指导大纲和自学指导书学时数64适用专业电

1、电机学（I）自学指导大纲和自学指导书学时数：64 适用专业：电气工程及其自动化学分数：4 执笔人： 武惠芳 编写日期：2003年5月一、课程的性质和任务课程性质：电机学（I）是电气工程及其自动化专业的技术基础课，是必修课。主要任务：学生通过学习该课程，应掌握变压器、交流异步电动机和同步电机的基本知识、基本理论、基本计算方法和一般运行分析问题，为学习电机学（II）、控制电机、自动控制系统、变频调速、电传动控制系统、电力系统分析、电力系统继电保护和电力系统自动化等课程准备必要的基础知识。二、本课程的基本要求首先要清楚机械实物的具体结构(Construction)；其次要弄清电机内主要电物理量和磁物

2、理量的特性及相互关系，并能用方程式(Equation)、等效电路(Equivalent Circuit)和向量图(Phasor Diagram)这三种主要方式表示之；最后要能运用这些特性和关系结合具体条件对电机的运行进行初步的分析（Analysis）。这就是本课程的主要任务或总的要求三、课程教学内容、要求和自学指导绪论 绪论是学习一门课程的重要环节。通过绪论的学习，首先要了解课程的主要内容和电机在国民经济各行各业中的作用，明确电机学课程在电气工程及其自动化专业中的地位，从而明确学习目的；其次要了解本课程的性质、任务、特点和电机理论的一般分析方法，克服畏难思想，转变学习方法；最后要对电机常用的电

3、磁定律进行复习，并要求学生熟练掌握。 重点：本课程的性质、任务、特点和一般分析方法难点：常用的电磁定律在电机中的应用主要内容：1、课程简介本课程的内容、特点、一般分析方法（学习方法）、考核方法、参考书和任课教师；2、绪论电机的分类、发展概况、应用和本课程的性质及任务；3、常用的基本电磁定律。学习要求：1、了解本课程的内容和考核方法；2、了解电机的分类和在国民经济各行各业中的应用，明确电机学课程在电气工程及其自动化专业中的地位；3、掌握本课程的性质、任务、特点和一般分析方法（学习方法）；4、掌握常用的基本电磁定律，特别是磁路欧姆定律和磁化曲线自学指导：1、本课程的内容变压器、交流绕组及其电动势和

4、磁动势、感应电机和同步电机2、本课程的特点：（1）研究的对象是实物，是一个电的、磁的、机械的综合体，与工程实践联系非常紧密；（2）课程前后的连贯性强；（3）课程以定性分析为主，概念多，理论性强；（4）时空观强。3、本课程的一般分析方法和学习方法本课程的一般分析方法：首先介绍电机的基本知识（包括基本工作原理简介和基本结构），其次通过电机内的电磁物理过程分析找出各物理量的关系、并用方程式(Equation)、等效电路(Equivalent Circuit)和向量图(Phasor Diagram)这三种主要方式表示之，最后利用等效电路对电机的运行进行初步分析。本课程的学习方法：（1）首先要熟悉电机的

5、基本工作原理年、清楚机械实物的具体结构(Construction)，其次要掌握电机内主要电物理量和磁物理量的特性及相互关系，并能用方程式(Equation)、等效电路(Equivalent Circuit)和向量图(Phasor Diagram)这三种主要方式表示之，最后要能运用这些特性和关系结合具体条件对电机的运行进行初步的分析（Analysis）；这就是本课程的主要任务或总的要求（2）在学习过程中要善于比较各类电机找出其共同处和不同点，以便更好地掌握各类电机的特点；（3）要注意课后的及时复习和钻研教材，重点掌握电机中各主要物理量和参数的名称、符号、物理意义及相互关系。4、电机的分类（1）一

6、般分类： 变压器 电机 直流电机 旋转电机 同步电机 交流电机异步电机（2）按功能分：发电机(Generators)将机械能转换为电能；电动机(Motors)将电能转换为机械能；微型控制电机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；变压器、变流机、变频机、移相器将一种形式的电能转化为另一种形式的电能其共同的特点是： 根据电磁感应定律和电磁力定律进行能量转换5、本课程的性质专业基础课是架于工科大学公共基础课和专业技术课之间的一座桥梁。6、常用的基本电磁定律：（1）磁物理量：磁感应强度、磁通、磁场强度、磁动势（重点）和磁阻（磁导）（2）基本电磁定律：磁路欧姆定律和磁化曲线、

7、电磁感应定律（两种表达形式）、电磁力定律。作业及思考题：教材P20 1-1、1-2、1-3、1-4第一部分 变压器（略）第二部分 交流电机的绕组及其电势与磁势 交流电机的绕组及其电势与磁势是交流电机的公共理论部分。通过本章学习，首先要掌握交流电机的基本工作原理和特点，其次了解交流绕组的术语，认识展开图，懂得三相绕组空间对称的道理，掌握相电势有效值公式，知道其中各物理量的物理意义，了解消除、削弱电势高次谐波的方法；最后要掌握单相磁势和三相磁势的性质和特点，了解时、空相量和时空相量图。 重点：交流电机的基本工作原理、相电势公式和三相旋转磁势的特点 难点：三相旋转磁势的特点关键：空间相量的分析主要内

8、容：1、交流电机的工作原理同步发电机的发电原理和感应电动机的转动原理2、交流绕组的构成原则和分类；3、三相双层迭绕组；4、交流绕组的感应电动势；5、单相交流绕组的磁动势；6、三相交流绕组的磁动势。学习要求：1、 掌握交流电机的基本工作原理和特点；2、 了解交流绕组的术语，认识展开图，懂得三相绕组空间对称的道理；3、掌握相电势有效值的公式，知道其中各物理量的物理意义，了解消除、削弱电势高次谐波的方法；4、掌握单相磁势和三相磁势的性质和特点；5、知道时空相量图。自学指导：1、 同步发电机的发电原理：（1）基本组成：定子定子铁心，定子绕组（又称电枢绕组，是交流绕组）转子转子铁心，转子绕组（又称励磁绕

9、组，是直流绕组）（2）发电原理：转子绕组中通入直流励磁电流，产生恒定磁场；原动机拖动转子旋转，形成机械旋转磁场；定子绕组切割该磁场感应电势。若定子三相绕组沿定子铁心内圆对称分布，则感应三相对称的电势；感应电势的相序由转子转动方向和定子三相绕组沿定子铁心内圆分布决定；感应电势的波形与磁场沿空间的分布的波形有关；感应电势的大小交流绕组的电势。特点：感应电势的频率与转子磁场的极对数p和转速n有恒定关系，即。2、 感应电动机的转动原理：（1）基本组成：定子定子铁心，定子绕组（又称一次绕组，是交流绕组）转子转子铁心，转子绕组（又称二次绕组，是闭合绕组，也是交流绕组）（2）转动原理：当在感应电动机三相对称

10、的定子绕组上外加三相对称的电压时，则在绕组中流过三相对称的电流，三相电流联合产生一个旋转磁场；则自成闭合回路的转子绕组切割定子旋转磁场产生感应电势和感应电流；该电流又在定子磁场中受力产生电磁力并形成电磁转矩，则转子就转动起来了。转子转动方向与旋转磁场旋转方向一致。特点：转子绕组是闭合绕组，转子转速低于旋转磁场的转速。3、交流绕组的构成原则三相对称 电动势和磁动势最大 正弦波（1）三相绕组对称，即每相绕组结构相同，阻抗相等，在空间相距120电角度，以获得对称的三相感应电动；（2）在导体数一定的情况下，力求产生较大的电动势和磁动势；（3）绕组的电动势和磁动势尽可能接近正弦波。4、交流绕组的分类：同

11、心式 单层 交叉式 链式； 双层 迭绕组 波绕组5、交流绕组的基本术语：（1）机械角度与电角度：机械角度一圆周360度； 电角度一对磁极占有的空间角度是360度电角度 关系： 电角度 = p * 机械角度 （ p为极对数）（2）极距：沿定子内圆每个磁极所占有的距离。 （Z为定子总槽数）（3）线圈与节距y1：线圈：由一匝或多匝导线串联而成，有两个引出线，一个称首端，一个为尾端。节距y1：线圈两个有效边沿定子内圆的距离。分为：整距（y1 = ）、短距（y1 ）（4）槽距角：相邻两槽之间的电角度 （电角度）（5）每极每相槽数q：每相绕组在每一磁极下所占有的槽数。 分为：整数槽和分数槽（6）相带和极相

12、组（线圈组）：每一极下，每相绕组所占有的电角度（q=60）60度分相法 极相组：由每一极下属于同一相的q个线圈相串联构成。（7）槽电势星形图：反映定子各槽内导体的感应电势相位关系的矢量星形图。（定子槽内导体感应电势在时间相位上互差电角度。）6、交流绕组的相电势公式： 其中：N为一相一条支路的串联匝数；为基波的绕组因数；为基波的磁通； 为基波的节距因数，；为基波的分布因数，。7、谐波电势的削弱方法：（1） 因感应电势的波形与磁场的分布有关，首先使磁场分布接近正弦波；（2）三相采用Y接，消除线电势中3次及其倍数谐波；（3）采用短距，使谐波的节距因数接近于零；（4）采用分布，使谐波的分布因数减小。8

13、、单相磁动势的性质和特点：*性质：单相脉动磁势*特点：（1）单相绕组中流过交流电流建立脉动磁势；它既是时间函数，又是空间函数；它在空间上按余弦规律分布，各点大小又按余弦规律变化。（2）单相脉动基波磁势最大幅值：；幅值位置在相绕组的轴线上；其脉动频率为电流的频率。（3）分布和短距对磁势幅值起削弱作用。由于各对极下磁势只作用在各自的磁路上，故每对极下某相线圈组的磁势也就是相磁势。9、三相合成磁势的性质和特点：三相对称的电流流过三相对称的绕组所建立的合成磁势的基波是一个幅值不变的旋转磁势，其特点为：（1）三相基波合成磁动势的幅值等于单相基波磁动势最大幅值的3/2倍；（2）三相基波合成磁动势的幅值位置

14、总是与电流达最大值的那一相绕组的轴线重合；（3）三相基波合成磁动势的转向取决于电流的相序，即总是从超前电流相转向滞后电流相；（4）三相基波合成磁动势的转速为同步转速：10、时空向量图：为了便于分析，将时间向量和空间向量画在同一向量图中。当取时间向量的参考轴与空间向量的参考轴重合，若选在A相绕组的相轴上，则A相电流和三相合成磁势始终重合。作业及思考题：教材P129 4-8、4-13、4-17、4-19、4-20、4-21、4-27和4-29第三部分 感应电动机第一章 感应电机的结构和运行状态本章是对感应电动机的初步认识。通过本章学习，首先要掌握感应电动机转差率的概念，并会计算转差率；其次要熟悉感

15、应电动机的结构部件和铭牌参数。 重点：感应电动机转差率的概念 难点：转差率计算关键：明确额定转速和同步速接近主要内容：1、 感应电动机的结构；2、 感应电动机的转差率和运行状态；3、 感应电动机的铭牌；4、 鼠笼式转子绕组的分析。学习要求：1、 熟悉感应电动机主要结构部件的名称、作用及材料；2、 掌握感应电动机转差率的概念，并会计算；3、 熟悉感应电动机额定值的含义和它们之间的关系；4、 知道鼠笼式转子绕组的极数、相数、绕组匝数和绕组系数。自学指导：1、 转差率：同步转速与转子转速n之差与同步转速的比值，即。计算特点：感应电动机的运行转速与同步速很接近。2、 运行状态与转速、转差率的取值：（1

16、）电动状态：0ns0（2）发电状态：ns s（3）电磁制动状态：n13、 鼠笼式转子绕组的极数与定子绕组相同；鼠笼式转子绕组的相数：；鼠笼式转子绕组的匝数：；鼠笼式转子绕组的因数：。作业及思考题：教材P177 5-1、5-2第二章 三相感应电动机的基本原理 本章是感应电动机的重点内容。通过本章分析，将感应电动机这个具体实物抽象为模型。本章分析可运用变压器的理论。通过本章学习，首先要掌握感应电动机运行时内部的电磁关系，定、转子间的磁势平衡关系，转子频率特点以及基本方程式；其次要熟练掌握转矩特性、最大转矩及起动转矩的性质；最后能理解感应电动机工作特性。 重点：转矩特性 难点：频率折算关键：运用“等

17、效”的原则主要内容：1、空载运行时的磁动势和磁场；2、负载运行时的磁动势和磁场；3、三相感应电动机的电压方程和等效电路；4、 感应电动机的功率方程和转矩方程；5、感应电动机的参数测定；6、感应电动机的转矩转差率曲线；7、感应电动机的工作特性学习要求：1、 能对比变压器来分析感应电动机的电磁物理过程；2、 掌握感应电动机负载运行时转子各物理量与转差率的关系；3、 能理解定、转子磁势空间相对静止、彼此同步的道理；4、 能画出感应电动机的等效电路，并说明各参数的名称、符号和物理意义；5、 熟悉感应电动机的功率方程和转矩方程；6、 熟练掌握感应电动机的电磁转矩的公式和转矩转差率特性；7、 了解感应电动

18、机的工作特性。自学指导：1、 重要结论：无论转子实际转速为多少，转子磁动势和定子磁动势在空间始终保持相对静止。2、 转子转动时，转子感应电势的频率为：；转子感应电势的的大小为：其中：转子绕组的漏抗为： 其中：3、 等效电路：见教材P142 图5-18等效电路参数的名称和物理意义： 定子绕组的电阻； 定子绕组的漏抗，三相定子电流联合产生的漏磁场在一相电路中引起的电抗； 折算到定子侧转子绕组的电阻；折算到定子侧转子绕组的漏抗，转子多相电流联合产生的漏磁场在一相电路中引起的电抗；激磁电阻，代表铁损的等效电阻；激磁电抗，与主磁通对应的电抗；折算定子侧转子侧的负载模拟电阻，模拟轴上总的机械功率输出。4、

19、 电磁转矩公式：（1） 常用于定性分析，如启动转矩分析；（2） 常用于电磁转矩转差率特性分析，见教材P152 图5-29最大转矩：大小与电源电压的平方成正比，与转子电阻值无关；但临界转差率随转子电阻的增大而增大。转子电阻变化时的电磁转矩转差率特性曲线见教材P153 图5-30。机械特性：见教材P153 图5-31（3） 电磁转矩的实用计算公式。作业及思考题：教材P177 5-3、5-4；P178 5-6、5-7、5-9、5-10、5-12、5-14（1）、5-16、5-17、5-19第三章 三相感应电动机的机械特性及运行状态（选学） 本章是感应电动机的重点内容。通过本章的学习，首先要掌握三相感

20、应电动机机械特性的三种表达式；其次要掌握三相感应电动机的固有和人为机械特性；最后要掌握三相感应电动机的各种运行状态重点：机械特性的三种表达式难点：三相感应电动机的各种运转状态 关键：机械特性的物理表达式第四章 感应电动机的起动与调速本章是三相感应电动机的重点内容。通过本章的学习，首先要掌握三相感应电动机的起动特点，了解三相感应电动机常用的起动方法；其次要了解深槽式或双鼠笼式感应电动机的工作原理；最后要掌握三相感应电动机的各种调速方法的基本原理、方法和特性。重点：三相感应电动机的各种调速方法的基本原理 难点：变频调速关键：三相感应电动机的各种调速方法的基本原理实验三：三相感应电动机综合实验主要内

21、容：1、 感应电动机的启动；2、 深槽式或双鼠笼式感应电动机；3、 感应电动机的调速4、 单相感应电动机（选学）学习要求：1、 掌握三相感应电动机直接起动的特点；2、 了解三相感应电动机常用的起动方法；3、 了解深槽式或双鼠笼式感应电动机的工作原理；4、 掌握三相感应电动机的各种调速方法的基本原理、方法和特性自学指导：1、 感应电动机直接起动的特点（启动电流大，启动转矩并不大）及原因分析。2、 鼠笼式感应电动机的常用启动方法及特点。3、 绕线式感应电动机的常用启动方法及优点。4、 简述深槽式或双鼠笼式感应电动机的工作原理。5、 三相感应电动机的调速方法及基本原理。作业及思考题：教材P179 5

22、-22、5-23、5-24、5-25、5-26、5-27第四部分 同步电机第一章 同步电机的基本知识和结构本章是对同步电机的初步认识。通过本章学习，首先要了解同步发电机和同步电动机的的基本结构和铭牌参数的定义及相互关系。主要内容：1、同步发电机的分类和冷却方式；2、同步发电机的结构；3、同步电机的励磁方式；4、同步发电机的铭牌。学习要求：1、知道同步电机的两大分类和常用的冷却方式；2、熟悉同步电机主要结构部件的名称、作用及材料；3、了解同步电机的几种励磁方式；4、掌握额定值的含义和它们之间的关系。作业及思考题：教材P230 6-1、6-2第二章 同步电机的基本原理 本章是同步电机的重点内容。通

23、过本章分析，将同步电机这个具体实物抽象为模型，并且对其运行特性进行了分析。通过本章学习，首先要掌握电枢反应的概念和不同角时电枢反应的性质、作用和对电机的影响；其次要熟练掌握同步电机对称稳态运行时的基本方程、等效电路和相量图；最后要掌握同步发电机的运行特性的定义和曲线，并能解释曲线形状。 重点：电枢反应、各电磁量的关系、各电抗参数、方程式、相量图及等效电路 难点：电枢反应关键：明确时空相量图的关系主要内容：1、同步发电机空载运行时的磁场；2、同步发电机负载运行时的电枢反应；3、隐机同步发电机的电压方程、向量图和等效电路；4、凸机同步发电机的电压方程和向量图；5、 同步发电机的功率方程和转矩方程；

24、6、同步电机的参数测定；7、同步电机的运行特性。学习要求：1、 知道同步发电机空载运行时的磁场分布；2、 掌握电枢反应的概念和不同角时电枢反应的性质、作用和对电机的影响；3、 熟练掌握同步电机对称稳态运行时的基本方程、等效电路和相量图；4、 掌握同步发电机的运行特性的定义和曲线，并能解释曲线形状。自学指导：1、 空载运行：原动机拖动转子以同步速旋转，转子通入直流励磁，电枢绕组开路的状态，称为同步发电机的空载运行。此时，气隙磁场只有转子直流励磁磁动势产生的机械旋转磁场主磁场主磁场产生的磁通分为：主磁通穿过气隙，同时匝链定、转子绕组 漏磁通只匝链转子（励磁）绕组2、对称负载运行：对称负载运行时，定

25、子三相对称绕组（电枢绕组）流过三相对称电流产生旋转磁动势（电枢磁动势）交流绕组的磁动势；电枢磁动势的基波与转子励磁磁动势同转向、同转速旋转，则气隙磁场由电枢磁动势和励磁磁动势共同产生。电枢反应：对称负载运行时，电枢磁动势的基波在气隙中所产生的磁场就称为电枢反应。电枢反应的性质：取决于电枢磁动势和主磁场在空间的相对位置。如何研究？ 主磁场（以同步速旋转） 电枢磁动势（以同步速旋转） 空间相对静止取任一瞬间：A相感应电势为最大值时影响因数：电枢磁动势的空间位置与电枢电流有关交流绕组的磁动势主磁场的空间位置与激磁电动势有关交流绕组的电动势即电枢磁动势和主磁场的空间相对位置与激磁电动势与电枢电流的时间

26、夹角有关定义：激磁电动势与电枢电流的夹角称为内功率因数角（与功率因数角j不同）（1）=0时的电枢反应分析步骤：(a)假定正方向：激磁电动势与电流尾进首出为正； 磁动势与电流符合右手螺旋定则； 相绕组轴线正方向与正向电流符合右手螺旋定则；(b)转子参考轴正方向：直轴（d轴）两相邻主磁极轴线的连线，N极磁力线穿出的方向； 交轴（q轴）两相邻主磁极轴线连线的中线，逆转子转向转过90；(c)选时刻：A相感应电势为正最大值瞬间确定转子位置；(d)确定转子旋转方向：根据定子绕组空间位置确定转子旋转方向感应正序电动势；(e)确定转子磁极极性：根据右手螺旋定则确定转子磁极极性即确定励磁磁动势的方向；(f)确定

27、电枢电流方向：根据确定电枢电流方向；(g)确定电枢磁动势方向：根据电枢电流方向确定电枢磁动势方向。见教材188页图6-14结论：电枢反应的性质交轴电枢反应（电枢磁动势为交轴磁动势）电枢反应的作用使气隙磁场发生偏移电枢反应对同步发电机运行的影响：有功分量电流产生的交轴电枢磁动势与励磁电流相互作用产生制动性质的电磁转矩，影响同步发电机的有功功率转换。（见图12-11）（2） = 90时的电枢反应：分析步骤同上结论：电枢反应的性质直轴去磁电枢反应（电枢磁动势为直轴磁动势）电枢反应的作用使气隙合成磁场被削弱电枢反应对同步发电机运行的影响：不影响同步发电机的有功功率转换；但由于气隙合成磁场被削弱。使同步

28、发电机的端电压下降。（见图12-12）（感性无功分量电流产生的直轴电枢磁动势与励磁电流相互作用产生电磁力，不产生电磁转矩）（3） = 90时的电枢反应：分析步骤同上结论：电枢反应的性质直轴助磁的电枢反应（电枢磁动势为直轴磁动势）电枢反应的作用使气隙合成磁场被增强电枢反应对同步发电机运行的影响：不影响同步发电机的有功功率转换；但由于气隙合成磁场被增强。使同步发电机的端电压上升。（见图12-13）（容性无功分量电流产生的直轴电枢磁动势与励磁电流相互作用产生电磁力，不产生电磁转矩）（4）0 0。5、无功功率的调节（1）无功功率的概念： 在交流电的发、输、用过程中， 问题：用于转换成非电磁形式的能量有功：（1）交流电的有功功率如何表示？平均功率 （2）电网中有功电源？发电机 （3）电网中有功负荷？电阻用于电路内电磁场间交