電機學—緒論

1、普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材電機是一種機電能量轉換或信號轉換的電磁機械裝置。就能量轉換的功能來看，電機可分為發(fā)電機和電動機兩大類。發(fā)電機用以把機械能轉換為電能。在發(fā)電站中，通過原動機先把各類一次能源蘊藏的能量轉換為機械能，然后通過發(fā)電機把機械能轉換為電能，再經輸、配電網絡送往各種場合供公眾使用。電動機把電能轉換為機械能，用來驅動各種用途的生產機械和裝置，滿足不同的需求。電力變壓器則是將一種交流電壓、電流轉換成同頻率的另一種電壓、電流的靜止電器。由于一次能源形態(tài)的不同，可以制成不同類型的發(fā)電機。利用水力資源，和水輪機配合，可制成水輪發(fā)電機；利用煤、石油等能源的熱能，和鍋爐、汽輪機配合，可

2、制成汽輪發(fā)電機。此外，還有利用風能、原子能等能源的各類發(fā)電機。電動機作為動力設備，已廣泛應用于機械行業(yè)的工作母機，冶金行業(yè)的高爐、轉爐、平爐和軋鋼機，交通運輸行業(yè)中的電車、電力機車，各類企業(yè)中的鼓風、起吊、運輸傳送，農業(yè)中的電力排灌、農副產品加工，以及醫(yī)療器械、家用電器等各行各業(yè)，大至冶金企業(yè)使用的高達上萬千瓦的電動機，小至小功率電動機、乃至幾瓦的微電動機。在各類動力機械中，電動機的容量已超過總容量的60%。根據應用場合的要求和電源的不同，電動機有直流電動機、交流同步電動機、交流感應電動機，以及滿足不同需求的特種電動機。20世紀70年代以后，由于大功率電力電子器件、微電子器件、變頻技術以及計算

3、機技術取得的一系列進展，還研制出多種調速性能優(yōu)良、效率較高、能滿足不同要求的交流電動機調速系統(tǒng)，和由變頻器供電的一體化電機。就信號轉換功能的控制電機而言，大體上有測速電機、伺服電機、旋轉變壓器和自整角機等幾種，這些電機主要用于自動控制系統(tǒng)中作為檢測、執(zhí)行、隨動和解算元件，例如機床加工的自動控制，艦船方向舵的自動控制，大炮和雷達的自動定位，飛機的飛行控制，計算機、自動記錄儀表運行的控制等。這類電機通常為微型電機，對精度和快速響應的要求較高。在電力工業(yè)中，發(fā)電機是生產電能的主要設備；變壓器是變電站輸、配電線路中對電壓進行變換的主要設備；在機械、冶金、紡織、煤炭、石油、化工、交通運輸和家用電器等行業(yè)

4、中，電動機是各種生產機械的主要動力設備；在國防和民用的各種自動控制系統(tǒng)中，控制電機是重要和不可缺少的元件。電機在國民經濟的各個領域中起著極其重要的作用。從仿制階段到自行設計階段一直到研究、創(chuàng)新階段，經過50年的努力，我國已經建立起自己的電機工業(yè)體系，有了統(tǒng)一的國家標準和統(tǒng)一的產品系列，建立了全國性的研究實驗基地和研究、工程技術人員隊伍。在大型交、直流電機方面，研制成功25000kW的直流電動機，4700kW的直流發(fā)電機和42MW的同步電動機。在大型發(fā)電設備方面，研制出300MW和600MW的水氫氫冷汽輪發(fā)電機，300MW的雙水內冷和全氫冷汽輪發(fā)電機，650MW的核電機組；還相繼研制出125MW

5、、250MW、300MW、550MW和700MW的水輪發(fā)電機。電力變壓器的最大容量已做到840MVA，電壓最高為750kV。在中、小型和微型電機方面，已開發(fā)和制成125個系列、上千個品種、幾千個規(guī)格的各種電機。在特殊電機方面，由于新的永磁材料的出現，制成了許多高效節(jié)能、維護簡單的永磁電機。由于電機和電力電子裝置、單片微型計算機相結合，出現了各種性能和形態(tài)迥異的“一體化電機”。上述各種類型的電機，除滿足我國生產和生活領域中的各種不同需求外，尚有部分出口。1電機的分析步驟(1)電機內部物理情況的分析運動方程是磁動勢方程(磁鏈方程)、電壓方程和轉矩方程的總稱。導出運動方程就是把電機內所發(fā)生的電磁過程

6、、機電過程和動力學過程，利用電磁學和動力學的基本定律，用數學方程的形式將其表達出來，這是第二步。這一步也稱為“建立數學模型”。首先是弄清電機的基本結構和主要部件的功能，再根據電機的磁路和電路，分析空載和負載時電機內部的磁場，初步弄清這種電機的工作原理，這是第一步。這一步實質上就是“建立物理模型”。(2)導出電機的運動方程(3)求解運動方程根據運動方程和求解問題的性質(是穩(wěn)態(tài)還是瞬態(tài)，是對稱還是不對稱運行等等)，選擇運動方程的解法，求出解析解或數值解。(4)結果分析通過對解答的分析，確定所需的運行性能(特性)和主要運行數據，如過載能力、穩(wěn)定性、效率、電壓變化率、速度變化率等，以滿足解決某一問題的

7、需要。2運動方程的導出方法(1)主磁通-漏磁通法把電機內的磁通按其作用和分布，分成主磁通和漏磁通，然后用電磁感應定律和基爾霍夫定律列出各個繞組的電壓方程，用電磁力定律和牛頓第二定律列出轉子的轉矩方程。此法廣泛應用于各種交、直流電機的穩(wěn)態(tài)分析，優(yōu)點是物理概念清楚，推導比較簡單、直觀；缺點是不能直接用于瞬態(tài)和動態(tài)分析。(2)動態(tài)電路法把電機作為一組動態(tài)電路來對待，把定、轉子之間的電磁關系用一組時變的自感和互感系數來表達，即L=L(), M=M(),為轉子的轉角。導出的電壓方程是含有時變系數的微分方程，轉矩方程則是非線性方程。此法的優(yōu)點是適用范圍較廣，既可用以分析穩(wěn)態(tài)問題，也可用以分析瞬態(tài)和動態(tài)問題

8、；缺點是推導過程比較復雜，物理概念不易立即看清。本課程既有較強的理論性，又有工程性，研究時以各個機種(變壓器，直流電機，感應電機，同步電機，控制電機)為對象，這與以前的基礎課是不同的。另外，分析各種電機的原理和運行時，不但涉及電壓、電流隨時間的變化，還要涉及磁動勢和磁場在空間的分布和變化；不但涉及定、轉子繞組間的電磁耦合關系和機電關系，還要涉及轉子與原動機(或機械負載)之間的動力學關系；總之涉及面較廣，綜合性較強。課程特點學習方法建議(1)首先要弄清各種電機的基本結構(包括鐵心、繞組、換向器、集電環(huán)等結構)，主要部件的作用和構成。為此，需要到電機實驗室(展覽室)或電機廠實地參觀，對實物建立初步

9、印象。對于直流電樞繞組，進行一次習題課或集體答疑是有益的。(2)在分析電機和變壓器的空載和負載運行時，要注意主磁場、電樞（二次繞組）磁場和漏磁場在電機內是如何分布的，合成磁場是如何形成的，各種磁通的作用是如何表達的，做到概念清楚；對磁場的分布，頭腦中要有物理圖畫。(3)注意推導基本公式(電動勢公式，電磁轉矩公式，磁動勢公式)和基本方程時有哪些假定，使推導得以合理簡化；推導時應用了哪些基本電磁定律和力學定律，哪些原理、理論和方法。重要的公式和方程要自己獨立地推導一遍，找出其中的關鍵點?？傊诨纠碚?、基本方法和基本概念上，要花大氣力去鉆研。(4)注意建立等效電路時要經過哪幾步，每一步的含義和必要性。(5)學習交流繞組的磁動勢時，一方面要注意其空間分布，另一方面還要注意其隨時間而變化的規(guī)律；要注意單相和三相繞組磁動勢的合成和分解，并在頭腦中形成物理圖畫。適當的多媒體輔助教學，對理解這部分內容有一定幫助。(6)弄清發(fā)電機和電動機的各種特性有什么用途，它們是哪些變量之間的函數關系，這些特性是在什么條件下導出的，各有