《电机学》教案 第五章
《电机学》电子教案
《电机学》电子教案电机学电子教案一、教学目标：1.了解电机的基本原理和结构；2.掌握电机的工作原理和特性；3.掌握电机的分类和应用。
二、教学内容：1.电机的基本原理a.电机的定义和分类b.电磁感应定律c.电机的结构和工作原理2.直流电机a.直流电机的基本原理和特点b.直流电机的分类和应用c.直流电机的工作特性和调速方法3.交流电机a.交流电机的基本原理和特点b.交流电机的分类和应用c.交流电机的工作特性和调速方法4.电机的保护和维护a.电机的保护措施和装置b.电机的维护方法和注意事项三、教学过程：1.教师引入通过向学生提问，引导学生思考电机的作用和重要性。
2.电机的基本原理a.电机的定义和分类：通过讲解电机的定义和分类，引导学生了解电机的基本概念。
b.电磁感应定律：通过实例和实验，让学生理解电磁感应定律的原理和应用。
c.电机的结构和工作原理：通过讲解电机的结构和工作原理，让学生了解电机的构造和工作原理。
3.直流电机a.直流电机的基本原理和特点：通过讲解直流电机的基本原理和特点，让学生了解直流电机的原理和特性。
b.直流电机的分类和应用：通过实例和实验，让学生了解直流电机的分类和应用。
c.直流电机的工作特性和调速方法：通过实例和实验，让学生了解直流电机的工作特性和调速方法。
4.交流电机a.交流电机的基本原理和特点：通过讲解交流电机的基本原理和特点，让学生了解交流电机的原理和特性。
b.交流电机的分类和应用：通过实例和实验，让学生了解交流电机的分类和应用。
c.交流电机的工作特性和调速方法：通过实例和实验，让学生了解交流电机的工作特性和调速方法。
5.电机的保护和维护a.电机的保护措施和装置：通过讲解电机的保护措施和装置，让学生了解电机的保护方法。
b.电机的维护方法和注意事项：通过讲解电机的维护方法和注意事项，让学生了解电机的维护要点。
四、教学评价：1.通过课堂练习，检测学生对电机基本原理的理解和掌握程度。
《电机学》电子教案
《电机学》电子教案电机学电子教案第一节电机的基本原理一、电机的分类1.直流电机2.交流电机3.步进电机4.永磁同步电机5.阻尼电机二、电机的工作原理1.电磁感应原理2.洛伦兹力原理3.滑差转子原理第二节直流电机的工作原理一、直流电机的结构1.电枢2.磁场3.磁极二、直流电机的工作原理1.电流通过电枢产生磁场2.磁场与电枢之间产生转矩3.转矩驱动转子转动三、直流电机的性能参数1.额定转速2.额定功率3.额定电流第三节交流电机的工作原理一、感应电动机1.工作原理2.转子结构3.转子工作原理二、同步电动机1.工作原理2.磁场同步3.转矩产生第四节步进电机的工作原理一、步进电机的结构1.定子3.步进机构二、步进电机的工作原理1.脉冲信号驱动2.步进角度3.步进精度第五节永磁同步电机的工作原理一、永磁同步电机的结构1.永磁体2.定子3.转子二、永磁同步电机的工作原理1.磁场同步2.转矩产生3.功率系数第六节阻尼电机的工作原理一、阻尼电机的结构1.铝制电枢2.铁质定子二、阻尼电机的工作原理1.铝制电枢制动2.阻尼环减震3.变速范围结语通过本次课程学习，可以了解到电机的基本原理、各种类型电机的工作原理以及性能参数。
同时也可以了解到不同类型电机在不同应用领域中的特点和优势，为以后的电机应用和设计提供了重要的参考。
希望同学们能够认真学习，掌握电机学的基本知识，为将来的工作奠定坚实的基础。
东北电力大学电机学ppt讲义第05章
电机的制造工艺
1
电机的制造工艺主要包括机械加工、绕组制造和 装配等工序。
2
机械加工包括转轴和机座的加工，绕组制造包括 绕线、绝缘处理和烘干等工序，装配则是将所有 零部件组装在一起的过程。
3
制造工艺对于电机的性能和使用寿命具有重要影 响，因此需要严格控制制造过程中的各个环节。
04
电机的工作特性
电机的运行特性
东北电力大学电机学 ppt讲义第05章
目录
• 绪论 • 电机的基本理论 • 电机的基本结构 •绪论
电机学的重要性
电机是现代工业、农业、国防和科技等领域的重要动力和控 制系统，电机学是研究电机设计、运行、控制和保护的学科 ，对于国家和社会的发展具有重要意义。
随着科技的不断进步，电机学在能源、环保、交通、航天等 领域的应用越来越广泛，电机学的发展对于推动相关领域的 科技进步和产业升级具有重要作用。
实验能够帮助学生更好地理解电机的工作原理、 性能特点以及运行特性，为今后从事电机相关 领域的工作打下坚实的基础。
通过实验，学生可以培养观察、分析和解决问 题的能力，提高实验技能和科学素养，增强创 新意识。
电机实验的种类和内容
基础性实验
包括电机特性实验、电机参数测量实验等，旨在让学生掌握电机的 基本性能和参数。
电机的分类与特点
直流电机
具有稳定的输出转矩、良好的调速性能和较大的启动电流。
交流电机
分为异步电机和同步电机，具有结构简单、运行可靠、维护方便 等优点。
变压器
用于升高或降低电压，是电力系统中重要的电气设备。
电机的应用领域
工业领域
电机广泛应用于各种生产机械 和设备中，如电动机、发电机
、减速机等。
《电机学课件》PPT课件
• 使用教材：胡虔生、胡敏强、杜炎生合编《电 机学》，中国电力出版社
• 参考书：汪国梁主编《电机学》
05.12.2020
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《电机学》（二）课程简介
• 课程名称： 中文名称：电机学（二） • 英文名称：Electrical Machinery （Part 2） • 教学对象：电气工程类专业、本科 • 课程定位：《电机学》是本专业的一门主要技
• 使用教材：胡虔生、胡敏强、杜炎生合编《电 机学》，中国电力出版社
•
Stephen J.Chapman, Electric Machinery
Fundamentals, McGRAW-HILL International
Editions
• 参考书：汪国梁主编《电机学》 返回
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变压器图片、图形、动画
变压器的空载运行 变压器运行特性 三绕组变压器 三绕组变压器向量图 变压器外特性 TR三次谐波磁通路径 YYN变压器组中性点浮动 三相变压器组铁芯磁通波形 相量图
变压器参数测定 变压器暂态运行 自耦变压器 互感器 对称分量合成 变压器并联运行 T形电路 三相变压器
05.12.2020
术基础课，定位为：
* 电气工程的基础 * 电力系统的核心
• 课程特点：课程特点是概念多、理论性强，与 工程联系密切。
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《电机学》（二）课程简介
主要内容：本课程主要讲述：同步电机的结构， 工作原理、运行等到方面的内容。具体为：
❖同步电机的基本理论与运行特性 ❖同步发电机在大电网上运行 ❖同步发电机不对称运行 ❖同步发电机的突然短路。
000 绪论讲解
绝缘等级
A
E
B
F
H
允许温度 OC 105 120 130 155 180
4.结构材料：制造电机所需要的其它金属材料。
8
绪论
二、铁磁材料的磁特性 1.磁化特性：铁磁体会被外磁场磁化，即 铁磁体内磁筹受外
磁场作用形成附加磁场，而呈现出很强的磁性。
2.高导磁性: 铁心磁导率 Fe 0 空气：0 4 10 7H/m
《电机学》目录
第二篇 三相异步电动机 第7章 三相异步电动机的基本工作原理和结构 第8章 三相交流绕组、感应电动势及磁动势 第9章 三相异步电动机的基本理论 第10章 三相异步电动机的基本性能
3
《电机学》目录
第三篇 同步电机 第11章 同步发电机的基本工作原理和结构 第12章 同步发电机的基本理论 第13章 同步发电机的并联运行 第14章 同步发电机的异常运行和突然短路 第15章 同步电动机和同步调相机 第四篇 直流电机 第16章 直流电机的基本工作原理和结构 第17章 直流电机的运行
10
绪论
0.3 电机理论中常用的基本电磁定律
一、电磁感应定律 （两种形式） 1.运动电动势
e B l v （方向：右手定则）
2.变压器电动势
e N d（方向：右手螺旋定则）
dt 二、电磁力定律
f B l I （方向：左手定则）
11
绪论
三、电量与磁量、电路定律与磁路定律对比
电路
电动势 E
3.饱和特性： Fe 常数 磁化曲线 B f (H ) 呈非线性。
9
绪论
4.铁心损耗： 磁滞损耗： ph f Bm2
在交变磁场作用下，铁磁体内的磁筹反复被磁化，磁筹 反复转向产生摩擦引起的损耗。 涡流损耗： pe f 2 Bm2 d 2 / Re
电机学的课程设计
电机学的课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能够理解并掌握电机的基本结构、工作原理及分类。
2. 学生能够描述并解释电机在不同应用领域的功能及作用。
3. 学生能够掌握电机的主要性能参数，并运用相关公式进行计算。
技能目标：1. 学生能够运用电机学知识，分析并解决实际电路中电机相关问题。
2. 学生能够正确使用实验仪器，进行电机性能测试，并处理实验数据。
3. 学生能够设计简单的电机控制系统，实现电机的启动、停止和调速。
情感态度价值观目标：1. 学生通过学习电机学，培养对物理学科的热爱和兴趣，增强探究精神。
2. 学生能够认识到电机在日常生活和国家发展中的重要作用，提高社会责任感和使命感。
3. 学生通过合作学习，培养团队协作能力和沟通交流能力，形成积极向上、互帮互助的学习氛围。
课程性质：本课程为电机学基础知识课程，旨在帮助学生建立电机学的基本概念，提高解决实际问题的能力。
学生特点：初三学生具备一定的物理基础知识，具有较强的求知欲和动手能力。
教学要求：结合学生特点，采用讲解、实验、讨论等多种教学方法，注重理论联系实际，提高学生的知识运用能力。
在教学过程中，关注学生的个体差异，鼓励学生积极参与，充分调动学生的学习积极性。
通过本课程的学习，使学生能够达到上述课程目标，为后续学习打下坚实基础。
二、教学内容1. 电机的基本概念：介绍电机的定义、分类及用途，重点讲解电机在日常生活和工业中的应用。
教材章节：第一章 电机概述2. 电机的工作原理：详细讲解电机的工作原理，包括电磁感应、电磁力等基本概念。
教材章节：第二章 电机的工作原理3. 电机结构及参数：介绍电机的主要结构，如定子、转子、绕组等，以及电机的主要性能参数。
教材章节：第三章 电机结构及参数4. 电机启动、运行和调速：讲解电机的启动方法、运行特性及调速原理。
教材章节：第四章 电机启动、运行与调速5. 电机应用实例：分析电机在不同领域的应用，如家用电器、工业生产等。
《电机学讲》课件
阐述步进电机的基本工作原理，包括每步的转动和磁场的变化。
步进电机特点及应用
介绍步进电机的特点，如精确控制和低速驱动，以及各种应用领域。
第五章：电机控制
电机控制基础
闭环控制及开环控制
说明电机控制的基本原理和概念， 包括驱动电路和控制信号。
对比闭环控制和开环控制的优劣 和适用场景，以及各自的控制策 略。
电机控制中的PID算法
介绍PID算法在电机控制中的应 用，以及如何调节PID参数。
第六章：电机保护
1
电机运行中的故障
列举电机运行中常见的故障，如过载、过热和短路等。
2
电机保护方法
介绍保护电机的多种方法，如热继电器、保险丝和断路器。
3
电机保护电路设计
指导如何设计电机保护电路，包括过流保护和过温保护。
详细介绍直流电机的结构和特点， 以及不同类型的直流电机。
揭示直流电机背后的基本原理， 包括电磁力、电刷和转子等。
直流电机的调速方法
介绍多种直流电机调速方法，如 电压变化、电阻调速和PWM调 速。
第三章：交流电机
1
三相异步电机基本原理
2
解析三相异步电机的基本工作原理，包
括转子的旋转和磁场的产生。
3
三相异步电机调速方法
第七章：电机维护
1 电机维护周期
建议定期进行电机维护，以保证其正常运行。
2 电机保养方法
介绍保养电机的方法，如清洁、润滑和紧固螺栓。
3 电机维修流程
概述电机维修的流程，包括故障诊断、部件更换和测试。
4
探讨三相异步电机的调速方法，包括转 子电阻调速和变频调速。
交流电机结构及分类
电机学详解教案
磁性材料按矫顽力Hc的大小可分为软磁材料和硬磁材料。
3、基本磁化曲线
对同一铁磁材料，选不同的Hm进行反复磁化，可得大小不同的磁滞回路，将各磁滞回路顶点连接起来。可得到基本磁化曲线。
二、磁路的基本定律
下面分别介绍在进行磁路分析和计算时常用的几条定理
1、安培环路定理（或称全电流定理）
在磁路中沿任一闭合路径L，磁场强度H的线积分等于该闭和回路所包围的总电流即：
(1-1)
电流的参数方向与闭合路径方向符合右手螺旋关系取正号，反之为负.
若沿长度L。磁路强度H处处相等，且闭和回路所包围的总电流是由通过I的N匝线圈提供，则上式可写成：
对电工钢片n=1.6~2.3 Ch：磁滞损耗系数
所以，磁滞回路面积越小，磁滞损耗越小，电机和变压器铁心常用硅钢片制成，因硅钢片的磁滞回线小，属于软磁材料。
2、涡流损耗
因铁心是导电的，当穿过铁心的磁通随时间变化时，铁心中产生感应电势，从而产生电流，这些环流在铁心内绕磁通做旋状流动成为涡流，涡流在铁心中引起损耗称为涡流损耗。由于涡流的存在，对铁心磁通回路产生影响。回路将由静态变为动态形式右图虚线所示：
根据
用（b）图面积1241表示，是去磁过程，H>0 dB >0 为正，此时为正向磁化过程，从电源输入能量，
用（C）图面积2342表示，是去磁过程，H>0 dB<0 为负，说明能量从磁路系统释放返回电源。
同理下本个周期内
用面积3563表示，H<0 dB<0 为正，此时为反向磁化过程，从电源输入能量，
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第五章异步电机感应电动机优点：结构简单、运行可靠、效率高、制造容易、成本低。
感应电动机缺点：不能平滑调速、调速范围窄、降低电网功率因数（对电网来讲是感性负载）。
5．1异步电机的基本类型和基本结构基本类型：单相鼠笼式异步电机；三相鼠笼式异步电机；三相绕线式异步电机异步电机主要结构包括：静止的定子，旋转的转子，气隙。
基本类型中就是指转子的结构形式。
1．定子------定子铁心、定子三相或单相绕组、机座2．转子-----转子铁心、转子绕线或鼠笼绕组、轴3．气隙---0.2mm~1.5mm因为磁势大部分都消耗在气隙上，气隙小则电机的空载磁化电流就小，功率因数高。
考虑到机械的原因，气隙又不能太小。
5．2异步电机的基本工作原理1．电动机状态（0< n < n1, 0< s <1 ）p214图(1)定子三相对称绕组通入三相对称电流，产生同步转速旋转的气隙磁场。
(2)转子导体运动（相对磁场，磁场转速快）切割磁力线，产生感应电动势，进而产生电流。
电流与气隙磁场的相互作用产生与转子转向相同的拖动转矩。
(3) 电机从电网吸收电功率，经过气隙的耦合作用从轴上输出机械功率。
2．发电机状态 （ n > n 1 , s<0 ） （1） 原动机拖动转子以n(>n 1)转速旋转。
(2) 转子导体运动（相对磁场，磁场转速慢）切割磁力线，产生感应电动势，进而产生电流。
电流与气隙磁场的相互作用产生与转子转向相反的制动转矩。
(3) 电机从轴上吸收机械功率，经过气隙耦合再向电网输出电功率。
3．电磁制动状态 ( n<0 , s>1)转子逆着磁场方向旋转，此时电机既从电网吸收电功率又从轴上吸收机械功率，它们都消耗在电机内部变成损耗。
5．3异步电动机的额定值额定功率：电机轴上输出的机械功率W , kW 额定电压：定子绕组线电压V 额定电流：定子绕组线电流A 额定频率：电网频率即工频50H Z额定转速：额定工况下的转子转速r/min另外有：额定运行时的效率N η 和额定运行时的功率因数N ϕcos 关系式：N N N N N I U P ϕηcos 3=定子三相绕组Y接时 N N N N U U I I φφ3== ；定子绕组Δ接时N N NN U U I I φφ==35．4转子静止时的异步电机 5.4.1 转子绕组开路定子三相绕组中依次通入三相电流C B A I I I 0.0.0.,,（对称，互差1200, p216 Fig.5.9）。
产生气隙旋转磁势，转向由电流相序决定。
前面学习了单相绕组产生的磁势位于相绕组轴线上，所以通入的电流有A ，B ，C 顺序时，磁势将由A 相绕组轴线到B 相绕组轴线再到C 相绕组轴线。
转速为同步速度n 1,基波磁势幅值为：011023I pk N F N π=，其产生磁通为m .φ。
该磁通与定子某相绕组交链产生感应电动势为：m N k N f j E .1111.44.4φ-=感应电动势滞后磁通90度电角度。
相电压平衡方程式 10.1.1.Z I E U +-=Z 1=R 1+jX 1σ 定子相绕组漏阻抗，包括绕组电阻和漏电抗，是常数。
由于感应电动机磁场是由定子绕组电流建立的，仿照变压器由励磁参数表示励磁（感应）电势，有： )(0.0.1.m m m jX R I Z I E +-=-= 整理得 ()m Z Z I U +=10.1.如果转子绕组每相串联匝数N 2，基波绕组系数k N2，感应电动势频率f 2=sf 1=f 1，主磁通m .φ在转子绕组中产生的相电动势有效值为：m N m N k N f k N f E φφ221222244.444.4==电动势变比： 221121N N e k N k N E E k ==5．4．2 转子绕组短路转子仍然静止不动，但是转子绕组被短路。
当产生感应电动势后就会产生电流。
分别由定转子绕组产生的磁势F 1,F 2转速相同、转向相同、极对数相同（必须），说明它们在空间相对静止。
二者合成磁势为F 0，它在气隙中产生的合成旋转磁场B m 。
F 0，B m ，F 1转速相同、转向相同、极对数相同。
5．4．3 电动势平衡方程式（图5.11 p219）⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧=+=+-=2122.2.211.1.1.)(Ek E jX R I E Z I E U e σ 5．4．4 磁动势平衡方程式021F F F =+ 该合成磁势产生气隙旋转磁场B m 。
与变压器中的分析结论相类似，如果不考虑铁心中的磁滞和涡流损耗，F 0与B m在空间上同相位。
而实际上，在交流磁场中，铁心中总存在磁滞和涡流损耗，B m 总是在空间上滞后F 0一个铁耗角。
()L F F F F F 10201+=-+=222221111122I pk N m F I p k N m F N L N L ππ-=-==电流变比 22211112N N L i k N m k N m I I k ==上式说明，定子电流产生的磁势一部分用于建立磁场F 0一部分用来平衡转子磁势（对应负载磁势）。
用电流表示的磁势平衡方程式有：.1.0.1L I I I += .2.0.1)(I I I -+=5．4．5 转子绕组的折算等效绕组：用一个与定子绕组匝数、相数、绕组系数相同的绕组代替实际的转子绕组。
折算条件：1）磁势平衡关系不变 ；2）能量传递关系不变 物理量包括： 折算前 2,22,2,2,2,2,2.,2.,N k m N Z X R F I E σ折算后1,11,'2,'2,'2,'2,.'2,.'2,N k m N Z X R F I E σ 过程推导：1）折算前后转子磁势保持不变，有2222'211122I pk N m I p k N m N N ππ=iN N k I k N m k N m I 2111222'2===-L I 12）由于磁势平衡关系不变，主磁通不变，感应电动势不变（转子静止）⎪⎩⎪⎨⎧==mN m N k N f E k N f E φφ2212111'244.444.4 因此 1222211'2E E k E k N k N E e N N === 3）能量传递关系不变有2222'22'21R I m R I m = σσ2'2R k k R i e =σσ2222'22'21X I m X I m = σσ2'2X k k X i e = 同样 '2'22'2σjX R Z k k Z i e +==转子静止时异步电动机平衡方程式：⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧-==+=+=+-=m Z I E E E I I I jX R I E Z I E U .01.'21.'2.1.0'2'2.'2.'211.1.1.)(σ5．5转子旋转时的异步电机及其等效电路 5．5．1 转子绕组的电动势和电流转子转动时，三个速度及其关系有：转子（机械）转速n ，气隙磁场转速n 1，气隙磁场与转子相对转速n 2（它决定了转子绕组感应电动势及电流的变化频率）。
⎪⎩⎪⎨⎧=-==-=111122126060sf pn n n n pn f nn n s 在(0.01~0.04)范围 f 1=50 H Z 时 f 2在(0.5~2)H Z当转子旋转时，转子感应电动势和电流变化频率为f 2，所有与频率有关的物理量都发生变化。
转子绕组每相电动势2221222244.444.4sE k N sf k N f E m N m N s ===φφ σσσσσππω2212222222sX L f s L f L X s ====5．5．2 定、转子磁动势仍然相对静止结论：不论s 和 n 怎样变化，从定子坐标系看，转子旋转磁势与定子旋转磁势角频率相同、极对数相同、转速相同、转向相同。
就是说定转子磁势在气隙中相对静止。
因为：站在定子坐标系上看，定子磁势旋转速度为气隙磁场同步转速n 1，气隙磁场与转子相对转速n 2, 转子转速n ，所以站在定子坐标系上看转子磁势转速为n 2+n=n 1，所以定转子磁势在气隙中相对静止。
例题p223 5．5．3 频率折算进行频率折算的目的是用一个等效的静止的转子来代替原来旋转的转子。
条件是磁势平衡、功率守恒。
根据（参考图5.13a ） s s s jX R E I σ222.2.+=（频率为 f 2）=σ222.jsX R sE + 经过变换得：σ222.2.jsX sR sE I +=（频率为 f 1）= σ2222.2.)1(jsX R sR s sE I ++-=经过数学的简单变换，得出结论是：用一个静止的转子来代替原来旋转的转子时，与频率有关得物理量乘以s （感应电动势和电抗），电阻要除以s 。
画出等效电路图5.13b ，可知静止的转子回路中串入了一个附加电阻sR s 2)1(-。
5．5．4 等效电路从转子静止到考虑转子旋转时的异步电动机平衡方程组如下：⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧-==+=+=+-=⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧-==+=+=+-=m m Z I E E E I I I jX s R I E Z I E U Z I E E E I I I jX R I E Z I E U .01.'21.'2.1.0'2'2.'2.'211.1.1..01.'21.'2.1.0'2'2.'2.'211.1.1.)()(σσ⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧==-=+==-=+-='.'2.'20.1...'21..'21.''2'2.'2.'2.'211.1.1.L m L Z I U Z I E I I I E E Z I Z I E U Z I E U 转子静止 转子旋转 变压器方程组5．5．5 相量图异步电动机运行于电动机状态，其相量图与变压器带有电阻性负载时的相量图相同。
已知参数包括：U 1, I 1, cos φ1, s, R 1, R 2, X 1σ, X 2σ, k e , k i .。
异步电动机对电网来说是一个感性负载，感性负载,1I 滞后电压U 1的角度为,1ϕ。
方法一1）以磁通φm 为参考相量2）感应电动势1.E 滞后磁通m φ90度，1.E -则超前m φ90度 3）励磁电流.0I 超前m φ一个铁耗角 αFe 根据)(111.1.1.σjX R I E U ++-= 得出1.E4）根据'21E E =及)('2'2.'2.'2σjX sR I E +=求出.'2I5）由.'2.1.0I I I +=变换得.'2.0.1)(I I I -+=6）根据)(111.1.1.σjX R I E U ++-= 得出U 1(这个值是已知的) 以及,1ϕ方法二如果已知具体的U 1, I 1, cos φ1,值，则可以U 1为参考相量,依次为I 1, E 1,m φ,I 2’, I 05．6异步电机等效电路的简化T 型等效电路（计算机用）Γ型等效电路（工程用）：为了简化计算，也希望像变压器那样将励磁支路前移，不同的是变压器励磁阻抗非常大，励磁电流和原边漏阻抗很小。