《电机学》学习指南

第一章基础理论
一、学习目标：
掌握磁场分析基本量，磁路的基本定律；掌握常用铁磁材料及其磁化特性；掌握简单串联、并联磁路计算；了解交流磁路中的激磁电流和磁通；掌握能量转换基本定律。

二、模块导学：
1、绪论
讲述了电机的概念、电机的主要作用、电机的分类、电机的主要发展和本课程的主要任务。

2、磁路和磁性材料
讲述了磁场中基本物理量和磁路的基本概念，磁路的基本定律，磁性材料的分类及其特性，简单磁路的计算以及交流铁心磁路中的激磁电流、磁通和感应电动势的波形关系。

2、能量转换基本定律
讲述了法拉第电磁感应定律、毕—萨电磁力定律和能量守恒原理。

三、重点难点指导：
重点：磁路的基本概念和基本定律，铁磁材料及其磁化特性，能量转换基本定律
难点：磁场与磁路的等效，磁路与电路的类比，交流磁路中的激磁电流和磁通。

讲清磁场作为能量转换的媒介的作用，说明集中参数与分布参数的特点，并在此基础上引出磁路的概念，使学生建立起磁路与电路的类比关系，画图说明交流磁路中的激磁电流和磁通的波形关系。

四、参考资料目录：
[1] 汤蕴璆，罗应立，梁艳萍. 电机学[M]. 第三版. 北京：机械工业出版社，2008
[2] 李哲生，刘迪吉，戈宝军. 电机学[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1997
[3] 潘再平，章玮、陈敏祥. 电机学[M]. 杭州：浙江大学出版社，2008
[4] 李发海. 电机学[M]. 北京：科学出版社，2001
[5] 胡虔生，胡敏强. 电机学[M]. 北京：中国电力出版社，2005
[6] 汪国梁. 电机学[M]. 北京：机械工业出版社，2007
[7] 朱东起，王岩，李发海. 电机学[M]. 北京：中央广播电视大学出版社，1987
[8] 冯欣南. 电机学[M]. 北京：机械工业出版社，1985
[9] 辜承林，陈乔夫，熊永前. 电机学[M]. 武汉：华中科技大学出版社，2005
[10] 刘锦波，张承惠. 电机与拖动[M]. 北京：清华大学出版社，2006
[11] 马宏忠，方瑞明，王建辉. 电机学[M]. 北京：高等教育出版社，2009
[12] 唐任远. 现代永磁电机理论与设计[M]. 北京：机械工业出版社，1997
[13] 王秀和. 永磁电机[M]. 北京：中国电力出版社，2007
[14] A. E. Fitzgerald, Charles Kingsley. Electric Machinery (Sixth Edition). McGRAW-HILL
Companies, 2003
[15] 范瑜. 电气工程概论[M]. 北京：高等教育出版社，2006
第二章变压器
一、学习目标：
了解变压器的用途、结构、分类，掌握变压器的额定值；掌握变压器空载运行与变压原理；掌握变压器负载运行与能量传递原理；掌握变压器电压方程，绕组归算，等效电路，向量图；掌握变压器等效电路参数测定；掌握三相变压器磁路系统，绕组联结方法与组号判断；掌握标幺值的定义并能熟练运用；掌握变压器的运行特性与性能指标并能熟练运用；掌握变压器并联运行原理并能熟练运用；了解自耦变压器，三绕组变压器，互感器的结构特点运行原理及使用注意事项。

二、模块导学：
1、变压器概述
讲述了变压器的概念、分类、用途、基本结构、型号和额定值。

2、变压器的基本理论
讲述了变压器空载、负载运行时的物理情况、电压方程、相量图、等效电路以及变压器参数的测定方法；给出了主磁通、漏磁通的概念及其作用，导出了激磁参数、短路参数的表达式。

3、三相变压器
讲述了三相变压器的磁路结构、电路结构（联接组号）、其激磁电流、主磁通和感应电动势的波形关系，给出了常用的三相变压器联接组号。

最后讲述了标幺值的概念和计算方法。

4、其他常用变压器
介绍了自耦变压器、三绕组变压器和互感器的概念、结构和工作原理。

三、重点难点指导
重点：变压器的基本概念、基本方程、等效电路、变压器的运行特性，三相变压器的联结组别及变压器参数的测定。

难点：变压器的磁势平衡与能量传递、变压器的绕组归算、三相变压器的联结组别。

讲授提示与方法：从电磁感应定律出发，阐述变压器变压的原理，结合磁路定理讲清磁势平衡方程式和能量传递的原理；绕组归算和标幺值的概念学生首次接触，讲清其目的和意义；从单相变压器的联结组号入手，首先讲述单相变压器的电压相量关系，然后过渡到三相变器联结组号的判断。

变压器等效电路、电压方程和相量图是分析变压器运行性能的三种手段，结合等效电路参数测定，通过例题和课后习题使学生熟练掌握。

四、参考资料目录
[1] 汤蕴璆，罗应立，梁艳萍. 电机学[M]. 第三版. 北京：机械工业出版社，2008
[2] 李哲生，刘迪吉，戈宝军. 电机学[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1997
[3] 潘再平，章玮、陈敏祥. 电机学[M]. 杭州：浙江大学出版社，2008
[4] 李发海. 电机学[M]. 北京：科学出版社，2001
[5] 胡虔生，胡敏强. 电机学[M]. 北京：中国电力出版社，2005
[6] 汪国梁. 电机学[M]. 北京：机械工业出版社，2007
[7] 朱东起，王岩，李发海. 电机学[M]. 北京：中央广播电视大学出版社，1987
[8] 冯欣南. 电机学[M]. 北京：机械工业出版社，1985
[9] 辜承林，陈乔夫，熊永前. 电机学[M]. 武汉：华中科技大学出版社，2005
[10] 刘锦波，张承惠. 电机与拖动[M]. 北京：清华大学出版社，2006
[11] 马宏忠，方瑞明，王建辉. 电机学[M]. 北京：高等教育出版社，2009
[12] 唐任远. 现代永磁电机理论与设计[M]. 北京：机械工业出版社，1997
[13] 王秀和. 永磁电机[M]. 北京：中国电力出版社，2007
[14] A. E. Fitzgerald, Charles Kingsley. Electric Machinery (Sixth Edition). McGRAW-HILL
Companies, 2003
[15] 范瑜. 电气工程概论[M]. 北京：高等教育出版社，2006
第三章交流电机理论的共同问题
一、学习目标
明确交流绕组的构成原则；掌握交流绕组的绕组因数；熟悉正弦磁场以及非正弦磁场下绕组的电动势和磁动势；明确消弱谐波磁场的方法；掌握单相绕组的脉振磁动势特性及其影响参数；通过单相脉振磁动势的分解明确三相绕组的合成磁动势特性；理解电机的温度、温升以及温升极限的概念；并掌握温升极限级别；了解电机工作制的基本概念；明确电机的冷却方式。

二、模块导学
1、交流绕组
1）对于60°相带绕组，如果定子绕组各相带按AZBXCY排序，当转子磁极以同步速旋转时，定子绕组产生对称的三相感应电动势；反过来，当绕组通入对称的三相电流，各相带按AZBXCY排序，便可形成二极磁场。

当电机的极对数增加时，AZBXCY组数增加，AZBXCY组数等于极对数。

将原来集中在一个槽中的导体分散放在q个槽中即可得到单层绕组。

各种单层绕组的差别仅仅是导体连接次序有所不同。

若将原来集中在一个槽中的导体分在两层当中，而每一层导体也分散在q个槽中时就得到双层绕组。

各种双层绕组
的差别也仅仅是线圈连接次序的不同。

多极电机也是从两极电机演变而来，即将多个两极电机拼接为一个整圆就成为多极电机。

2）理解了上述绕组构成原理后，就很容易总结出绕组接线规律。

这就是将集中线圈分散放置后，应保持原来的联接方向，这样才能保证得到最大的感应电动势和最强的基波磁场。

3）采用分布、短距的目的是改善电机的性能。

端接部分的联接应保证三相对称、接线最短、线圈容易制造。

4）实际上，为了满足电机的特殊要求还可构成许多特殊绕组。

例如，为了减少磁场的谐波，可以构成所谓“正弦绕组”。

正弦绕组也是将集中在一个槽中的导体分散在q 个槽中后构成的。

但在分散在q 个槽中时，各槽导体数不相等，以便使磁场更加接近正弦分布，减小谐波磁场的不良影响。

2、交流绕组的感应电动势
1） 电动势星形图表示出导体和线圈感应电动势的相位关系，本章从最简单的单根导体电动势出发，依据电动势星形图导出线圈电动势，线圈组电动势和相电动势的计算公式，并引入绕组节距因数、分布因数的概念分析分布和节距对感应电动势大小的影响。

2）也可以依据绕组电动势星形图确定绕组的相带划分和绕组的连接问题。

特别是一些复杂的绕组，例如，分数槽绕组，更需要借助电动势星形图才能解决绕组的连接和感应电动势的计算问题。

绕组电动势星形图是一个重要概念。

应画出各种绕组的电动势星形图，看看如何利用电动势星形图确定绕组的连接规律。

3）电动势的谐波是有害的，因此电动势波形畸变的程度是同步发电机电压质量指标之一。

采用分布和短距是削弱谐波电动势的有效手段。

但对于次数为12z ±=mqk v 的齿谐波，其绕组因数恒等于基波绕组因数，无法用分布、短距方
法消除，可以证明，这一结论适用于任何绕组。

斜槽或斜极可以削弱齿谐波电动势。

4）本章也介绍了其他减小电动势波形畸变及改善电动势波形的方法。

3、交流绕的磁动势
1）研究交流绕组的磁动势和电动势情况类似，磁动势也可以用磁动势星形图表示。

二者具有完全不同的物理意义，电动势星形图表示感应电动势的时间相位关系，而磁动势星形图表示磁动势空间位置关系（按电角度计算）。

按着磁动势星形图指示的空间关系也可以计算一相绕组的磁动势，确定绕组相带的划分和绕组的连接规律。

2）电动势星形图和磁动势星形图物理意义虽不同，但形状完全相同，因此电动势绕组因数和磁动势绕组因数也完全相同。

3）和电动势齿谐波一样，也存在磁动势齿谐波，而且可以证明：对于任意绕组，无论各线圈匝数是否相同，也无论极相组如何构成，绕组是否规则对称，齿谐波磁动势的绕组因数恒等于基波的绕组因数。

不要试图用调整匝数，改变接线等方法削弱齿谐波，这是徒劳的。

4）绕组的分布和短距既可以削弱感应电动势的高次谐波也可以削弱磁动势的高次谐波，使磁动势波形更加接近正弦形分布，有利于改善电机的运行性能。

5）三相绕组中通以三相交流电流后产生旋转磁动势是一个重要概念，是今后学习交流电机原理的基础。

6）三相交流绕组产生的谐波磁动势也为旋转磁动势，但转向，转速和大小
和基波磁动势不同。

4、电机的发热和温升限值
1）电机损耗的能量全部转变为热能，是电机发热，各部分温度升高。

本章以均质等温发热体模型，对电机温升作定性分析，得出指数曲线的温度变化规律。

2）电机的工作制分连续工作制、短时工作制和断续周期工作制三种，短时工作制和断续周期工作制的温升情况与连续工作制情况不同。

3）电机的温升限值主要与绝缘材料的限值工作温度有关，绝缘材料按耐温等级分A、E、B、F、H、C六级。

电机的温升限≤绝缘材料的限值工作温度40
°。

4）电机的冷却方式可分为表面冷却和内部冷却两种。

表面冷却又分为自然冷却、自扇冷却、它扇冷却和管道通风冷却等方式。

三、重点难点学习指导
1、重点内容
同步发电机和感应电动机的工作原理，绕组的排布方式线圈基波电动势及其节距和分布因数为重点内容。

需要从导体电动势星型图出发，利用电机绕组分布特性，利用数学方法加以推导和理解。

单相绕组的脉振磁动势以及三相绕组的合成磁动势分布为重点内容。

应该从基本假设以及数学关系着手，确定单相脉振磁动势的分解，利用数值关系是实现三相磁动势的合成。

单相脉振磁动势的分解师难点内容，从数学关系着手分析。

电机在能量转化过程中，产生一定数量的损耗，将转化为热能，促使电机不同部位和部件的温度上升，电机的温度与电机所在环境温度之差称为电机的温升，不同特性的绝缘材料能够承受不同的温升数值，根据承受温升数值将电机绝缘分为不同的等级（绝缘等级）。

2、难点内容
电动势以及磁动势星形图的标识方式，需要理解电机内机械角度与电角度的对应关系。

消弱谐波电动势为难点内容。

需要分析谐波电动势产生的原因以及相关影响因素，采用不同的方法进行消弱。

四、参考资料目录
[1]汤蕴璆，罗应立，梁艳萍. 电机学[M]. 第三版. 北京：机械工业出版社，2008
[2]李哲生，刘迪吉，戈宝军. 电机学[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1997
[3]李发海. 电机学[M]. 北京：科学出版社，2001
[4]胡虔生，胡敏强. 电机学[M]. 北京：中国电力出版社，2005
[5]汪国梁. 电机学[M]. 北京：机械工业出版社，2007
[6]朱东起，王岩，李发海. 电机学[M]. 北京：中央广播电视大学出版社，1987
[7]辜承林，陈乔夫，熊永前. 电机学[M]. 武汉：华中科技大学出版社，2005
[8]魏永田，孟大伟，温嘉斌．电机内热交换[M]．北京：机械工业出版社，1998．
[9] 张奕．传热学[M]．南京：东南大学出版社，2004．
第四章感应电机
一、学习目标
掌握感应电机的用途、运行状态、基本结构及额定值；理解感应电机的基本工作原理；理解感应电机空载运行和负载运行的磁场；深刻理解感应电机负载运行采用频率归算和绕组归算方法的物理意义，注意与变压器的异同；理解转子磁势在空间的位置；掌握描述感应电机电磁关系的三种表达方式：基本方程式、等效电路和相量图；掌握感应电动机的功率方程和转矩方程，理解转子铜耗、机械功率与电磁功率的关系；了解笼型转子参数的计算；掌握用空载试验和短路试验测定电机的激磁参数和参数；掌握感应电动机最重要的特性：转矩-转差率特性；理解感应电动机的工作特性曲线；了解深槽和双笼感应电动机改善起动性能的原理；掌握感应电动机的起动问题及解决方法；了解常用制动方法及原理；了解感应电动机的调速方法及实现。

二、模块导学
1、感应电机概述
感应电机是指转子转速低于同步转速的电机。

主要用作电动机运行，也有少数作发电机。

转差率是感应电机的重要运行参数，决定了电机的运行状态：发电状态、电动状态和制动状态。

感应电机也是由定子、转子和气隙组成。

一般情况下，定子上装有三相对称的电枢绕组；转子绕组有笼型和绕线型两种。

笼型转子在铁芯各槽插入铜条，用端环短路导条；绕线转子可以外接电阻，改善起动性能。

额定功率是感应电动机输出机械功率的保证值。

2、感应电动机的基本理论
感应电动机对称稳态运行时的基本理论和分析方法，包括表征电磁关系的电压方程、相量图和等效电路，表征能量转换的功率方程和转矩方程，以及感应电动机的参数测定方法。

3、感应电动机的运行特性
转矩-转差率特性是感应电动机最主要特性，最大转矩与额定转矩之比为电动机的过载能力，是电动机一个重要性能指标；绕线式感应电动机的优点是可以通过转子串电阻的方法改善运行性能。

电力拖动系统稳定运行应满足电动机的机械特性和负载特性的合理配合。

标志感应电机的运行性能的特性曲线是工作特性，可由等效电路计算得到，也可通过试验测得。

因“集肤效应”引起转子电阻增加，起动时转子电流频率较高，深槽和双笼感应电动机利用此原理改善起动性能。

感应电动机要求起动电流小、起动转矩大是相互矛盾的。

笼型电动机只能采
用直接起动或降压起动，降压起动可以限制起动电流，但起动转矩也减小了。

绕线式感应电机可以转子串电阻起动，串电阻后提高了绕组的功率因素，可实现小电流、大转矩起动。

在生产实际中常见制动方式有反接制动、回馈制动和能耗制动。

感应电动机调速方法有变极调速、变频调速、改变转差率调速；改变转差率调速可采用定子调压调速、绕线转子串电阻调速、定转子双馈调速及串级调速方法。

三、重点难点学习指导
重点：
理解感应电机转差率的物理意义，感应电机转子的主要结构形式、感应电机的额定功率。

感应电机空载电流的物理意义、转子磁势的特点、归算的方法、感应电机电磁关系表达方式基本方程式、等效电路和相量图。

感应电动机转子铜耗、机械损耗和电磁功率之间的关系；功率和转矩平衡关系。

感应电机用空载试验和短路试验进行参数测定。

感应电机的转矩-转差率特性及相关重要运行参数。

难点：
感应电机负载运行时磁场，相量图，笼型转子的参数计算，感应电动机的机械特性。

四、参考资料目录
[1] 汤蕴璆，罗应立，梁艳萍. 电机学[M]. 第三版. 北京：机械工业出版社，2008
[2] 李哲生，刘迪吉，戈宝军. 电机学[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1997
[3] 潘再平，章玮、陈敏祥. 电机学[M]. 杭州：浙江大学出版社，2008
[4] 李发海. 电机学[M]. 北京：科学出版社，2001
[5] 胡虔生，胡敏强. 电机学[M]. 北京：中国电力出版社，2005
[6] 汪国梁. 电机学[M]. 北京：机械工业出版社，2007
[7] 朱东起，王岩，李发海. 电机学[M]. 北京：中央广播电视大学出版社，1987
[8] 冯欣南. 电机学[M]. 北京：机械工业出版社，1985
[9] 辜承林，陈乔夫，熊永前. 电机学[M]. 武汉：华中科技大学出版社，2005
[10] 刘锦波，张承惠. 电机与拖动[M]. 北京：清华大学出版社，2006
[11] 马宏忠，方瑞明，王建辉. 电机学[M]. 北京：高等教育出版社，2009
[12] 唐任远. 现代永磁电机理论与设计[M]. 北京：机械工业出版社，1997
[13] 王秀和. 永磁电机[M]. 北京：中国电力出版社，2007
[14] A. E. Fitzgerald, Charles Kingsley. Electric Machinery (Sixth Edition). McGRAW-HILL
Companies, 2003
[15] 范瑜. 电气工程概论[M]. 北京：高等教育出版社，2006
第五章同步电机
一、学习目标
掌握同步电机的基本类型、用途、基本结构；理解同步电机的运行原理；掌握隐极同步电机和凸极同步电机的分析思想和分析方法；明确同步电机负载时电枢反应的物理意义及电枢反应与能量转换的关系；理解双反应理论的基本思想；熟悉同步发电机的运行特性及同步发电机并网运行条件和并网运行时的无功调节与有功调节原理；掌握同步发电机的功角特性；了解同步电动机、同步调相机的基本分析方法；了解同步电动机的起动方法和永磁同步电动机基本结构。

二、模块导学
1、同步电机概述
同步电机是指转子转速为同步速的电机。

主要用作发电机运行，同步电机也可以用作电动机和补尝机。

同步电机可以按用途、原动机类型、转子结构特点、电机安装特点、励磁方式、冷却方式、通风方式以及负载类型等多种方式分类。

同步电机也是由定子、转子和气隙组成。

一般情况下，定子上装有三相对称的电枢绕组，定子结构和感应电机完全相同；转子上装有励磁绕组和阻尼绕组，因此同步电机是双边励磁装置，这点与感应电机不同。

依转子结构不同，同步电机可分为凸极式和隐极式；依原动机不同可分为汽轮发电机和水轮发电机。

同步电机运行时，为了建立主极磁场，转子励磁绕组中必须通入直流电流，提供励磁电流的方法称为同步电机的励磁方式，供给励磁电流的整个系统称为励磁系统。

同步电机的励磁方式主要有两大类，即旋转电机励磁和半导体整流器励磁。

励磁系统是同步电机的重要组成部分，励磁系统和励磁元件的性能对电机的运行性能有重要影响。

2、同步发电机的基本理论
同步发电机对称稳态运行时的基本理论和分析方法，包括表征电磁关系的电压方程、相量图和等效电路，表征能量转换的功率方程和转矩方程，以及同步发电机运行特性、性能指标及参数测定方法。

3、同步发电机的并联运行
大型同步发电机一般都并联运行，由多台发电机并联，多个发电厂并联所组成的电力系统，定义为无穷大电网，无穷大电网的电压和频率为常值。

同步发电机并入大容量电网运行时，因电机工作状态的改变对电网影响极小，可以认为端电压、频率恒定不变，电机内合成磁场幅值近似不变，转速恒定。

同步发电机并网运行时，必须在满足相序、频率、电压相同的条件下，才能实现无冲击电流的并网操作。

4、同步电动机和同步补偿机
同步电机有发电机、电动机和补偿机三种运行状态。

三种运行状态下的无功功率主要取决于励磁电流的大小，都是在过励情况下输出感性无功，而在欠励下输出容性无功，正常励磁时。

三、重点难点学习指导
重点：
理解同步电机“同步”的物理意义，同步发电机的主要结构形式及其不同励磁方式特点、同步电机的额定值。

空载运行时的时空矢量图、同步电机电枢反应的特点、隐极和凸极同步发电机负载运行时的分析方法、负载运行时的电压方程、相量图及同步电抗等参数。

同步发电机各运行特性的原理和方法、利用各特性测量有关参数的方法、低转差法测量同步电抗的原理和方法。

同步发电机并联运行条件；并网的方法；同步发电机功角特性；同步发电机的功率方程和转矩方程；静态稳定性；有功调节和无功调节。

同步电动机的基本电磁关系、同步调相机的原理和特点及其基本方程和相量图。

难点：
同步电机的电枢反应，功率关系，功角特性，同步发电机与电网并联运行时无功功率的调节和V形曲线。

四、参考文献资料目录
[1] 戈宝军，梁艳萍，温嘉斌．电机学[M]．北京：中国电力出版社，2010．
[2] 汤蕴璆，史乃，沈文豹. 电机理论与运行[M]．北京：水利电力出版社，1983．
[3] 汤蕴璆，罗应立，梁艳萍. 电机学[M]. 3版. 北京：机械工业出版社，2008．
[4] 李哲生，刘迪吉，戈宝军. 电机学[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1997．
[5] 李发海. 电机学[M]. 北京：科学出版社，2001．
[6] 胡虔生，胡敏强. 电机学[M]. 北京：中国电力出版社，2005．
[7] 汪国梁. 电机学[M]. 北京：机械工业出版社，2007．
[8] 朱东起，王岩，李发海. 电机学[M]. 北京：中央广播电视大学出版社，1987．
[9] 辜承林，陈乔夫，熊永前. 电机学[M]. 武汉：华中科技大学出版社，2005．
[10] 魏永田，孟大伟，温嘉斌．电机内热交换[M]．北京：机械工业出版社，1998．
[11] 孙旭东，冯大均．电机学习题与题解（第二版）[M]．北京：科学出版社，2007．
[12] 阎治安．电机学习题解析（第二版）[M]．西安：西安交能大学出版社，2008．
[13] 龚世缨，熊永前．电机学实例解析[M]．武汉：华中科技大学出版社，2001．
[14] 方瑞明，王建辉，马宏忠．电机学学习指导与习题解答[M]．北京：高等教育出版社，
2010．
[15] 田子勤，王树清．三峡电站水轮发电机组性能结构特点及运行稳定性研究[J]．水力发
电学报，2009，28(6)：105-111．
第六章直流电机
一、学习目标
理解直流电机的基本工作原理；了解直流电机的基本结构；了解直流电机电枢绕组的基本分类、结构型式；掌握直流电机单叠、单波绕组的构成、特点及其展开图的画法；理解直流电机磁场的基本特点及电枢反应的意义和性质；掌握直。