　 003 
二、磁滞现象 　 004 
第三节　磁路基本定律及计算方法 　 005 
一、磁路基本定律 　 006 
二、磁路计算 　 008 
三、永磁体磁路计算 　 008 
小结 　 010 
思考题 　 011 

第二章　电力拖动系统动力学 
节　单轴电力拖动系统 　 012 
第二节　多轴电力拖动系统 　 013 
一、转动系统转矩与飞轮矩的折算   013 
二、平移运动系统转矩与飞轮矩的折算 　 015 
三、升降系统转矩与飞轮矩的折算   016 
第三节　电力拖动系统稳定运行的条件   018 
小结 　 020 
思考题 　 020 
习题 　 020 

第三章　直流电机 
节　直流电机的基本工作原理 　 022 
一、直流电机的特点 　 022 
二、基本工作原理 　 022 
三、主要结构 　 023 
四、直流电机的额定值 　 025 
第二节　直流电机的电枢绕组 　 027 
一、绕组的基本特点 　 027 
二、单叠绕组 　 028 
三、单波绕组 　 031 
第三节　直流电机的空载磁场 　 033 
一、直流电机的励磁方式 　 033 
二、直流电机的磁场 　 034 
第四节　直流电机的电枢磁场 　 036 
一、电刷位于几何中性线上 　 036 
二、电刷偏离几何中性线 　 038 
三、电枢反应 　 039 
第五节　电枢电动势与电磁转矩 　 040 
一、电枢电动势 　 040 
二、电磁转矩 　 041 
三、电动势常数与转矩常数的关系 　 042 
第六节　直流发电机工作原理 　 043 
一、基本方程 　 043 
二、功率平衡关系 　 043 
三、他励直流发电机的运行特性 　 045 
四、并励直流发电机 　 046 
第七节　直流电动机工作原理 　 047 
一、电机的可逆原理 　 047 
二、直流电动机的基本方程 　 048 
三、直流电动机的功率平衡关系 　 049 
四、直流电动机的工作特性 　 050 
第八节　直流电动机的机械特性 　 050 
一、机械特性的表达式 　 050 
二、固有机械特性 　 051 
三、人为机械特性 　 052 
第九节　串励和复励直流电动机 　 054 
一、串励直流电动机 　 054 
二、复励直流电动机 　 055 
第十节　直流电机的换向 　 055 
一、换向过程 　 055 
二、经典换向理论简介 　 056 
三、改善换向的措施 　 058 
小结 　 059 
思考题 　 059 
习题 　 061 

第四章　直流电动机的启动调速及四象限运行 
节　直流电动机的启动 　 063 
一、电枢回路串电阻启动 　 063 
二、降电压启动 　 063 
第二节　直流电动机的调速 　 064 
一、直流电动机的调速方法 　 064 
二、调速的性能指标 　 067 
三、调速方式 　 069 
第三节　直流电动机的四象限运行 　 072 
一、电动运行 　 072 
二、制动运行 　 072 
三、回馈制动运行 　 074 
第四节　电力拖动系统的过渡过程 　 076 
一、他励直流电动机过渡过程分析 　 076 
二、过渡过程时间 　 077 
三、机电时间常数 　 078 
四、考虑电感时的启动过渡过程 　 079 
小结 　 080 
思考题 　 081 
习题 　 082 

第五章　变压器 
节　概述 　 085 
一、变压器的分类 　 085 
二、变压器的工作原理 　 085 
三、变压器的基本结构 　 086 
四、变压器型号和额定数据 　 088 
第二节　变压器的空载运行 　 088 
一、空载运行时的磁通、感应电动势 　 089 
二、电压平衡方程式 　 090 
三、空载电流 　 090 
四、空载运行相量图 　 091 
五、空载运行时的等效电路 　 091 
第三节　变压器的负载运行 　 092 
一、磁动势平衡方程式 　 093 
二、电压平衡方程式 　 093 
三、折合算法 　 094 
四、等效电路 　 096 
五、相量图 　 097 
第四节　标幺值 　 099 
第五节　变压器参数的测定 　 100 
一、变压器的空载试验 　 100 
二、变压器的短路试验 　 101 
第六节　变压器的运行特性 　 104 
一、电压调整率 　 104 
二、变压器的效率 　 105 
第七节　三相变压器 　 107 
一、三相变压器的磁路结构 　 107 
二、变压器的联结组别 　 108 
三、三相变压器的空载电动势波形 　 112 
第八节　变压器的并联运行 　 114 
一、并联运行的理想情况和条件 　 114 
二、变比不等时的并联运行 　 115 
三、短路阻抗标幺值不等的并联运行 　 115 
四、联结组别不等的并联运行 　 116 
第九节　其他常用的变压器 　 117 
一、自耦变压器 　 117 
二、三绕组变压器 　 119 
三、仪用互感器 　 120 
小结 　 122 
思考题 　 122 
习题 　 123 

第六章　交流电机电枢绕组的电动势与磁动势 
节　交流电机电枢绕组电动势 　 127 
一、导体电动势 　 127 
二、整距线圈电动势 　 130 
三、短距线圈电动势 　 130 
四、分布线圈电动势 　 132 
第二节　交流电机电枢绕组 　 133 
一、三相单层绕组 　 134 
二、三相双层绕组 　 136 
三、绕组的谐波电动势 　 138 
第三节　单相绕组产生的磁动势 　 141 
一、整距线圈的磁动势 　 141 
二、短距线圈的磁动势 　 144 
三、分布线圈组产生的磁动势 　 146 
四、单相绕组磁动势 　 146 
第四节　交流电机电枢绕组产生的磁动势 　 147 
一、基波磁动势 　 147 
二、谐波磁动势 　 148 
小结 　 152 
思考题 　 152 
习题 　 153 

第七章　异步电动机 
节　异步电动机结构与工作原理 　 155 
一、异步电动机主要用途与分类 　 155 
二、三相异步电动机的结构 　 155 
三、异步电动机的额定值 　 158 
四、异步电动机的工作原理 　 158 
第二节　转子绕组开路的三相异步电动机 　 159 
一、磁动势及主磁通 　 159 
二、感应电动势 　 160 
三、励磁电流 　 160 
四、电压方程式 　 160 
五、等效电路 　 161 
第三节　转子堵转的三相异步电动机 　 161 
一、磁动势与磁通 　 162 
二、电压方程式 　 163 
三、转子绕组的折合 　 164 
四、基本方程式、等效电路和相量图 　 165 
第四节　转子旋转的三相异步电动机 　 166 
一、转差率 　 166 
二、转子电动势 　 167 
三、定、转子磁动势 　 167 
四、转子绕组频率折合 　 169 
五、基本方程式、等效电路和相量图 　 171 
六、笼型转子 　 171 
第五节　三相异步电动机的功率与转矩 　 172 
一、功率关系 　 172 
二、转矩关系 　 173 
三、异步电动机的电磁转矩 　 174 
第六节　三相异步电动机的机械特性 　 174 
一、固有机械特性 　 175 
二、人为机械特性 　 177 
三、机械特性的实用公式 　 179 
第七节　三相异步电动机的工作特性 　 180 
一、转速特性n=f（P2） 　 180 
二、定子电流特性I1=f（P2） 　 181 
三、功率因数特性cosφ1=f（P2） 　 181 
四、电磁转矩特性T=f（P2） 　 181 
五、效率特性 η=f（P2） 　 181 
第八节　三相异步电动机参数的测定 　 181 
一、空载试验 　 182 
二、短路试验 　 183 
小结 　 183 
思考题 　 184 
习题 　 185 

第八章　异步电动机的各种运行方式分析 
节　三相异步电动机的启动 　 189 
一、三相异步电动机的直接启动 　 189 
二、三相异步电动机降压启动 　 190 
第二节　高启动转矩的三相笼型异步电动机 　 194 
一、高转差笼型异步电动机 　 194 
二、深槽式笼型异步电动机 　 195 
三、双笼型异步电动机 　 195 
第三节　绕线式异步电动机的启动 　 196 
第四节　三相异步电动机的制动 　 198 
一、反接制动 　 198 
二、能耗制动 　 199 
三、回馈制动 　 200 
第五节　三相异步电动机的调速 　 203 
一、变极调速 　 203 
二、变频调速 　 206 
三、转子回路串电阻调速 　 208 
四、降低定子端电压调速 　 209 
小结 　 211 
思考题 　 212 
习题 　 213 

第九章　同步电机 
节　概述 　 217 
一、结构形式 　 217 
二、同步电机的额定值 　 218 
第二节　同步电机的双反应原理 　 218 
一、同步电机的磁动势 　 218 
二、凸极同步电机的双反应原理 　 219 
第三节　同步电动机电压平衡方程式及相量图 　 220 
一、凸极同步电动机 　 221 
二、隐极同步电动机 　 222 
第四节　同步电动机的功角特性 　 223 
一、功率和转矩平衡方程式 　 223 
二、功角特性 　 223 
三、矩角特性 　 224 
四、稳定运行区间 　 224 
第五节　同步电动机的无功功率调节 　 226 
一、无功功率调节 　 226 
二、 V形曲线 　 227 
第六节　同步电动机的启动 　 227 
第七节　同步发电机空载运行 　 228 
一、同步电机的可逆原理 　 228 
二、同步发电机的空载运行 　 229 
第八节　隐极同步发电机负载运行 　 230 
一、不考虑磁路饱和 　 230 
二、考虑磁路饱和 　 231 
第九节　凸极同步发电机负载运行 　 232 
一、不考虑磁路饱和 　 232 
二、考虑磁路饱和 　 233 
第十节　同步发电机的功率和转矩 　 234 
一、功率和转矩平衡方程 　 234 
二、功角特性 　 234 
第十一节　同步发电机的运行特性 　 236 
一、运行特性 　 236 
二、运用特性曲线进行参数计算 　 239 
第十二节　同步发电机的并联运行 　 242 
一、并联运行的条件 　 242 
二、投入并联的方法 　 243 
第十三节　同步发电机并联运行时的功率调节 　 244 
一、有功功率的调节 　 245 
二、静态稳定性 　 245 
三、无功功率调节与V形曲线 　 246 
小结 　 247 
思考题 　 248 
习题 　 249 

第十章　现代交流电机调速技术节　矢量控制技术 　 253 
一、坐标变换 　 253 
二、三相异步电动机在两相坐标系上的数学模型 　 256 
三、三相异步电动机在两相坐标系上的状态方程 　 259 
四、基于转子磁链定向的矢量控制系统 　 260 
第二节　直接转矩控制 　 266 
一、电机数学模型 　 266 
二、空间电压矢量法 　 267 
三、电动机转矩的调节 　 269 
四、磁链自控制 　 271 
五、磁链观测模型 　 272 
六、磁链闭环 　 273 
七、电压状态选择 　 274 
八、多电压空间矢量组合 　 275 
九、正弦波无刷电机的直接转矩控制 　 276 
第三节　绕线式异步电动机双馈调速及串级调速 　 277 
一、双馈调速原理 　 277 
二、双馈调速运行方式分析 　 279 
三、异步电动机双馈调速系统的组成 　 282 
四、串级调速原理 　 282 
小结 　 283 
思考题 　 283 
习题 　 284 

第十一章　微特电机 
节　伺服电动机 　 285 
一、直流伺服电动机 　 285 
二、交流伺服电动机 　 287 
第二节　力矩电动机 　 289 
一、结构特点 　 289 
二、结构与性能之间的关系 　 289 
三、性能特点 　 291 
第三节　直流测速发电机 　 291 
一、输出特性 　 291 
二、误差分析 　 292 
第四节　交流异步测速发电机 　 293 
一、结构 　 293 
二、工作原理 　 293 
第五节　自整角机 　 294 
一、控制式自整角机 　 295 
二、力矩式自整角机 　 298 
第六节　旋转变压器 　 299 
一、正余弦旋转变压器 　 299 
二、线性旋转变压器 　 302 
三、比例式旋转变压器 　 303 
第七节　无刷直流电动机 　 303 
一、工作原理 　 303 
二、性能 　 305 
三、电枢反应 　 306 
四、正反转的实现 　 306 
五、运行特性 　 308 
六、方波电机与正弦波电机比较 　 310 
第八节　步进电动机 　 311 
一、反应式步进电动机工作原理 　 311 
二、主要性能指标 　 312 
三、矩角特性和静态转矩 　 313 
四、其他类型的步进电动机 　 316 
第九节　小功率同步电动机 　 317 
一、永磁式同步电动机 　 317 
二、磁阻式同步电动机 　 318 
三、磁滞式同步电动机 　 320 
第十节　单相异步电动机 　 321 
一、工作原理 　 322 
二、单相电容启动异步电动机 　 323 
三、单相电阻启动异步电动机 　 324 
四、单相电容运转异步电动机 　 324 
五、单相电容启动与运转异步电动机 　 325 
六、单相罩极式异步电动机 　 325 
小结 　 326 
思考题 　 327 
习题 　 328 

第十二章　电动机的选择 
节　电动机的发热与绝缘材料 　 329 
一、电动机的发热 　 329 
二、电机的绝缘材料和允许温升 　 330 
第二节　电动机的工作制与额定功率 　 331 
一、电动机的工作制 　 331 
二、连续工作制下电动机的额定功率 　 332 
三、短时工作制下电动机的额定功率 　 332 
四、断续周期工作制下电动机的额定功率 　 333 
第三节　电动机额定功率的选择 　 333 
一、电动机额定功率选择的步骤 　 333 
二、负载功率计算 　 334 
三、常值负载时电动机额定功率的选择 　 334 <