电机学-华中科技大学

为获得最佳体验，请在 Acrobat 9、Adobe Reader 9 或更高版本中打开此 PDF 包。 立即购买 Adobe Reader！ 第一章 导 论...............................................................................................................................1 1.1 概 述............................................................................................................................1 1.1.1 电机的定义...........................................................................................................1 1.1.2 电机的主要类型...................................................................................................1 1.1.3 电机中使用的材料...............................................................................................2 1.1.4 电机的作用和地位...............................................................................................2 1.2 电机发展简史..................................................................................................................3 1.2.1 直流电机的产生和形成 .......................................................................................3 1.2.2 交流电机的形成和发展 .......................................................................................4 1.2.3 电机理论和 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 、制造技术的逐步完善 ...........................................................5 1.2.4 电机的发展趋势...................................................................................................7 1.3 电机中的基本电磁定律..................................................................................................8 1.3.1 全电流定律...........................................................................................................8 1.3.2 电磁感应定律.......................................................................................................9 1.3.3 电磁力定律.........................................................................................................11 1.4 铁磁材料特性................................................................................................................12 1.4.1 铁磁材料的磁导率.............................................................................................12 1.4.2 磁滞与磁滞损耗.................................................................................................13 1.4.3 涡流与涡流损耗.................................................................................................15 1.4.4 交流铁心损耗.....................................................................................................16 1.5 磁路基本定律及计算方法............................................................................................17 1.5.1 磁路基本定律.....................................................................................................18 1.5.2 铁心磁路计算.....................................................................................................21 1.5.3 永磁体磁路计算.................................................................................................24 1.5.4 交流磁路特点.....................................................................................................27 1.6 电机中的机电能量转换过程 ........................................................................................28 1.7 电机的分析研究方法....................................................................................................30 1.7.1 分析步骤.............................................................................................................30 1.7.2 研究方法.............................................................................................................31 习 题.................................................................................................................................32 电机学 第一章 导 论 1 第一章 导 论 1.1 概 述 1.1.1 电机的定义 广义言之，电机可泛指所有实施电能生产、传输、使用和电能特性变换的机械或装置。 然而，由于生产、传输、使用电能和实施电能特性变换的方式很多，原理各异，如机械摩擦、 电磁感应、光电效应、磁光效应、热电效应、压电效应、记忆效应、化学效应、电磁波等等， 内容广泛，不可能由一门课程包括，因此，作为电类相关学科，特别是电气 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学科的主要 技术基础课，电机学的主要研究范畴仅限于那些依据电磁感应定律和电磁力定律实现机电能 量转换和信号传递与转换的装置。依此定义，严格地说，这类装置的全称应该是电磁式电机， 但习惯上已将之简称为电机。虽然涵义上是狭义的，但就目前来说，能够大量生产电能、实 施机电能量转换的机械主要还是电磁式电机，因此，在理解上不会有歧义。 1.1.2 电机的主要类型 电机的种类很多，分类方法也很多。如按运动方式分，静止的有变压器，运动的有直线 电机和旋转电机，直线和旋转电机继续按电源性质分，又有直流电机和交流电机两种，而交 流电机按运行速度与电源频率的关系又可分为异步电机和同步电机两大类。分类还可以进一 步细分下去，这里就不一一列举了。鉴于直线电机较少应用，而电机学只侧重于旋转电机的 研究，故上述分类结果可归纳为： ⎪⎪⎩ ⎪⎪⎨ ⎧ ⎪⎩ ⎪⎨ ⎧ ⎩⎨ ⎧ 同步电机 异步电机交流电机 直流电机 旋转电机 变压器 电机 以上分类方法从理论体系上讲是合理的，也是大部分电机学教材编写的基本构架。但从 习惯角度，人们还普遍接受另一种按功能分类的方法，具体是： ⎪⎪⎩ ⎪⎪⎨ ⎧ 元件中的执行，检测或解算传递和转换，控制系统控制电机：进行信号的 和相位改变电压，电流，频率器，移相器：分别用于变压器，变流器，变频 机械能，驱动电力机械电动机：将电能转换为 ，将机械能转换为电能发电机：由原动机拖动 电机 需要指出的是，发电机和电动机只是电机的两种运行形式，其本身是可逆的。也就是说， 同一台电机，既可作发电机运行，也可作电动机运行，只是从设计要求和综合性能考虑，其 技术性和经济性未必兼得罢了。 然而，无论是发电机运行，还是电动机运行，电机的基本任务都是实现机电能量转换， 而前提也就是必须能够产生机械上的相对运动。对旋转电机，这在结构上就必然要求有一个 静止部分和一个旋转部分，且二者之间还要有一个适当的间隙。在电机学中，静止部分被称 为定子，旋转部分被称为转子，间隙被称为气隙。气隙中的磁场分布及其变化规律在能量转 换过程中起决定性作用，这是电机学研究的重点问题之一。 辜成林 陈乔夫 熊永前编 华中科技大学出版社 2001年第 1版 2 1.1.3 电机中使用的材料 由于电机是依据电磁感应定律实现能量转换的，因此，电机中必须要有电流通道和磁通 通道，亦即通常所说的电路和磁路，并要求由性能优良的导电材料和导磁材料构成。具体说 来，电机中的导电材料是绕制线圈(在电机学中将一组线圈称为绕组)用的，要求导电性能好， 电阻损耗小，故一般选用紫铜线(棒)。电机中的导磁材料又叫做铁磁材料，主要采用硅钢片， 亦称为电工钢片。硅钢片是电机工业专用的特殊材料，其磁导率极高(可达真空磁导率的数 百乃至数千倍)，能减小电机体积，降低励磁损耗，但磁化过程中存在不可逆性磁滞现象， 在交变磁场作用下还会产生磁滞损耗和涡流损耗。这些将在 1.4节中专门讲述。 除导电和导磁材料外，电机中还需要有能将电、磁两部分融合为一个有机整体的结构材 料。这些材料首先包括机械强度高、加工方便的铸铁、铸钢和钢板，此外，还包括大量介电 强度高、耐热性能好的绝缘材料(如聚酯漆、环氧树脂、玻璃丝带、电工纸、云母片、玻璃 纤维板等)，专用于导体之间和各类构件之间的绝缘处理。电机常用绝缘材料按性能划分为 A、E、B、F、H、C等 6个等级。如 B级绝缘材料可在 130℃下长期使用，超过 130℃则很 快老化，但 H级绝缘材料允许在 180℃下长期使用。 1.1.4 电机的作用和地位 在自然界各种能源中，电能具有大规模集中生产、远距离经济传输、智能化自动控制的 突出特点，它不但已成为人类生产和生活的主要能源，而且对近代人类文明的产生和发展起 到了重要的推动作用。与此相呼应，作为电能生产、传输、使用和电能特性变换的核心装备， 电机在现代社会所有行业和部门中也占据着越来越重要的地位。 对电力工业本身来说，电机就是发电厂和变电站的主要设备。首先，火电厂利用汽轮发 电机(水电厂利用水轮发电机)将机械能转换为电能，然后电能经各级变电站利用变压器改变 电压等级，再进行传输和分配。此外，发电厂的多种辅助设备，如给水泵、鼓风机、调速器、 传送带等，也都需要电动机驱动。 在机器制造业和其它所有轻、重型制造工业中，电动机的应用也非常广泛。各类工作母 机，尤其是数控机床，都须由一台或多台不同容量和型式的电动机来拖动和控制。各种专用 机械，如纺织机、造纸机、印刷机等也都需要电动机来驱动。一个现代化的大中型企业，通 常要装备几千乃至几万台不同类型的电动机。 在冶金工业中，高炉、转炉和平炉都须由若干台电动机来控制，大型轧钢机常由数千乃 至数万千瓦的电动机拖动。近代冶金工业，尤其是大型钢铁联合企业，电气化和自动化程度 非常高，所用电机的数量和型式就更多了。 在石油和天然气的钻探及加压泵送过程中，在煤炭的开采和输送过程中，在化学提炼和 加工设备中，在电气化铁路和城市交通以及作为现代化高速交通工具之一的磁悬浮列车中， 在建筑、医药、粮食加工工业中，在供水和排灌系统中，在航空、航天领域，在制导、跟踪、 定位等自动控制系统以及脉冲大功率电磁发射技术等国防高科技领域，在加速器等高能物理 研究领域，在伺服传动、机器人传动和自动化控制领域，在电动工具、电动玩具、家用电器、 办公自动化设备和计算机外部设备中……总之，在一切工农业生产、国防、文教、科技领域 以及人们的日常生活中，电机的应用越来越广泛。一个工业化国家的普通家庭，家用电器中 的电机总数在 50台以上；一部现代化的小轿车，其内装备的各类微特电机已超过 60台。事 实上，电机发展到今天，早已成为提高生产效率和科技水平以及提高生活质量的主要载体之 一。 纵观电机发展，其应用范围不断扩大，使用要求不断提高，结构类型不断增多，理论研 电机学 第一章 导 论 3 究不断深入。特别是近 30年来，伴随着电力电子技术和计算机技术的进步，尤其是超导技 术的重大突破和新原理、新结构、新材料、新工艺、新方法的不断推动，电机发展更是呈现 出勃勃生机，其前景是不可限量的。 1.2 电机发展简史 电机发明至今，已有近 200年的历史。电机学科已发展成为一个比较成熟的学科，电机 工业也已成为近代社会的支柱产业之一，其发展历史可简述如下。 1.2.1 直流电机的产生和形成 工业革命以后，蒸汽动力得以普遍应用。但随着生产力的发展，蒸汽动力输送和管理不 便的缺点日益突出，迫使人们努力寻找新的动力源。19 世纪初期，人们已积累了有关电磁 现象的丰富知识。在此基础上，法拉第(Faraday)于 1821 年发现了载流导体在磁场中受力的 现象(即电动机的作用原理)，并首次使用模型 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 演了这种把电能转换为机械能的过程。很快， 原始型式的电动机就被制造出来了。但由于驱动源是蓄电池，当时极为昂贵，经济性远不能 与蒸汽机相抗衡，因而也就不能被推广。 为此，人们积极寻求能将机械能转换为电能的装置。法拉第本人亦坚持研究。在进行了 大量的实验研究以后，1831 年，他又发现了电磁感应定律。在这一基本定律的指导下，第 二年，皮克西(Pixii)利用磁铁和线圈的相对运动，再加上一个换向装置，制成了一台原始型 旋转磁极式直流发电机。这就是现代直流发电机的雏形。虽然早在 1833 年，楞次(Lenz)已 经证明了电机的可逆原理，但在 1870年以前，直流发电机和电动机一直被看作两种不同的 电机而独立发展着。 电磁感应定律发现了，直流发电机也发明了，但经济性、可靠性、容量却未达到实用化 要求即廉价直流电源的问题并没有很快得到解决，因而电动机的应用和发展依然缓慢。加之 在 1860 年以前，人们还不善于从 F=Bli 的角度考察问题，几乎都将电磁铁之间的相互吸引 和排斥作为电动机结构设计的基本指导思想，这本身就带有很大的局限性，更何况以蓄电池 为主的昂贵的供电方式也确实起到了制约作用。需求产生动力。为解决廉价直流电源这一电 动机应用中的瓶颈问题，直流发电机获得了快速发展。在 1834—1870年这段时间内，发电 机研究领域产生了三项重大的发明和改进。在励磁方面，首先从永磁体转变到采用电流线圈， 其后，1866年，西门子兄弟(W & C W Siemens)又从蓄电池他励发展到发电机自励。在电枢 方面，格拉姆(Gramme)于 1870年提出采用环形绕组。虽然这种绕组早在电动机模型中就已 经提出过，但没有受到重视，直至在发电机中被采用之后，人们才将发电机和电动机中的这 两种结构进行了对比，并最终使电机的可逆原理被大家所接受，从此，发电机和电动机的发 展合二为一。 1870—1890 年是直流电机发展的另一个重要阶段。1873 年，海夫纳阿尔泰涅克 (HefnerAlteneck)发明了鼓形绕组，提高了导线的利用率。为加强绕组的机械强度，减少铜线 内部的涡流损耗，绕组的有效部分被放入铁心槽中。1880年爱迪生(Edison)提出采用叠片铁 心，进一步减少了铁心损耗，降低了绕组温升。鼓形电枢绕组和有槽叠片铁心结构一直沿用 至今。 上述若干重大技术进步使直流电机的电磁负荷、单机容量和输出效率大为提高，但换向 器上的火花问题随之上升为突出问题。于是，1884年出现了换向极和补偿绕组，1885年开 始用碳粉制作电刷。这些措施使火花问题暂告缓和，反过来又促进了电磁负荷和单机容量的 进一步提高。 辜成林 陈乔夫 熊永前编 华中科技大学出版社 2001年第 1版 4 在电机理论方面，1886年霍普金森兄弟(J & E Hopkinson)确立了磁路欧姆定律，1891 年阿诺尔特(Anoret)建立了直流电枢绕组理论。这就使直流电机的分析和设计建立在更为科 学的基础上。因此，到 19世纪 90年代，直流电机已经具备了现代直流电机的主要结构特点。 1882年是电机发展史上的一个转折点。这一年，台勃莱兹(Depratz)把米斯巴哈水电站发 出的 2kW 直流电，通过一条长 57km 的输电线送到了慕尼黑，从而为电能和电机的应用开 辟了广阔的前景。 然而，随着直流电的广泛应用，直流电机的固有缺点也很快暴露出来。首先，远距离输 电时，要减少线路损耗，就必须升高电压，而制造高压直流发电机却有很多不可克服的困难。 此外，单机容量不断增大，电机的换向也就变得越来越困难。因此，19世纪 80年代以后， 人们的注意力逐渐向交流电机方面转移。 1.2.2 交流电机的形成和发展 1832 年，人们就知道了单相交流发电机，而直流电机中的换向器也就是为了实现绕组 中交变电流与端口直流电流之间的相互转换而设计的特定装置。不过，1870 年以前，由于 生产上没有需要，加上当时科学水平的限制，人们对交流电的特点还不大了解。1876 年， 亚勃罗契柯夫(Yaporochikov)首次采用交流电机和开磁路式串联变压器给“电烛”供电。1884 年，霍普金森兄弟发明了具有闭合磁路的变压器，同年，齐波诺斯基(Zipernowski)、德拉(Deri) 和勃拉弟(Blathy)三人又提出了芯式和壳式结构。之后，单相变压器就逐渐在照明系统中得 以应用，使远距离输电问题得到缓解，但又产生了新的矛盾。这就是，当时的单相交流电还 不能用作电动机电源，换句话说，运用交流电驱动各类生产机械的问题仍未获得解决。交流 感应电动机的发明，与产生旋转磁场这一研究工作紧密相连。1825 年，阿拉戈(Arago)利用 金属圆环的旋转，使悬挂其中的磁针得到了偏转。实际上，这一现象展示的就是多相感应电 动机的工作原理。1879 年，贝利(Beiley)采用依次变动四个磁极上的励磁电流的办法，首次 用电的方式获得了旋转磁场。1883 年，台勃莱兹进一步在理论上阐明，两个在时间和空间 上各自相差 1/4周期的交变磁场，合成后可以得到一个旋转磁场。然而，真正用交流电产生 旋转磁场，并制造出实际可用的交流电机的，还是从费拉里斯(Ferraris)和特斯拉(Tesla)两人 的工作开始。1885 年，费拉里斯把用交流电产生旋转磁场和用铜盘产生感应电流这两种思 想结合在一起，制成了第一台两相感应电动机。稍后，他又于 1888年发表了“利用交流电产 生电动旋转”的经典论文。同一时期，特斯拉亦独立地从事于旋转磁场的研究，而且几乎与 费拉里斯同时发明了感应电动机。 在此基础上，1889 年，多利夫多布-罗夫斯基(Doliv-Dobrovsky)又进一步提出了采用三 相制的建议，并设计和制造了三相感应电动机。与单相和两相系统相比，三相系统效率高， 用铜省，电机的性能价格比、容量体积比和材料利用率有明显改进，其优越性在 1891年建 成的从劳芬到法兰克福的三相电力系统中得到了充分显示。该系统的顺利运行表明，三相交 流电不但便于输送和分配，而且更有利于电力驱动。三相电动机结构简单，工作可靠，很快 得到了大量应用。因此，到 20世纪初，交流三相制在电力工业中就占据了绝对统治地位。 随着交流电能需求的不断增加，交流发电站的建设迅速发展，至 19世纪 80年代末期， 研制能直接与发电机连接的高速原动机以替代蒸汽机的要求被提了出来。经过众多工程技术 人员的苦心研究，不久就研制出了能高速运转的汽轮机。到 90年代初期，许多电站已经装 有单机容量为 1000kW的汽轮发电机组。此后，三相同步电机的结构逐渐划分为高速和低速 两类，高速的以汽轮发电机为代表，低速的以水轮发电机为代表。同时，由于大容量和可靠 性等明显原因，几乎所有的制造厂家都采用了励磁绕组旋转(磁极安装在转子上)、电枢绕组 静止(线圈嵌放在定子槽中)的结构型式。随着电力系统的逐步扩大，频率亦趋于 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化，但 不同的地区和国家的标准不一，如欧洲的标准为 50Hz，美国为 60Hz，我国统一为 50Hz， 电机学 第一章 导 论 5 等等。 此外，由于工业应用和交通运输方面的需要，19世纪 90年代前后还发现了将交流变换 为直流的旋转变流机，以及具有调速和调频等调节功能的交流换向器电机。 在交流电机理论方面，1893年左右，肯涅利(Kennelly)和斯泰因梅茨(Steinmetz)原译为“司 坦麦茨”。开始用复数和相量来分析交流电路。1894 年，海兰(Heyland)提出的“多相感应电 动机和变压器性能的图解确定法”，是感应电机理论研究的第一篇经典性论文。同年，费拉 里斯已经采用将一个脉振磁场分解为两个大小相等、方向相反的旋转磁场的方法来分析单相 感应电动机。这种方法后来被称为双旋转磁场理论。1894年前后，保梯(Potier)和乔治(Goege) 又建立了交轴磁场理论。1899年，布隆代尔(Blondel)原译为“勃朗德尔”。 在研究同步电动机电枢反应过程中提出了双反应理论，这在后来被发展成为研究所有凸极电 机的基础。 总的说来，到 19世纪末，各种交、直流电机的基本类型及其基本理论和设计方法，大 体上都已建立起来了。 1.2.3 电机理论和设计、制造技术的逐步完善 20 世纪是电机发展史上的一个新时期。这个时期的特点是：工业的高速发展不断对电 机提出各种新的、更高的要求，而自动化方面的特殊需要则使控制电机和新型、特种电机的 发展更为迅速。在这个时期内，由于对电机内部的电磁过程、发热过程及其它物理过程开展 了越来越深入的研究，加上材料和冷却技术的不断改进，交、直流电机的单机容量、功率密 度和材料利用率都有显著提高，性能也有显著改进，并日趋完善。 以汽轮发电机为例，1900 年，单机容量不超过 5MVA，到 1920 年，转速为 3000r/min 的汽轮发电机的容量已达 25MVA，而转速为 1000r/min的汽轮发电机的容量达到 60MVA， 至 1937 年，用空气冷却的汽轮发电机的容量已达到 100MW。1928 年氢气冷却方式首次被 应用于同步补偿机，1937年推广应用于汽轮发电机后，就使转速为 3000r/min的汽轮发电机 的容量上升到 150MW。20世纪下半叶，电机冷却技术有了更大的发展，主要表现形式就是 能直接将气体或液体通入导体内部进行冷却。于是，电机的温升不再成为限制容量的主要因 素，单机容量也就可能更大幅度地提高。1956 年，定子导体水内冷、转子导体氢内冷的汽 轮发电机的容量达到了 208MW，1960 年上升为 320MW。目前，汽轮发电机的冷却方式还 有全水冷(定、转子都采用水内冷，简称双水内冷)、全氢冷以及在定、转子表面辅以氢外冷 等多种，单机容量已达 1200MW～1500MW。 水轮发电机和电力变压器的发展情况与此相类似。水轮发电机的单机容量从 20世纪初 的不超过 1000kW增至目前的 1200MW，电力变压器的单台容量也完全能够与最大单机容量 的汽轮发电机或水轮发电机匹配，电压等级最高已经达到 1200kV。 电机功率密度和材料利用率的提高可以从下面一组关于电机重量减轻和尺寸减小的实 例数据窥见一斑：小型异步电动机的重量 19世纪末为每千瓦大于 60kg，第一次世界大战后 已降至每千瓦 20kg左右，到 20世纪 70年代则降到每千瓦 10kg；与此同时，电机体积也减 小了 50%以上，技术进步的作用是非常明显的。 促使电机重量减轻和尺寸减小的主要因素来自于三个方面。首先是设计技术的进步和完 善。这其中有电机理论研究成果的直接注入，也有设计手段和工具革新的积极影响，尤其是 计算机辅助设计(CAD)技术的应用，真正使多目标变参数全局最优化设计成为可能。其次是 结构和工艺的不断改进。新工艺措施包括线圈的绝缘和成型处理、硅钢片涂漆自动化、异步 机转子铸铝等等，辅以专用设备、模夹具以及生产线和装配线，也就从根本上保证了设计目 标的完整实现。第三是新型材料的发展和应用，如铁磁材料采用冷轧硅钢片，永磁材料采用 稀土磁体、钕铁硼磁体，绝缘材料采用聚酯薄膜、硅有机漆、粉云母等等。 辜成林 陈乔夫 熊永前编 华中科技大学出版社 2001年第 1版 6 自动化技术的特殊需要推动了控制电机的发展。20世纪 30年代末期出现的各种型式的 电磁式放大机，如交磁放大机和自激放大机等，就是生产过程自动化和遥控技术发展需要的 产物。现今多种型式的伺服电动机、步进电动机、测速发电机、自整角机和旋转变压器等， 更是各类自动控制系统和武器装备以及航天器中不可缺少的执行元件、检测元件或解算元 件。它们大多在第二次世界大战期间陆续出现，60 年代以后基本完善，但在功能、精度、 可靠性、快速响应能力方面不断有所改进，年产量的平均增长速度明显高于普通电机。 新型、特种电机是所有原理、结构、材料、运行方式有别于普通电机或控制电机，但基 本功能又与普通电机或控制电机无本质差异的各类电机的总称。由于这类电机大都是为了满 足某种特定需求而专门研制的，具有普通电机或控制电机难以企及的某种特定性能，因而品 种繁多，发展速度惊人，应用无所不及。有的以直线运动方式驱动磁悬浮高速列车；有的以 500000r/min 超高速旋转；有的以蠕动方式爬行；有的还可以直接作二维或三维运动；有的 用作大功率脉冲电源，主要以突然短路方式运行，典型应用如环形加速器和电磁发射与推进； 有的功率不到 1W，采用印刷绕组，尺寸不足 2mm，用于人体医学工程；有的甚至直接由压 电陶瓷和形状记忆合金等功能材料制成，可实现纳米级精密定位(压电超声波电机)和柔性伺 服传动(形状记忆合金电机)，性能卓越，但不再适用电磁理论，原理和运行控制方式也与电 磁式电机截然不同。事实上，特种电机，尤其是微特电机一直是电机发展中最有活力、最富 色彩、也最具挑战性的分支之一。 综观 20世纪电机制造技术的发展，由于设计、工艺和材料等方面的长足进步，各类电 机的性能几近完善。不过，世界各国发展水平不一，其实际状况是一个国家电工技术水平的 客观反映，据此 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 一个国家的综合技术实力亦不为过。 在电机理论方面，1918年，福蒂斯丘(Fortescue)原译为“福提斯古”。提出了求解三相不 对称问题的一般化方法——对称分量法。对于不对称的三相系统，无论是变压器、异步电机 还是同步电机，总可以把三相电压和电流分解成正序、负序和零序三组对称分量。其中，正 序电流在电机内部产生一个正向旋转磁场，负序电流产生反向旋转磁场，零序电流产生脉振 磁场。这样，就使电机不对称运行时内部物理过程的描述得到简化，进而在线性假设条件下， 应用叠加原理，即认为电机的总体行为是三组分量单独作用行为的叠加，就可以对电机不对 称运行时的行为进行分析计算。在此基础上，各类交流电机(器)的分析方法也就得到了进一 步统一。接下来，1926—1930 年间，道黑提(Dohadi)和尼古尔(Nigull)两人先后提出了五篇 经典性论文，发展了布隆代尔的双反应理论，求出了同步电机的瞬态功角特性，以及三相和 单相突然短路时的短路电流。1929年，帕克(Park)原译为“派克”。又利用坐标变换和算子法， 导出了同步电机瞬态运行时的电压方程和算子电抗。同时，许多学者又研究了同步电机内的 磁场分布，得出了各种电抗的计算公式和测定方法。这些工作使得同步电机的理论达到了比 较完善的地步。在异步电机方面，1920—1940年间，德雷福斯(Dreyfus)原译为“卓福斯”。庞 加(Punga)、弗里茨(Fritz)、马勒(Müller)原译为“穆勒”。海勒尔(Heiller)原译为“赫勒”。等人 还对双笼和深槽电机的理论和计算方法、谐波磁场产生的寄生转矩、异步电机噪声等问题进 行了系统的研究，奠定了分析设计基础。 为了寻求分析各种电机的统一方法，1935—1938年间，克朗(Kron)首次引入张量概念来 研究旋转电机。这种方法的特点是，一旦列出原型电机的运动方程，通过特定的张量转换， 就可以求出其它各种电机的运动方程。线圈的连接、电刷或集电环的引入、对称分量和其它 各种分量的应用等等，都相当于一定的坐标变换。张量方法的应用，不但揭示了电机及其各 种分析方法之间的相互联系，使电机理论趋于统一，而且为许多复杂问题的求解提供了新的、 也更有效的途径。 20世纪 40年代前后，由于第二次世界大战的影响，自动控制技术得到了很大的发展， 相应地，各类控制电机和小型分马力电机的理论也有了较大的发展。至 50年代，很多学者 电机学 第一章 导 论 7 进一步利用物理模拟和模拟计算机，研究同步电机和异步电机的机电瞬态过程，亦使一些比 较复杂的交流电机动态运行问题得到了解决。 在旋转电机理论体系方面，从 1959年起，由怀特(White)和伍德森(Woodson)倡导，已逐 步建立起了以统一的机电能量转换理论为基础的新体系。这种体系的特点是：把旋转电机作 为广义机电系统中的一种，从电磁场理论出发导出电机的参数，从汉密尔顿(Hamilton)原理 和拉格朗日　麦克斯韦(Lagrange Maxwell)　 方程出发建立电机的运动方程，用统一的方法来 研究各种电机的电动势、电磁转矩以及实现能量转换的条件和机理，还统一利用坐标变换、 方块图和传递函数、状态方程等方法分析各种电机的稳态和动态性能以及电机与系统的联 系，从而使电机理论建立在更为严密的基础之上。不过，从教学角度看，这种新体系的理论 起点较高，对基础知识的要求与我们目前的课程设置不衔接，因此，我国高校在电机学的教 学中仍然采用传统的理论体系。 进入 20世纪 60年代以后，电力电子技术和计算机技术的应用使电机的发展经历了并继 续经历着一场持久的革命性的变化。大功率可控硅开关元件问世后，出现了便于控制、体积 小、噪音小，并且完全可以取代直流发电机的大容量直流电源，使直流电动机的良好调速性 能得以更充分发挥。与此同时，还出现了高性能价格比的变频电源，使交流电机的经济、平 滑、宽调速成为可能，既拓宽了交流电机的应用领域，也变更了交流电机的传统观念。在此 基础上，1970 年，勃拉希克(Blaschke)原译为“布拉什克”。提出了异步电机磁场定向控制方 法(通称矢量变换控制，简称矢量控制)。该方法采用坐标变换和解耦处理后，能分别控制电 流的励磁分量和转矩分量，使交流电机可获得与直流电机相媲美的调速性能，由此带动了交 流变速传动的高速发展。近 30年来，交流电机矢量控制在理论和实践上不断得以改进和完 善，直接转矩控制和无位置传感器控制思想使系统结构更为简化，专用控制芯片 DSP(Digital Signal Processor)和各类先进、智能控制技术的应用使系统性能不断提高，不仅在绝大部分场 合替代了直流传动系统，而且已发展到全面追求系统高品质的程度，如数控设备中就采用了 高品质交流伺服系统。这说明，高品质交流变速传动系统已经工业化、实用化。 对电机的近代发展来说，与电力电子技术应用同样重要的是计算机的广泛应用。这主要 表现在三个方面。首先，计算机使电机的运行控制变得更为简便，也更为可靠，并使电机能 以在线监测方式实现故障诊断和运行维护的智能化，而现代高品质电力传动赖以产生和发展 的基础也正是计算机监控技术和电力电子技术的有机结合。其次，非线性特性和动态行为分 析这些传统电机学中的研究难点，可运用计算机辅助分析(CAA)及数值仿真技术得以圆满解 决，并且还能够虚拟实际系统，包括实际系统难以实现的一些理想或极限运行工况以及各类 故障行为的预演，在强化研究手段、丰富研究内容、降低研究成本、缩短研究周期方面发挥 着重要作用。最后，借助于计算机和现代数值方法，如偏微分方程数值解法(有限元法、有 限差分法、边界元法等)和最优化数学方法(人工神经网络、遗传算法、模拟退火算法等)，能 从综合物理场的角度(电场、磁场、温度场、流场、应力场等)研究电机内的物理现象，求解 出电机内各类场的分布，计算电机参数，从微观上把握结构、材料对电机性能的影响，真正 从全局最优化观点实现电机结构的多目标变参数设计。 1.2.4 电机的发展趋势 人们预测，超导技术的广泛应用将使社会生产发生新的飞跃，同时也使电力工业在 21 世纪的发展面临难得的机遇和巨大的挑战。客观地说，电机发展到现在，已经取得了非常了 不起的成就，其单机容量的进一步增大、效率和功率密度(容量体积比)的进一步提高似乎只 有也只能寄希望于超导技术的实用化进展，并期望由此带动电机结构和运行控制理论与实践 的重大突破。根据超导材料的温度特性，我们把诞生于 20世纪初期的传统超导技术称之为 低温超导，其在电机研究领域的应用开始于 50年代，主要用于研制超导发电机。经过大约 辜成林 陈乔夫 熊永前编 华中科技大学出版社 2001年第 1版 8 30年的开发研究，虽然也取得了单机容量达 70MW的成果，但制造、运行成本之高，结构、 工艺之复杂，仍然是普通工业应用所无法接受的。80 年代中期超导材料的研究获得突破， 相应的高温超导技术给超导电机的实用化进程带来了新的曙光。目前，容量为 1000kVA 的 高温超导变压器已经试制成功，高温超导发电机和电动机也都在研制之中。可以说，高温超 导电机的工业化、实用化进程将是 21世纪科学技术进步的重要内容之一。 新型、特种电机仍将是与新原理、新结构、新材料、新工艺、新方法联系最密切、发展 最活跃、也最富想象力的学科分支，并将进一步深入渗透到人类生产和生活的所有领域之中。 随着人类生活品质的不断提升，绿色电机的概念已经提出并被人们所接受。虽然这个概念目 前还是抽象的，但从环保角度看，低振动、低噪声、无电磁干扰、有再生利用能力以及高效 率、高可靠性是一些最起码的要求，这对电机的设计制造和运行控制，尤其是原理、结构、 材料、工艺等，无疑是一种新的挑战。此外，随着工业自动化的不断发展，智能化电机或智 能化电力传动的概念也被越来越多的人们所认可。这种智能化包含两方面的内容：其一是系 统所具有的控制能力和学习能力，另一方面就是电机的容错运行能力，即要求研制所谓容错 型电机。容错型电机的定义还不太确切，其基本要求就是以安全为前提，允许电机在故障和 误操作情况下的容错运行，直至故障消除或系统自动控制恢复。这对于传统的电机运行观念， 无疑也是一个严峻的挑战。 计算机技术和电力电子技术的更广泛应用将把已在电机领域内引发的革命性变化不断 推向深入，并最终使电机从分析、设计、制造、运行到控制、维护、管理全过程全方位实现 最优化和自动化、智能化。由计算机辅助分析(CAA)、计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助 制造(CAM)技术构架而成的电机的计算机集成制造系统(Computer Integration Manufacturing System on Electrical Machines，或简称为 CIMS EM)　 ，将有可能以全局最优化为目标实施电 机的智能化设计和柔性自动化制造，而电力电子技术和计算机在线监测与控制技术的不断进 步将使各类电机的运行、控制和故障诊断以及维护、管理能够最大限度地满足系统最优化、 自动化、智能化发展的综合需要。 需要特别强调的是，近代科学技术，特别是计算机技术对电机学科的影响是巨大的，意 义是深远的。电机的传统内涵已经发生了并继续发生着极大的变化，研究内容拓宽了，研究 方法改进了，研究手段也丰富了。新的观念在形成，新的交叉学科在产生，老学科确实重新 焕发出了生机和魅力。近年来，围绕电机及其系统的各类控制设备和计算机应用软件的研制 方兴未艾，并已构成电机学科新的发展方向。电机与电力电子技术的结合使得现代电力传动 系统的分析必须将电机与系统以及电力电子装置揉为一个整体，由此可形成所谓“电子电机 学”。传统电机学以路(电路、磁路、热路、风路)、集中参数、均质等温体、刚体等概念分 析处理电机，视电机为系统中的一个元件，若可将之称为“宏观电机学”的话，那么，从综合 物理场的角度、用计算机手段分析处理电机的理论和方法体系就可以称之为“微观电机学”。 此外，在我国，“电力电子与电力传动”已经发展成为一门新的学科。 总之，融合科技进步的最新成就，不断追求新的突破，这是电机并且也是所有科学技术 发展的永恒主题。它激励着我们努力学习，勇于探索，有所发明，有所发现，有所创造，有 所前进。 1.3 电机中的基本电磁定律 1.3.1 全电流定律 早在公元前，人们就知道了磁的存在。但在很长时间里，人们都把磁场和电流当作两种 电机学 第一章 导 论 9 独立无关的自然现象，直到 1829年才发现了它们之间的内在联系，即磁场是由电流的激励 而产生的。换句话说，磁场与产生该磁场的电流同时存在。全电流定律就是描述这种电磁联 系的基本电磁定律。 　 设空间有 n根载流导体，导体中的电流分别为 I1，I2 ，……，In则沿任意可包含所有这 些导体的闭合路径 l，磁场强度 H的线积分等于这些导体电流的代数和，即 ∑∫ = =⋅ n i il IH 1 dl (1.1) 图 1.1 说明全电流定律 就是全电流定律，亦称作安培环路定律。式中电流的符号由右手螺旋法则确定，即当导 体电流的方向与积分路径的方向呈右手螺旋关系时，该电流为正，反之为负。以图 1.1为例， 虽有积分路径 l和 l′，但其中包含的载流导体相同，积分结果必然相等，并且就是电流 I1， I2和 I3的代数和。依右手螺旋法则，I1和 I2应取正号，而 I3应取负号。写成数学表达形式就 是 321' dd IIIll −+=⋅=⋅ ∫∫ lHlH (1.2) 即积分与路径无关，只与路径内包含的导体电流的大小和方向有关。 全电流定律在电机中应用很广，它是电机和变压器磁路计算的基础。 1.3.2 电磁感应定律 　 电磁感应定律是法拉第 1831年发现的。将一个匝数为 N的线圈置于磁场中，与线圈交 链的磁链为 Ψ，则不论什么原因(如线圈与磁场发生相对运动或磁场本身发生变化等等)，只 要 Ψ发生了变化，线圈内就会感应出电动势。该电动势倾向于在线圈内产生电流，以阻止 Ψ 的变化。设电流的正方向与电动势的正方向一致，即正电势产生正电流，而正电流又产生正 磁通，即电流方向与磁通方向符合右手螺旋法则(见图 1.2)，则电磁感应定律的数学描述为 t Ψe d d−= (1.3) 图 1.2 说明电磁感应定律 这是一个实验定律，式中负号表明感应电动势将产生的电流所激励的磁场总是倾向于阻 辜成林 陈乔夫 熊永前编 华中科技大学出版社 2001年第 1版 10 止线圈中磁链的变化，常称为楞次定律。 特别地，若 N匝线圈中通过的磁通均为 Φ，即磁链　 NΦΨ = (1.4) 则式(1.3)可改写为 t ΦNe d d−= (1.5) 导致磁通变化的原因可归纳为两大类，一类是磁通由时变电流产生，即磁通是时间 t的函数； 另一类是线圈与磁场间有相对运动，即磁通是位移变量 x的函数。综合起来，磁通的全增量 就是 dx x Φdt t ΦdΦ ∂ ∂+∂ ∂= (1.6) 从而有 vT eex ΦNv t ΦNe +=∂ ∂−∂ ∂−= (1.7) 式中，v= t x d d 为线圈与磁场间相对运动的速度； t ΦNe ∂ ∂−=T 为变压器电动势，它是线圈与 磁场相对静止时，单由磁通随时间变化而在线圈中产生的感应电动势，与变压器工作时的情 况一样，由此而得名； x ΦNve ∂ ∂−=v 为运动电动势，在电机学中也叫速度电动势或旋转电 动势，或俗称为切割电动势，它是磁场恒定时，单由线圈(或导体)与磁场之间的相对运动所 产生的。 虽然普遍说来，任一线圈中都可能同时存在上述两种电动势，但为了简化分析，同时也 利于突出特点，下面将两种电动势分别予以讨论，并尽可能与电机中的实际情况相符。 1. 变压器电动势 设线圈与磁场相对静止，与线圈交链的磁通随时间变化，特别地，按正弦规律变化，即 ωtΦΦ sinm= (1.8) 式中， 为磁通幅值；ω=2πf为磁通交变角频率，单位是 rad· 。 mΦ 1−s 于是可得 )90sin(cosmT D-tt m ωωω EΦNee =−== (1.9) 式中， mΦNE ω=m 为感应电动势幅值。 式(1.9)表明，电动势的变化规律与磁通变化规律相同，但相位上滞后 90°，如图 1.3 所 示。 图 1.3 电动势与磁通的相位关系 电机学 第一章 导 论 11 在交流正弦分析中，相量的大小用有效值表示。感应电动势的有效值 mm mm 44.42 22 fNΦfΦNΦNEE ==== πω (1.10) 这就是电机学中计算变压器电动势的一般化公式。 2. 运动电动势 如图 1.4 所示，设匝数为 N 的线圈在恒定磁场(即 B 不随时间变化，仅在长度 l 范围内 沿 ζ 方向按一定规律分布，即 ζ 为的函数 B(ζ)，正方向 n 为垂直进入纸面)中以速度 v 沿 ζ 方向运动，线圈两边平行，但与 ζ垂直，宽度为 b，有效长度亦为 l，距原点距离为 x，则任 意时刻穿过线圈的磁通为 ξξ dBlΦ bx x )(∫+= n (1.11) 图 1.4 线圈切割磁场感应电动势 线圈内产生的感应电动势即运动电动势为 lvBNbxBxBNvlee nnnv Δ=+−−== )]()([ (1.12) 式中，磁场 Bn，线圈运动方向 v 和感应电动势 e 之间的关系由右手定则(又称发电机定则) 确定。 显然，若希望磁场得以最充分利用，则磁场应只有垂直于线圈平面的分量，即 B(ξ )≡Bn ( )ξ 若进一步希望在线圈中得到最大感应电动势，还应要求 B(x)≡－B (x+b)，　即线圈一侧 边与另一侧边处的磁场大小恒相等，但方向(极性)恒相反。事实上，这也是电机设计的基本 准则。 对于单根导体，在 B、v 及 l 相互垂直的假设条件下，由式(1.12)可得｜e｜=Blv，这与 物理学中的结果是一致的。 1.3.3 电磁力定律 1. 电磁力定律 磁场对电流的作用是磁场的基本特征之一。实验表明，将长度为 l的导体置于磁场 B中， 通入电流 i后，导体会受到力的作用，称为电磁力。其计算公式为 BlF ×Σ=Σ= dd iF (1.13) 特别地，对于长直载流导体，若磁场与之垂直，则计算电磁力大小的公式可简化为 BliF = (1.14) 辜成林 陈乔夫 熊永前编 华中科技大学出版社 2001年第 1版 12 这就是通常所说的电磁力定律，也叫毕奥萨伐电磁力定律。式中电磁力 F、磁场 B和载流 导体 l的关系由左手定则(又称电动机定则)确定。 显然，当磁场与载流导体相互垂直时，由式(1.14)计算的电磁力有最大值。普通电机中， 通常沿轴线方向，而 B 在径向方向，正是出于这种考虑。这种考虑与产生最大感应电动势 的基本设计准则完全一致，实际上隐含了电机的可逆性原理。 由左手定则可