緒論

一、電機在國民經濟中的作用

電能是現代主要的能源，而電機是與電能的生產、傳輸和使用緊密相關的能量轉換裝

置，它不僅是工業、農業、交通運輸業、國防工業、IT技術產業的重要設備，而且在日常

生活中的應用也越來越廣泛。

人類早期使用的原動力是畜力、水力和風力，后來發明了蒸汽機、柴油機、汽油機，十

九世紀發明了電動機，由于電動機有以下優點

(1)電機的效率高，運行經濟；

(2)電能的傳輸和分配比較方便；

(3)電能容易控制。

所以電動機的應用越來越廣泛，現在絕大部分生產機械都采用電動機進行拖動，即用電

動機作為原動機。

讓電機運轉需要電能，電能主要來自發電機，為了經濟的傳輸和分配電能需要變壓器,

另外隨著自動化程度的不斷提高，自動控制技術得到空前的發展，出現了各種各樣的控

制奠基，此外在文教、醫療衛生、信息產業及日常生活中奠基的應用將會愈加廣泛。

二、電機的主要類型

電機的型式和種類很多，但其工作原理都是基于電磁感應定律和電磁力定律，電機的分

類方法很多，按功能進行分類，可分為：

(1)發電機將電能轉換為機械能

(2)電動機將機械能轉換為電能

(3)變壓器將電能變換為不同等級的電能

(4)控制電機作為控制系統中的元件

三、我國電機工業發展概況

解放前電機工業極端落后，僅幾個城市有電機制造廠。解放后電機工業發展很快第一個

五年計劃結束時，年產量和單機容量都較解放前提高了幾十倍。改革開放以來我國電機工業

在引進、吸收和消化國外先進技術的基礎上對原有電機進行了優化設計，使電機性能大大提

高，并相繼研制和開發了多種新系列電機，不僅滿足了國內生產需要，而且向國外出口。目

前我國已開發制成125個系列，900多個品種，幾千種規格的各種電機。

電機工業發展趨勢是電子與電機工業結合，開展新原理、新結構、新材料電機的研制工

作。

第一章：磁路

主要內容：磁路基本定理，鐵磁材料的特性及交。直流磁路。

1-1磁路的基本定理

本節介紹磁路的基本定律及磁路計算。

一.磁路的概念

在工程上為了得到較強的磁場，廣泛的利用了鐵磁物質，在電機，變壓器等設備中

應用鐵磁物質制成一定的形狀人為的構成磁路的路徑,使磁路主要在這部分空間內

分布，這種磁路所通過的路徑稱為磁路。下面分別為變壓器和直流電機的磁路。

這樣就把分布在整個空間的磁路問題，簡化為局限在一定范圍內的磁路問題，即轉

化為磁路問題。

如同電流流過的路徑稱為電路一樣。磁通通過的路徑為磁路。

由于鐵心的導磁性質比空氣好的多，所以絕大部分磁通在鐵心中通過，這部分磁通

稱為主磁通。經過空氣隙閉和的磁路為漏磁通。

用以產生磁路中磁通的載流線圈稱為勵磁線圈，其電流稱為勵磁電流（或激磁電流）

二、磁路的基本定律

下面分別介紹在進行磁路分析和計算時常用的幾條定理

1、安培環路定理（或稱全電流定理）

在磁路中沿任一閉合路徑L,磁場強度H的線積分等于該閉和回路所包圍的總電

流即：

4H，dL=￡i（1-1）

電流的參數方向與閉合路徑方向符合右手螺旋關系取正號，反之為負.

若沿長度L。磁路強度H處處相等，且閉和回路所包圍的總電流是由通過I的N

匝線圈提供，則上式可寫成：

HL=Ni（1-2）

2、磁路的歐姆定律

若鐵心上繞有通有電流I的N匝線圈，鐵心的截面積為A,磁路的平均長度為L,

材料的導磁率為口，不計漏磁通，且各截面上的磁通密度為平均并垂直于各截面

則：

①二JB-dA-BA（1-3）

?.-M=W/=-L=—L（1-4）

〃A"

.中=4=￡（1一5）

=

F=①R,”Rm

上式尸二①凡“稱為磁路的歐姆定律，與電路歐姆定律形式上相似。

注：Rm與電阻R對應，兩者的計算公式相似，但鐵磁材料的磁導率u不是

常數，所以Rm不是常數。

3、磁路的基爾霍夫第一定律

對于有分支磁路，任意取一閉合面A,由磁通連續性的原則，穿過閉合面的磁

通的代數和應為零，即：

Z①=0(1-6)

該定律稱為基爾霍夫第一定律

4、磁路的基爾霍夫第二定律

沿任何閉和磁路的總磁動勢ZNi恒等于各段磁壓降的代數和，即：

k=\

該定律稱為基爾霍夫第二定律

電機和變壓器的磁路總是由數段不同截面，不同材料的鐵心組成，而且還可能

含有氣隙，在進行磁路計算時總是將磁路分成若干段，每段為同一材料。且截面積

和磁密處處相等，見教材P7圖1-5所示，磁路由三段組成，兩段為截面積不同的

鐵磁材料，一段為空氣隙，鐵心上的勵磁磁動勢NI貝IJ：

Ni=tH/=H、l\+H3+H我=@R*+*鼠（1-7）

*=1

三、磁路和電路的類比和區別：

磁路和電路的類比關系:

磁路電路

1.物理量

電動勢E=IR

磁動勢F=帆、

磁通量中電流I

磁阻y電阻R

曲

磁導A=—電導G

Rm

電導率夕

磁導率//

2.基本定律

E

歐姆定律（/）——...歐姆定律1=一

L/RR

基爾霍夫第一定律Z（D=O基爾霍夫第一定律Z，=0

基爾霍夫第二定律ZNi=￡HJk

基爾霍夫第二定律Ze=ZiR

一k=\

電路與磁路的區別：

1.電路中有電流就有功率損耗。磁路中恒定磁通下沒有功率損耗；

2.電流全部在導體中流動，而在磁路中沒有絕對的磁絕緣體，除在鐵心的磁

通外，空氣中也有漏磁通；

3.電阻為常數，磁阻為變量；

4.對于線性電路可應用疊加原理，而當磁路飽和時為非線形不能應用疊加原

理。

總上所述磁路與電路僅是數學形式上的類似，而本質是不同的。

1-2常用鐵磁材料及其特性

為了在一定的勵磁磁動勢作用下能激勵較強的磁場（因為:B=Hg從而使電機及變壓器

等裝置的尺寸縮小，重量減輕，性能改善，必須增加磁路的磁導率由于鐵磁物質具有高

磁導性能，工程上往往利用它來使盡可能多的磁通約束在有限的范圍內。所以電機和變壓器

的鐵心用導磁率較高的鐵磁材料組成。木節介紹鐵磁材料特性。

鐵磁物質的磁化

-、鐵磁物質的磁化

1、鐵磁物質

物質按磁性分：順磁物質、反磁物質和鐵磁物質

有幾種物質，如鐵、鉆、銀以及它們的合金，以及鎰和銘的某些合金，即使在較小的外磁場

的作用下，其磁化也特別顯著。這類物質稱為鐵磁物質，它們的磁導率都很大，超過幾千。

而抗磁物質的磁導率為負值，順磁物質的磁導率大約在10-3?10-6之間。

/金屬一?鐵、鉆、銀，B高，居里溫度高，缺點電阻率低，渦流耗嚴重。

鐵磁物質〈

'非金屬——A鐵氧體電阻率高，渦流損耗小，抗銹防腐

缺點，B低，溫度穩定性差

2、鐵磁物質的磁化

將鐵磁材料放入磁場后，磁場會顯著增強，鐵磁材料在磁場中呈現很強的磁性這一現象，

稱為鐵磁物質的磁化。

原因：鐵磁物質中有許多稱為磁疇的天然磁化區，當未投入磁場時.，磁疇雜亂無章的排列，

磁效應相互抵消對外不顯磁性。當放入磁場后，磁疇按外磁場方向排列起來，形成一附加磁

場疊加在外磁場上。

二、磁化曲線

鐵磁材料的磁狀態一般由磁化曲線B-H曲線表示：

1、起始磁化曲線

起始磁化曲線可由實驗得出。將一塊未磁化的鐵磁材料制成閉合鐵心，其上繞有繞組，

調節R使電流從零開始逐漸增大，則鐵心中穿過橫截面的磁通密度將隨之增大，測得對

應于不同的H值下的B值。可逐點描繪出B-H曲線。

因i7鐵謖M科的融船磁化內殘:和

曲線

2、磁滯回線

若對鐵磁材料進行周期性的磁化，則B-H曲線如下圖：

可見鐵磁材料在交變的磁場內被磁化的過程中，磁化曲線是一條具有單方向性的閉合曲

線，稱為磁滯回線。從磁滯回線上看，B的變化總是滯后于H的變化，這種現象稱為磁

滯現象。

磁性材料按矯頑力He的大小可分為軟磁材料和硬磁材料。

FSll-9結木燃化曲線

3、基本磁化曲線

對同一鐵磁材料，選不同的Hm進行反復磁化，可得大小不同的磁滯回路，將各磁

滯回路頂點連接起來。可得到基本磁化曲線。

三、鐵心損耗

1、磁滯損耗

當鐵磁材料置于交變磁場中時，被反復交變磁化，致使磁疇之間不停的摩擦，消耗能

量，造成損耗，這種損耗稱為磁滯損耗。

由交流電源與磁場之間的往返能量交換，進一步加以說明。

在固定鐵心上裝有一個線圈，設電源電壓為U,電流為I,線圈匝數為N,電阻為R,

則在dt時間內電源輸入裝置的總能量為Uidt消耗于電阻上的電能為Ri2dt

鐵心線圈從交流電源吸收的瞬時功率為：

p=uidt-i'Rdt=-eidt(1-8)

dw

?：e=--—

dt

四

p=i——=id乎=dW,?

dtm

從tl到t2時間內輸入磁路系統的能量：

(1-9)

若鐵心長度為L,截面積為A,則:Hl=Ni%=N0)=NAB

八叱“=j(NAdB=V「HdB

(1-10)

磁場儲能密度為：(1-H)

對線性磁路四=常數

△%=f〃用=%(8)-叫“(0)=:6"(M2)

62

當鐵心線圈內電流變化一個周期時，磁路時而從電路吸取能量，時而又向電網送還能

量。由于有鐵心損耗，吸收的能量大于送還的能量，其差值轉化為鐵心中的熱量，可用磁滯

回線的面積表示。當鐵心線圈內電流變化一個周期時，鐵心的磁滯回線如圖1-12(a)所示

G礴婚例我H跳電探噪骸旃僚靖E返利電球的盥茶《陽福薄分)

圖I12核心的法簿同統和■場錨隹的變化

陰

根據Aw,“=A-IV^=￡HdB

A。,,”=Q：HdB用(b)圖面積1241表示，是去磁過程，H>0dB>0為

正，此時為正向磁化過程，從電源輸入能量，

A?,?2=f'HdB用(C)圖面積2342表示，是去磁過程，H>0dB<0k①［為

JHm

負，說明能量從磁路系統釋放返回電源。

同理下本個周期內

「Br

△%3=(HdB用面積3563表示，H<0dB<04縱3為正，此時為反向磁化

過程，從電源輸入能量，

△例"4=「HdB用面積5615表示，是反向去磁過程，H<0dB>0△。根為負，

說明能量從磁路系統釋放返回電源。

所以一個周期內磁場吸收的凈能量用磁滯回線35123面積表示，這部分能量消耗在鐵

磁材料內，由于磁滯損耗是消耗于鐵心中的平均功率：

以=竿=斤的用(13)

這部分能量最終以熱能的形式消散掉，由于這部分能量是由磁滯現象引起的。因而叫

做磁滯損耗。如無磁滯現象，即回環面積為零，則該損耗也為零。

由上述公式可見冗sf-BrV

所以：2=G乃,"（1-14）

對電工鋼片n=l.6-2.3Ch：磁滯損耗系數

所以，磁滯回路面積越小，磁滯損耗越小，電機和變壓器鐵心常用硅鋼片制成，因硅

鋼片的磁滯回線小，屬于軟磁材料。

2、渦流損耗

因鐵心是導電的，當穿過鐵心的磁通隨時間變化時，鐵心中產生感應電勢，從而產生

電流，這些環流在鐵心內繞磁通做旋狀流動成為渦流，渦流在鐵心中引起損耗稱為渦

流損耗。由于渦流的存在，對鐵心磁通回路產生影響。回路將由靜態變為動態形式右

圖虛線所示：

國IT3磋例片中的設端

在回路上升部分，鐵心中渦流阻止磁場的增加，為保持一定的磁通，激磁電流增加,

以抵消渦流作用，所以磁滯回路上升部分向右擴展，同理下降部分向左擴展

渦流損耗正比于頻率，磁通密度，反比于電阻率及路徑長度

Pe=Cd『B：V（1-15）

鐵心損耗：小=必+幾=（g乃；;+cq2/比卜（1-16）

可近似為：（1-17）：

△：鋼片厚度CFe：鐵心損耗系數G：鐵心重量

1-3直流磁路

本節介紹直流磁路的分析和計算

一.直流磁路的計算

磁路計算分為兩種類型：

1、給定磁通，計算所需的勵磁磁動勢（正向問題）

2、給定勵磁磁動勢，計算磁路內的磁通量（逆向問題）

正向問題計算步驟如下：

1.將磁路按材料性質和不同截面分成數段。

2.計算各段的有效面積A,和平均長度U

3.根據各段中的4。計算各段Bj=%

Ai

Bx

4.由8,一4對鐵磁材料查磁化曲線，對空氣隙：

%

5.計算出各段的磁壓降HL，￡HL=N1=F

注：電機的計算通常為第一類

逆向問題的計算步驟如下：

1.預定“

2.計算相應的磁動勢

3.如尸和已知的F不相等，可按比例重新設定。〃

4.山"計算/'如F'=F則”〃為待求磁通量，否則繼續試探以逐步接近準確值。

二、直流電機的空載磁路

1、直流電機的空載磁路

直流電機的磁路在電機磁路中具有典型性。理解其分析和計算的方法。對電機的

分析、設計是十分重要的。

直流電機的空載磁場指勵磁繞組中通過勵磁電流時建立的磁場。如圖為四極直流電

機的空載磁場分布

c）欖版電珞圖

圖117直流電機的空駛跑場和磁路

磁通分為：主磁通和漏磁通

主磁通：從主極過氣隙到轉子，因氣隙小，磁導大。所以磁通很大。

漏磁通：僅較鏈勵磁繞組本身，由空氣閉和，不進入電樞鐵心。因氣隙大。磁導小。所以其

值很小。

2、空載磁路計算

按直流磁路計算的第一類問題進行計算。根據材料的截面積的不同，再山各

段磁路A,和火的計算各段B：="。最后可得到計算產生0時整個閉和磁

Ai

路所需的磁動勢F。由A*BK=%

F0=f"/=2H$+2H,l,+Hclc+2Hmim+"4<M8)

左=1

計算表明：氣隙和電樞齒這兩部分磁壓降之和占整個空載磁動勢的85%以上。

3、直流電機的磁化曲線

分別計算不同的磁通時所需的勵磁磁動勢。可得到直流電機的磁化曲線

磁化曲線體現了電機磁路的非線性。

三、永磁磁路的計算特點

含有永磁的磁系統稱為永磁磁路。永磁材料也稱為硬磁材料，它和軟磁材料一樣

具有磁滯現象，所不同的是它的磁滯回線寬。

mi-u具打氣降的環超感磁磁跖

對上圖所示的永磁材料進行充磁磁化，隨著激磁電流增加，用磁材料沿OBs曲線

此話，直到飽和磁感應強度Bs，充磁后去掉勵磁電流，磁感應強度沿去磁曲線降

至UBr

由于磁路中無外加的勵磁磁動勢。由安培環路定律:

￡F=IN=HMLM+H$-

HM/

2M

根據磁通連續性定理8MAM=5,.金

所以

B，=%,B,=%儲為=%)=-(%也%以

上式中：3AsA”均為常數，所以方程BM與HM的關系是一直縣稱為工作現0g，

囪1-2。雙有上氣歌的環影

永鐮磕跪的鐮帙工作陽

用磁材料的工作點必須滿足BM=-(〃(/，%%)〃材和去磁曲線B=f(H),

即在兩曲線的交點a上。

1-4交流磁路

前述的是在勵磁線圈中通以直流電。所以為直流磁路，在直流磁路中各個參數都不隨

時間變化，在交流磁路中，因勵磁電流為交流，所以磁通及磁勢均隨時間交變而交變，但就

瞬忖值仍與直流磁路一樣，遵循磁路基本定律。

一、交流磁路的特點

1.交流磁通引起鐵心損耗

2.磁通量隨時間交變，在激磁線圈中感應電勢。

3.磁飽和現象會導致電流。磁通和電動勢波形的畸變。

第二章：變壓器

主要內容：變壓器的工作原理，運行特性，基本方程式等效電路相量土，變壓器的并聯運

行及三相變壓器的特有問題。

2-1變壓器的工作原理

本節以普通雙繞組變壓器為例介紹變壓器的工作原理，基本結構和額定值。

一、基本結構

變壓器的主要部件是鐵心和繞組，它們構成了變壓器的器身。除此之外，還有放置

器身的盛有變壓器油的油箱、絕緣套管、分接開關、安全氣道等部件。主要介紹鐵心和繞組

的結構。

1、鐵心

變壓器的鐵心既是磁路，也是套裝繞組的骨架。

鐵心分：心柱：心柱上套裝有繞組。

鐵輒：形成閉合磁路

為了減少鐵心損耗，通常采用含硅量較高，厚度為0.33mm表面涂有絕緣漆的硅鋼片疊

裝而成。

鐵心結構的基本形式分心式和殼式兩種

心式：鐵物靠著繞組的頂面和底面。而不包圍繞組側面，見圖2-2特結構較為簡單，繞組的

裝配及絕緣也較為容易，所以國產變壓器大多采用心式結構。（電力變壓器常采用的

結構）

殼式：鐵挽不僅包圍頂面和底面，也包圍繞組的側面。見圖2-3,這種結構機械強度較好，

但制造工藝復雜，用材料較多。

鐵心的疊裝分為對接和疊接兩種

對接：將心柱和鐵葩分別疊裝和夾緊，然后再把它們拼在一起。工藝簡單。

迭接：把心柱利鐵麗一層一層的交錯重疊，工藝復雜。

由于疊接式鐵心使疊片接縫錯開，減小接縫處的氣隙，從而減小了勵磁電流，同時這

種結構夾緊裝置簡單經濟可靠性高，多采用疊接式。缺點：工藝上費時

2、繞組

繞組是變壓器的電路部分，用紙包或紗包的絕緣扁線或圓線繞成。接入電能的一端稱為

原繞組（或一次繞組）

輸出電能的一端稱為付繞組（或二次繞組）

一、二次繞組中電壓高的一端稱高電壓繞組，低的一端稱低電壓繞組高壓繞組匝數多，

導線細；低壓繞組匝數少，導線粗。

因為不計鐵心的損耗，根據能量的守恒原理

uj=uj?=s（s原付繞組的視在功率）

電壓高的一端電流小所以導線細

從高低壓繞組的相對位置來看，變壓器繞組可以分為同心式和交疊式兩類

同心式：高低壓繞組同心的套在鐵心柱上。為便于絕緣，一般低壓繞組在里面高壓繞組

在外面。

交疊式：高低壓繞組互相交疊放置，為便于絕緣，上下兩組為抵壓

三、變壓器的額定值

額定值是正確使用變壓器的依據，在額定狀態下運行，可保證變壓器長期安全有效

的工作。

1、額定容量S,v：指變壓器的視在功率。對三相變壓器指三相容量之和。單位

伏安（VA）千伏安（KVA）

2、額定電壓U'：指線值，單位伏（V）千伏（kV）,指電源加到原繞組上

的電壓，U2N是副方開路即空載運行時副繞組的端電壓。

3、額定電流由SN和UN計算出來的電流，即為額定電流

SN/_S/V

對單相變壓器：

IN

qq

對三相變壓器:…畫QN”i一_a醞N

4、額定頻率/：我國規定標準工業用電頻率為50赫（HZ）有些國家采用60赫。

此外，額定工作狀態下變壓器的效率、溫升等數據均屬于額定值。

2?2變壓器的空載運行

本節介紹變壓器的空載運行的電磁過程，并推出空載運行的等效電路方程式相量圖，

一、空載運行時電動勢和電壓比

變壓器一次繞組接電源，二次繞組開路，負載電流12為零，這種情況即為變壓器的空

載運行。

室朱壽共讖說行

上圖為空載運行示意圖，M和N2為一、二次繞組的匝數分別繞在兩個鐵心柱上。

變壓器參數方向的規定：（1）①與i之同向，即符合右手螺旋關系

（2）1；與1同向（一次側為