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电机与拖动基础

第一章 电机的基本原理 ........................................... 1 第二章 电力拖动系统的动力学基础 ................................. 6 第三章 直流电机原理 ............................................ 12 第四章 直流电机拖动基础 ........................................ 14 第五章 变压器 .................................................. 29 第六章 交流电机的旋转磁场理论 .................................. 43 第七章 异步电机原理 ............................................ 44 第八章 同步电机原理 ............................................ 51 第九章 交流电机拖动基础 ........................................ 61 第十章 电力拖动系统电动机的选择 ................................ 74

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第一章 电机的基本原理

1-1 请说明电与磁存在哪些基本关系，并列出其基本物理规律与数学公式。

答：

电与磁存在三个基本关系，分别是

（1）电磁感应定律：如果在闭合磁路中磁通随时间而变化，那么将在线圈中感应出电动势。感应电动势的大小与磁通的变化率成正比，即 e??NdΦ dt感应电动势的方向由右手螺旋定则确定，式中的负号表示感应电动势试图阻止闭合磁路中磁通的变化。

（2）导体在磁场中的感应电动势：如果磁场固定不变，而让导体在磁场中运动，这时相对于导体来说，磁场仍是变化的，同样会在导体中产生感应电动势。这种导体在磁场中运动产生的感应电动势的大小由下式给出 e?Blv 而感应电动势的方向由右手定则确定。

（3）载流导体在磁场中的电磁力：如果在固定磁场中放置一个通有电流的导体，则会在载流导体上产生一个电磁力。载流导体受力的大小与导体在磁场中的位置有关，当导体与磁力线方向垂直时，所受的力最大，这时电磁力F与磁通密度B、导体长度l以及通电电流i成正比，即

F?Bli 电磁力的方向可由左手定则确定。

1-2 通过电路与磁路的比较，总结两者之间哪些物理量具有相似的对应关系（如电阻与磁阻），

请列表说明。 答：

磁路是指在电工设备中，用磁性材料做成一定形状的铁心，铁心的磁导率比其他物质的磁导率高得多，铁心线圈中的电流所产生的磁通绝大部分将经过铁心闭合，这种人为造成的磁通闭合路径就称为磁路。而电路是由金属导线和电气或电子部件组成的导电

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回路，也可以说电路是电流所流经的路径。

磁路与电路之间有许多相似性，两者所遵循的基本定律相似，即KCL：在任一节点处都遵守基尔霍夫第一定律约束；KVL：在任一回路中都遵守基尔霍夫第二定律；另外，磁路与电路都有各自的欧姆定律。两者之间相似的物理量主要有：电路中传输的是电流，磁路中相应的为磁通；电路中的电动势、电压与磁路中的磁动势、磁压降类似。电路中

的电阻或电导与磁路中的磁阻或磁导相似。这些对应关系如下表所示：

当然两者之间也有一些不同之处，比如磁通只是描述磁场的物理量，并不像电流那样表示带电质点的运动，磁通通过磁阻时，也不像电流通过电阻那样要消耗功率，因而也不存在与电路中的焦耳定律类似的磁路定律；分析电路时一般不涉及电场问题，不考虑漏电流，而分析磁路时离不开磁场的概念，要考虑漏磁现象；在电路中电动势为零时，电流也为零，但在磁路中往往有剩磁，磁动势为零时，磁通不一定为零；磁路的欧姆定律与电路的欧姆定律也只是形式上的相似，由于铁心的磁导率不是常数，它随励磁电流而变化，因而磁路计算不能应用叠加原理。

1-3 如何理解机电能量转换原理？根据这个原理可以解决什么问题？

答：

从能量转换的观点，可以把依靠电磁感应原理运行的机电设备看作是一类机电转换装置，比如，变压器是一种静止的电能转换装置，而旋转电机是一种将机械能转换成电能（发电机）或将电能转换成机械能（电动机）的运动装置。因此，机电能量转换原理是学习和研究电机理论的一个重要工具。根据这个原理，可以求得电机（发电机、电动机）和变压器中的关键物理量感应电动势和电磁转矩的大小，进而分析电机和变压器的运行特性。

1-4 旋转电机模型的基本结构由哪些部分组成，其各自有什么作用？气隙又有何作用？

答：

旋转电机模型的基本结构由定子、转子和气隙三个部分组成：定子是固定不动的，

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转子是运动的，它们之间隔着一层薄薄的气隙。在定子和转子上分别按需要安装若干线圈，其目的是在气隙中产生磁场。往往要求气隙磁场按一定的形式分布，例如正弦分布磁场。电机作为一种机电能量转换装置，能够将电能转换为机械能，也能将机械能转换为电能。由于机械系统和电气系统是两种不同的系统，其能量转换必须有一个中间媒介，这个任务就是由气隙构成的耦合磁场来完成的。

1-5 以两极原型电机作为旋转电机的物理模型，有何应用意义？

答：

两极原型电机结构简单，原理清晰，易于扩展，可作为旋转电机的物理模型。通过对该模型的研究和分析，便于学习和掌握一般旋转电机的基本原理。

1-6 通过模型电机，是如何建立电机的基本电动势和转矩方程的？又怎样将两极电机的方程

推广到多极电机？ 答：

通过模型电机，根据电磁感应定律，可以求得旋转电机电动势的通用计算公式

e??NdΦcos?t?NΦ?sin?t。利用该公式可以推导出具体电机的电动势，比如同步dt电机、异步电机或直流电机。再根据机电能量转换原理，可得两极电机的电磁转矩公式

Te?μπDl?Wf???0FsFrsin?sr。由于电机的磁极总是成对设置的，常用极对数np来表??sr2gμ0πDlFsFrsin?sr。 2g示电机的磁极数，则多极电机的电磁转矩为Te??np

1-7 电机中存在哪些能量损耗？有哪些因素会影响电机发热？电动机与发电机的功率传递

有何不同？ 答：

电机进行机电能量转换时总是存在能量损耗的，能量损耗将引起电机发热和效率降低。一般来说，电机的能量损耗可分为两大类：

（1）机械损耗：由电机的运动部件的机械磨擦和空气阻力产生的损耗，这类损耗与电机的机械构造和转速有关。

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