电机学课件资料清华大学

电机学课件资料欢迎学习清华大学电机学课程电机学是电气工程专业的核心课程之一，本课程将系统地介绍各类电机的结构、工作原理、特性及应用通过学习，您将掌握从基础理论到实际应用的完整知识体系，为后续专业课程和工程实践奠定坚实基础本课件由清华大学电气工程学院精心编制，内容丰富，结构清晰，既有理论深度，又兼顾工程实用性让我们一起探索电机学的奥秘，领略电气工程的魅力课程简介课程目标教学大纲参考教材培养学生掌握电机学的课程包括十一章内容，《电机学》第四版唐基本理论和分析方法，涵盖变压器、直流电机、任远主编、《电机与拖能够对各类电机的工作同步电机、异步电机等动》汤蕴璆主编、《电特性进行计算和分析，主要电机类型的工作原机学教程》胡敏强主编为后续的电力系统、电理、数学模型、控制方以及《电机与电力拖动力电子和电力拖动等课法以及应用领域基础》王永华主编等程奠定基础第一章绪论电机学的定义和范围电机学在电气工程中的地位电机学是研究电能与机械能相互转换的学科，主要研究各类电机电机学是电气工程专业的核心基础课程，与电力系统、电力电子和变压器的工作原理、特性和应用其研究范围包括电磁转换装技术、自动控制等学科密切相关它为电力生产、工业自动化、置的基本理论、工作特性分析、数学模型及控制方法等交通运输等领域提供了理论支持和技术基础电机学的理论基础是电磁场理论和电路理论，它结合了电气工程、在现代社会的能源转型和智能化发展中，电机学知识对新能源利机械工程和材料科学等多学科知识用、节能减排和智能控制系统具有重要意义电机的基本概念电机的分类电机的工作原理按工作原理分类电磁式、静电式、压电式等电磁式电机的工作基于三个基本规律电流的磁效应（安培定则）、电磁感应定律（法拉第定律）以及电磁力定律（楞次定按电源类型分类直流电机、交流电机（包括同步电机和异步律和安培力定律）电机）电机工作时，电流通过导体产生磁场，磁场与另一磁场相互作按用途分类发电机（将机械能转换为电能）和电动机（将电用产生力矩，从而实现能量转换能转换为机械能）电机的基本结构定子转子12定子是电机中的固定部分，通常转子是电机中的旋转部分，由转包括定子铁芯、定子绕组和机座子铁芯、转子绕组（或导体）和定子铁芯由硅钢片叠压而成，具转轴组成转子铁芯同样由硅钢有良好的磁导性能，用于形成磁片叠压而成根据电机类型不同，路定子绕组嵌入定子铁芯槽中，转子结构有所差异，如笼型转子、通入电流后产生旋转磁场或静止绕线转子、永磁转子等转子与磁场机座支撑定子铁芯，并提定子之间存在气隙，是实现电磁供保护和散热功能能量转换的关键区域轴承和外壳3轴承支撑转子的旋转，减小摩擦，常用的有滚动轴承和滑动轴承外壳包括端盖和机座，起保护和支撑作用，同时也参与电机的散热现代电机外壳通常采用防护等级设计，以适应不同的工作环境条件电机的基本参数额定功率额定电压额定转速额定功率是指电机在额定工作条件下能够长额定电压是指电机正常工作时的设计电压，额定转速是指电机在额定负载和额定电压下期稳定输出的机械功率（对于电动机）或电单位为伏特直流电机的额定电压为直的旋转速度，单位为转分对于交V/r/min功率（对于发电机），单位为瓦特或千流电压值，交流电机的额定电压为交流有效流电机，其转速与极对数和电源频率有关W瓦额定功率是选择电机的主要依据值电机必须在额定电压或允许偏差范围内转速是表征电机动态性能的重要参数，直接kW之一，必须根据负载需求合理选择，过大会工作，电压过高或过低都会影响电机性能和影响电机的输出功率和效率造成资源浪费，过小则会导致电机过载损坏寿命第二章变压器变压器的定义和用途变压器是利用电磁感应原理工作的静止电气设备，能够在不改变频率的情况下变换交流电压、电流和阻抗主要用于电力系统的电压变换、电能传输和电气隔离等变压器广泛应用于发电、输电、配电和用电等各个环节，是电力系统中不可或缺的设备变压器的基本结构变压器主要由铁芯、绕组、绝缘材料和散热装置组成铁芯由硅钢片叠压而成，提供磁路；绕组通常为铜导线或铝导线，分为初级绕组和次级绕组；绝缘材料确保各部分之间的电气隔离；散热装置帮助排出工作中产生的热量根据用途不同，变压器结构也有所差异，如油浸式、干式、自冷式和风冷式等理想变压器无损耗无漏磁1理想变压器没有铁损和铜损全部磁通都链接两个绕组2完全耦合无励磁电流43绕组间耦合系数为磁路磁导率无限大1理想变压器是为了简化分析而提出的理论模型在理想变压器中，初级绕组与次级绕组的电压比等于绕组匝数比，电流比与匝数比成反比，初级绕组输入的视在功率等于次级绕组输出的视在功率，效率为100%理想变压器虽然在实际中不存在，但许多高质量的变压器性能接近理想状态在进行初步分析和教学时，常用理想变压器模型帮助理解变压器的基本工作原理和特性变压器的等效电路变压器等效电路是描述变压器电气特性的模型，主要有T型和Π型两种T型等效电路中，将漏抗分别放在初级和次级侧，中间为励磁支路；而Π型等效电路中，将励磁支路分成两部分，分别并联在初级和次级线路两端T型等效电路更直观地反映了变压器的物理结构，物理意义明确；而Π型等效电路在某些分析计算中更为方便两种等效电路可以通过数学变换相互转化，在理论分析和工程计算中各有优势通过等效电路，可以方便地计算变压器在各种工作状态下的电压、电流和功率等参数，为变压器的设计和运行提供理论依据变压器的电压方程基本电磁感应定律变压器的工作基于法拉第电磁感应定律，当初级线圈中通入交变电流时，铁芯中产生交变磁通，这一磁通同时穿过初级和次级线圈，在两个线圈中感应出电动势一次侧电压方程一次侧电压方程为，其中为外加电压，U₁=E₁+I₁R₁+I₁jX₁U₁为感应电动势，为电阻压降，为漏抗压降这表明外E₁I₁R₁I₁jX₁加电压要平衡感应电动势和阻抗压降二次侧电压方程二次侧电压方程为，其中为感应电动E₂=U₂+I₂R₂+I₂jX₂E₂势，为负载端电压，和分别为电阻和漏抗压降感应U₂I₂R₂I₂jX₂电动势要平衡负载电压和阻抗压降变压器的损耗和效率效率计算1铁铜η=P₂/P₂+P+P铜损2铜P=I₁²R₁+I₂²R₂铁损3铁涡流磁滞P=P+P变压器的铁损主要包括涡流损耗和磁滞损耗涡流损耗是由于铁芯中产生的涡流引起的，可通过使用硅钢片叠压铁芯来减少；磁滞损耗是铁芯在交变磁场中磁化方向反复变化所消耗的能量，可通过选用高质量的铁芯材料来降低铜损是由于绕组电阻产生的焦耳热，与电流的平方成正比在变负载运行时，铜损随负载变化，而铁损基本保持不变变压器的最高效率出现在铁损等于铜损时，这对变压器的经济运行有重要指导意义变压器的并联运行1电压比相同确保两台变压器的电压比相同，否则会产生环流2阻抗电压相等确保阻抗电压百分比相同，以合理分配负载3相位相同确保变压器的相位关系一致，避免短路4容量比合理单台容量不应过小，避免某台过载变压器并联运行是指将两台或多台变压器的一次侧连接到同一电源，二次侧连接到同一负载并联运行的主要目的是增加供电容量、提高供电可靠性和便于检修维护变压器并联运行时，每台变压器分担的负载功率与其额定容量和阻抗成比例如果变压器参数不匹配，会导致负载分配不均，甚至出现某些变压器过载而其他变压器轻载的情况，降低整体效率第三章直流电机直流电机是将直流电能转换为机械能（电动机）或将机械能转换为直流电能（发电机）的电机其主要特点是调速范围宽、调速性能好，转矩特性优良，起动转矩大，因此在需要精确速度控制的场合有广泛应用直流电机主要由定子和转子两部分组成定子包括主磁极、换向极和机座；转子包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、轴和风扇等直流电机的工作原理基于安培力定律当通电导体处于磁场中时，会受到与磁场方向和电流方向都垂直的力作用在直流电动机中，定子产生磁场，转子通电后在磁场中受力旋转；在直流发电机中，转子在外力作用下旋转，导体切割磁力线产生感应电动势直流电机的电枢绕组单层绕组单层绕组中，每个线槽只放置一个线圈边，结构简单，绝缘容易单层绕组又分为波绕组和环绕组两种基本类型波绕组的特点是首尾相接且前进一个极距，适合低电压大电流场合；环绕组则是首尾相接且前进一个线圈节距，适合高电压小电流场合双层绕组双层绕组中，每个线槽放置两个不同线圈的线圈边，上下排列双层绕组结构复杂，但具有更好的空间利用率和电气性能双层绕组同样可分为波绕组和环绕组，并且可以设计为复式绕组，增加电流通路数，更灵活地适应不同工作要求直流电机的电枢绕组设计直接影响电机的电气性能、机械强度和散热条件合理的绕组设计能够提高电机效率，减少电磁噪声，延长使用寿命现代电机设计中，往往采用计算机辅助设计方法，通过仿真优化绕组结构和参数直流电机的电枢反应电枢反应产生1电枢电流产生的磁场干扰主磁场磁场畸变2合成磁场发生扭曲，中性区移位运行影响3降低输出，引起换向困难和火花电枢反应是指电枢电流产生的磁场对主磁场的影响作用当直流电机负载运行时，电枢绕组中通过电流，产生与主磁场垂直的电枢磁场这两个磁场相互作用，导致合成磁场发生畸变一侧磁场增强，另一侧磁场减弱，同时使磁场中性线偏离几何中性线电枢反应对直流电机运行有显著影响降低感应电动势，影响电机特性；使中性区移位，导致换向困难，产生火花；增加附加损耗，降低效率为减弱电枢反应的不良影响，通常采用补偿绕组、换向极和设置电刷偏移等措施直流电机的换向时间线圈电流理想换向实际换向换向是指电枢线圈通过电刷与换向器接触时，线圈电流方向发生改变的过程理想的换向过程应该是线圈电流线性变化，从一个方向平稳过渡到相反方向，无火花产生线圈电流在换向过程中变化的曲线称为换向曲线，理想换向曲线为直线影响换向的因素主要包括电枢反应引起的中性区偏移；线圈自感电动势；换向器与电刷接触电阻变化；换向时间过短等为改善换向，通常采用设置换向极、使用高质量电刷和换向器、优化电机设计等方法良好的换向对减少火花、延长电机寿命、提高可靠性至关重要直流电机的特性曲线负载电流他励转速他励电压并励转速直流电机的特性曲线是表征电机性能的重要工具，主要包括外特性曲线和调速特性曲线外特性曲线反映电机在额定励磁条件下，随负载变化时的性能参数（如转速、电压或电流）的变化关系不同类型的直流电机具有不同的外特性他励电机转速随负载增加而略有下降；并励电机转速下降较明显；串励电机转速随负载急剧下降调速特性曲线表示电机在不同调速方式下的转速-负载关系常用的调速方法包括调节励磁电流（弱磁调速）、调节电枢电压和串入电阻等理解这些特性曲线对于正确选择和使用直流电机至关重要直流电机的启动和调速启动方法直流电机启动时，由于电枢绕组电阻较小，如果直接接入额定电压，将产生很大的启动电流，可能损坏电机因此，常用的启动方法包括串入启动电阻法、降低电枢电压法和轻载启动法启动电阻法是最常用的方法，通过在电枢回路中串入可变电阻，随着转速上升逐步减小电阻值调节励磁电流调速减小励磁电流（弱磁调速）可使转速升高，但同时减小了最大转矩这种方法适用于恒功率负载，调速范围一般为基速以上弱磁调速能耗低，效率高，但调速精度和平滑性较差现代控制系统中，常使用励磁电流闭环控制提高调速性能调节电枢电压调速通过改变电枢回路电压可以在基速以下调节电机转速随着电子技术发展，现代直流调速系统多采用可控整流器或DC/DC变换器调节电枢电压，实现无级平滑调速这种方法调速范围宽，调速精度高，但设备成本较高第四章同步电机同步电机的结构1同步电机主要由定子和转子两部分组成定子类似于三相异步电机的定子，包含定子铁芯和三相绕组转子根据结构可分为隐极式和凸极式两种隐极式转子结构简单，适用于高速运行；凸极式转子便于绕线，适用于低速大容量场合转子上还装有励磁绕组，提供恒定磁场同步电机的工作原理2同步电机的定子绕组通入三相交流电后产生旋转磁场，转子由直流电源励磁产生恒定磁场两个磁场相互作用产生同步转矩，使转子以与定子旋转磁场相同的速度旋转，这一速度称为同步速度，由电源频率和极对数决定同步电机的转速与电源频率严格成比例，不受负载影响同步发电机的空载特性励磁电流空载电压理论线性关系同步发电机的空载特性是指转子以同步速度旋转，励磁绕组通以直流电流，而定子绕组开路时，定子感应电动势与励磁电流之间的关系曲线这一特性反映了发电机的磁路状况和感应电动势的产生规律在励磁电流较小时，磁路未饱和，感应电动势与励磁电流近似成正比，曲线呈直线；当励磁电流增大到一定程度，铁心开始饱和，感应电动势增长变缓，曲线呈现出明显的非线性特征空载特性曲线对同步发电机的设计和运行具有重要指导意义，是确定励磁系统参数和控制策略的基础同步发电机的负载特性电枢反应现象1当同步发电机带载运行时，定子三相绕组中的电流产生附加磁场，称为电枢反应磁场这一磁场与转子励磁磁场相互作用，改变了机内磁场分布，从而影响发电机的输出特性电枢反应的效果取决于负载的性质感性负载使磁场减弱，容性负载使磁场增强同步阻抗概念2同步阻抗是表征同步发电机内部电气特性的重要参数，包括同步电抗和电枢电阻在大型同步发电机中，同步电抗远大于电枢电抗，因此常用同步电抗代替同步阻抗进行分析同步电抗反映了电枢反应和漏磁对发电机性能的综合影响外特性曲线3外特性是指发电机在恒定转速、恒定励磁和恒定功率因数下，端电压随输出电流变化的关系曲线不同负载性质下的外特性曲线形状不同感性负载时电压下降明显，阻性负载时电压下降较少，容性负载时电压可能上升理解外特性对于发电机的电压调节和并网运行至关重要同步发电机的功角特性功角度有功功率功角是指同步发电机转子励磁磁场轴线与定子旋转磁场轴线之间的电角度在发电机模式下，转子磁场超前于定子磁场；在电动机模式下，转子磁场滞后于定子磁场功角是同步机电磁转矩产生的基础，也是衡量同步机稳定性的重要指标同步发电机的有功功率与功角成正弦关系P=EV/Xsinδ，其中E为感应电动势，V为端电压，X为同步电抗，δ为功角当功角为90°时，输出功率达到最大值，称为极限功率如果负载功率超过极限功率，同步发电机将失去同步，这一现象称为失步功角特性在电力系统稳定性分析中具有重要作用同步电机的并联运行并网条件功率分配同步发电机并入电网运行是电力系统的同步发电机并联运行后，可通过调节原基本工作方式成功并网必须满足以下动机输入功率来控制发电机输出的有功条件发电机电压等于电网电压；发电功率，通过调节励磁电流来控制发电机机频率等于电网频率；发电机相序与电输出的无功功率这一特性是实现电力网相同；发电机相角与电网相应相位点系统负荷分配和经济调度的基础相同当并联运行的多台发电机受同一调速系在实际操作中，常使用同期装置或同期统控制时，它们按照各自的调速特性分灯法来辅助完成同步并网过程担系统负荷变化运行稳定性并联运行的同步发电机在受到扰动时，会出现功角振荡如果阻尼足够，系统能够回到稳定运行状态；否则可能导致系统失稳为提高系统稳定性，现代同步发电机通常配备励磁调节系统和功率系统稳定器PSS对大型电力系统，还需进行暂态稳定和动态稳定分析，确保系统安全可靠运行同步电动机的启动方法异步启动变频启动辅助启动同步电动机最常用的启利用变频器提供逐渐增通过辅助电动机驱动同动方法是作为异步电动加的频率，使电动机从步电动机转子达到接近机启动转子上安装有低速平稳加速至额定转同步转速，然后励磁并启动绕组阻尼绕组，速变频启动具有启动连入电网，拉入同步运启动时绕组中感应电流电流小、转矩可控、过行这种方法主要用于产生异步转矩，驱动转程平滑等优点，特别适没有启动绕组的同步电子接近同步转速，然后用于大型同步电动机动机，或者在要求限制向励磁绕组通入直流电随着电力电子技术发展，启动电流的场合辅助流，拉入同步运行这变频启动已成为现代同启动方法需要额外的启种方法结构简单，启动步电动机的主要启动方动设备，增加了系统复可靠，但启动电流较大法之一杂性和成本第五章异步电机异步电机是最广泛应用的电机类型，具有结构简单、制造成本低、运行可靠、维护方便等优点根据转子结构不同，异步电机分为笼型异步电机和绕线型异步电机两种基本类型笼型异步电机转子绕组由嵌入铁心槽中的导条和两端的短路环组成，形如笼子；绕线型异步电机转子上绕有与定子类似的三相绕组，引出端通过滑环和电刷与外部电路连接异步电机工作时，定子通电产生旋转磁场，转子导体切割磁力线感应出电流，转子电流与定子磁场相互作用产生电磁转矩，驱动转子旋转转子转速始终低于同步转速，二者的相对差值用转差率表示s=n₁-n₂/n₁，其中n₁为同步转速，n₂为转子实际转速正是由于转速的异步性，这类电机被称为异步电机异步电机的等效电路T型等效电路Γ型等效电路T型等效电路是异步电机最基本的等效电路形式，它将电机的一相绕组表示为Γ型等效电路是T型等效电路的简化形式，它将激磁支路直接接在电源端，忽定子电阻r₁和漏抗x₁，转子电阻r₂和漏抗x₂（已折算到定子侧），以及激磁略了定子阻抗对磁化电流的影响对于容量较大的异步电机，由于定子阻抗较支路（包括铁损电阻r₀和磁化电抗x₀）T型等效电路清晰地反映了电机的物小，这种简化引起的误差很小Γ型等效电路计算简便，在工程分析中应用广理结构，但计算相对复杂泛通过等效电路，可以方便地计算异步电机在各种工作状态下的电流、功率、转矩等参数在分析过程中，通常将转子参数折算到定子侧，以便于统一计算异步电机等效电路的参数可以通过空载试验和堵转试验确定，是设计、选择和使用异步电机的重要理论基础异步电机的功率流输出功率1P₂=P₁-各项损耗转子铜损2P铜2=sP电磁电磁功率3P电磁=P₁-P铁-P铜1定子铜损4P铜1=3I₁²r₁输入功率5P₁=3U₁I₁cosφ₁异步电机的功率流表示电能从输入到输出的传递过程及各类损耗的分布输入功率P₁是从电网获取的电功率，经过定子铜损、铁损后转化为电磁功率P电磁，电磁功率再扣除转子铜损后得到机械功率P机械，最后减去机械损耗得到输出功率P₂异步电机的效率定义为η=P₂/P₁对于大型异步电机，效率可达95%以上；小型电机的效率则较低，约70%-85%了解功率流分布有助于分析电机性能，优化设计参数，提高电机效率异步电机的转矩特性转差率转矩异步电机的转矩方程可表示为T=Cm·U₁²·s/[r₂+xₛ²/r₂·s²]，其中Cm为常数，U₁为定子相电压，s为转差率，r₂为折算转子电阻，xₛ为折算漏抗从此方程可以导出转矩-转差率曲线，即电机的机械特性曲线转矩-转差率曲线表明电机启动时s=1，提供启动转矩；运行中转矩随转差率变化，在临界转差率处达到最大值，称为最大转矩或极限转矩；正常工作区域在最大转矩点左侧的小转差率范围内，此时特性较为平坦转差率接近零时，电机接近同步转速，转矩趋于零了解异步电机的转矩特性对于选择启动方式、设计调速系统和分析运行稳定性具有重要意义异步电机的启动方法降压启动直接启动通过自耦变压器降低电压21电动机直接连接到电源星-三角启动先星形连接后转为三角连接35变频启动软启动器启动逐渐提高频率和电压4利用电力电子器件控制电压异步电机启动时，由于转子几乎静止，转差率接近1，感应电动势和电流较大直接启动时，启动电流可达额定电流的5-7倍，会对电网造成冲击，同时产生较大的机械冲击因此，除小功率电机外，通常需要采用特殊的启动方法限制启动电流降压启动通过降低启动电压减小启动电流，但同时也降低了启动转矩星-三角启动适用于额定运行为三角形连接的电机，启动电流为直接启动时的1/3，但启动转矩也相应减小软启动器通过控制电压有效地实现平滑启动，减少电流和机械冲击变频启动通过调整频率和电压，可实现最佳的启动性能，但成本较高异步电机的调速方法变极对数调速1变极对数调速是基于异步电机的同步转速决定的，通过n₁=60f/p改变定子绕组的极对数来改变转速常见的极对数变换方式有p定子绕组重接法（极数比）、多套绕组法和极数可变绕组法2:1（达勒特式和式）变极对数调速简单经济，但只能实现阶PAM梯式调速，且转速等级有限变频调速2变频调速是通过改变电源频率来调节同步转速，从而调整电机实f际转速的方法现代变频调速系统由整流器、直流环节和逆变器组成，能够提供可调频率和电压的电源变频调速具有调速范围宽、效率高、控制精度好等优点，是目前最先进的异步电机调速方法变频调速系统通常采用恒定控制或矢量控制策略V/f第六章特殊电机伺服电机伺服电机是一种能够准确控制转速、位置和加速度的特殊电机，它具有响应快、精度高、稳定性好的特点伺服电机系统通常包括电机本体、编码器、驱动器和控制器四部分，通过闭环控制实现高精度的位置和速度调节步进电机伺服电机可以是直流伺服电机或交流伺服电机，后者因其维护简便、性能可靠而更为普遍伺服电机广泛应用于工业自动化、机器人、精密机床等领域步进电机是一种将电脉冲信号转换为相应机械角位移的执行机构，其转子的旋转是以固定的角度一步一步运行的每接收到一个脉冲信号，转子就转动一个固定的角度（即步距角）步进电机广泛应用于位置控制系统，如数控机床、打印机和机器人等按照结构和工作原理，步进电机主要分为反应式步进电机、永磁式步进电机和混合式步进电机三种类型特殊电机是为满足特定应用需求而设计的各类非常规电机除步进电机和伺服电机外，还包括开关磁阻电机、永磁电机、线性电机等多种类型，它们在现代工业自动化和精密控制领域发挥着越来越重要的作用步进电机的工作原理结构特点控制方式步进电机的基本结构包括定子和转子定子上装有多个电磁铁绕组，转子则根据类型不同步进电机的控制方式主要有全步距（单相励磁和双相励磁）、半步距和微步距三种单相可以是永磁体（永磁式）、软磁齿（反应式）或兼有两者（混合式）以混合式步进电机励磁时每次只有一相通电，转矩较小；双相励磁时每次有两相同时通电，提供更大转矩；为例，其转子由轴向充磁的永磁体和两端的软磁齿盘组成，两个齿盘在磁极上交错排列半步距控制交替使用单相和双相励磁，使步距角减半；微步距控制通过调节各相电流比例，可实现更小的步距角，提高定位精度和减少振动定子绕组通常按相数分组，常见的有两相、三相和五相步进电机步距角与定子齿数和转步进电机驱动电路通常采用H桥或专用集成电路，受到微处理器或专用控制器的控制现代子齿数有关，典型的步距角有15°、

7.5°、

1.8°和

0.9°等步进电机系统多采用细分技术，提高定位精度和运行平稳性步进电机的基本工作原理是基于电磁铁的吸引和排斥作用当定子绕组按一定顺序通电时，产生旋转磁场，转子在磁场作用下按步距角旋转，实现准确的角位移控制步进电机具有开环控制、定位准确、结构简单等优点，但也存在低速噪声大、共振现象和高速力矩下降等不足伺服电机的特性转矩%功率%伺服电机的转矩特性表现为两个典型区域恒转矩区和恒功率区在低速范围内（约额定转速的0-100%），电机能够输出恒定的最大转矩；而在高速范围（约额定转速的100-300%），转矩随转速增加而降低，但功率保持恒定伺服电机通常具有很高的过载能力，短时最大转矩可达额定转矩的2-3倍速度特性方面，伺服电机具有宽广的速度调节范围，典型的调速比可达1:5000以上在各种速度下，伺服电机都能保持良好的速度稳定性和响应特性，转速波动率通常小于

0.5%伺服电机的动态响应非常迅速，典型的加速时间常数为几毫秒至几十毫秒，能够适应频繁的启停和转向要求第七章电机的数学模型坐标变换理论电机的数学模型通常基于坐标变换理论，将交流电机的三相时变参数转换为两相直角坐标系或两相旋转坐标系中的参数，以简化分析常用的坐标变换包括三相静止坐标系到两相静止坐标系的Clarke变换，以及两相静止坐标系到两相旋转坐标系的Park变换通过坐标变换，可以将复杂的三相交流电机模型转化为结构类似于直流电机的简化模型，便于分析和控制设计d-q轴模型d-q轴模型是电机最常用的数学模型之一，它将电机参数表示在以特定速度旋转的坐标系中对于同步电机，坐标系通常与转子磁场同步旋转；对于异步电机，坐标系可以选择与转子磁链同步旋转（转子磁场定向）或与定子磁链同步旋转（定子磁场定向）在d-q轴模型中，电机的电压、电流、磁链等参数被分解为直轴d轴和交轴q轴两个分量，形成一组常微分方程，这大大简化了电机的数学描述和控制设计同步电机的数学模型静止坐标系下的电压方程usα=Rsisα+dψsα/dtusβ=Rsisβ+dψsβ/dt同步旋转坐标系下的电压方程usd=Rsisd+dψsd/dt-ωeψsqusq=Rsisq+dψsq/dt+ωeψsd电磁转矩方程Te=

1.5pψsdisq-ψsqisd机械运动方程Jdωm/dt=Te-TL-Bωm同步电机的数学模型可以在不同的参考坐标系中建立在静止坐标系α-β坐标系中，电机的电压方程包含时变参数，描述相对复杂；而在同步旋转坐标系d-q坐标系中，参数转化为直流量，模型大为简化在d-q坐标系下，模型包含电压方程、磁链方程、电磁转矩方程和机械运动方程其中，d轴通常与转子磁场方向一致，q轴超前d轴90°电角度电压方程中包含电阻压降、电感压降和转速交叉耦合项；电磁转矩由磁链和电流的交叉乘积决定；机械方程描述了转矩平衡和转速变化关系异步电机的数学模型静止坐标系下的电压方程usα=Rsisα+dψsα/dtusβ=Rsisβ+dψsβ/dt0=Rrirα+dψrα/dt-ωrψrβ0=Rrirβ+dψrβ/dt+ωrψrα同步旋转坐标系下的电压方程usd=Rsisd+dψsd/dt-ωeψsqusq=Rsisq+dψsq/dt+ωeψsd0=Rrird+dψrd/dt-ωe-ωrψrq0=Rrirq+dψrq/dt+ωe-ωrψrd异步电机的数学模型比同步电机更为复杂，因为需要同时考虑定子和转子两套变量在静止坐标系α-β坐标系中，定子变量方程形式简单，但转子变量方程包含转速项；在同步旋转坐标系d-q坐标系中，所有方程都包含旋转速度项异步电机模型的电磁转矩可以表示为Te=

1.5pψrdisq-ψrqisd或其他等价形式机械运动方程与同步电机类似，描述转矩平衡和转速变化关系在矢量控制系统中，通常选择特定的参考坐标系（如转子磁链定向），使得模型进一步简化，便于实现转矩和磁链的解耦控制第八章电机控制技术矢量控制矢量控制，又称磁场定向控制，是一种高性能的交流电机控制方法它的核心思想是将交流电机的定子电流分解为产生磁场的励磁分量和产生转矩的转矩分量，并对这两个分量分别控制，实现类似于直流电机的解耦控制效果矢量控制通常基于电机的详细数学模型，需要准确获取转子位置、速度或磁链信息矢量控制系统结构相对复杂，但能够在宽广的速度范围内提供精确的转矩控制和良好的动态响应直接转矩控制直接转矩控制是另一种高性能交流电机控制方法，它直接控制电机的转矩和定子磁链与矢量控制不同，直接转矩控制不需要坐标变换和复杂的电流调节器，而是根据转矩和磁链的误差以及定子磁链位置，从预定义的电压矢量表中选择最佳电压矢量，直接作用于电机直接转矩控制结构简单，动态响应快，对电机参数变化不敏感，但存在转矩和磁链脉动较大的缺点矢量控制的基本原理磁链定向转子磁场定向控制矢量控制的核心是实现磁链定向，即选择一个特定的参考坐标系，使其d轴与选定的磁链矢转子磁场定向控制是最常用的矢量控制方法在这种方法中，d轴与转子磁链方向一致，使量（如转子磁链）方向一致在这个参考系中，磁链主要由d轴电流分量控制，转矩主要由得转子磁链的q轴分量为零这样，电磁转矩仅由转子磁链大小和定子电流q轴分量决定，q轴电流分量控制，实现类似于直流电机的解耦控制实现了转矩和磁通的解耦控制磁链定向有多种方式，包括定子磁链定向、转子磁链定向和气隙磁链定向等，其中转子磁根据转子磁链信息的获取方式，转子磁场定向控制可分为直接矢量控制（需要磁链传感器）链定向最为常用和间接矢量控制（通过模型估计磁链）矢量控制系统通常包括速度调节器、电流调节器、坐标变换器、磁链观测器或估计器以及逆变器控制模块等组成部分它通过精确控制定子电流矢量的幅值和相位，实现对电机转矩的快速、准确控制现代矢量控制系统结合微处理器和数字信号处理技术，能够实现高性能的交流电机驱动，广泛应用于工业自动化、电动汽车和机器人等领域直接转矩控制的基本原理直接转矩控制的基本原理是直接控制电机的电磁转矩和定子磁链系统通过转矩和定子磁链的估算值与其参考值进行比较，得到转矩误差和磁链误差信号根据这些误差信号和定子磁链的位置，从预定义的电压矢量表中选择最佳电压矢量，通过电压源逆变器直接施加到电机上，从而实现对转矩和磁链的控制直接转矩控制的特点是控制结构简单，不需要复杂的坐标变换和电流调节器，对电机参数变化不敏感，动态响应快但传统的直接转矩控制存在转矩和磁链脉动大、开关频率不固定等缺点为了克服这些缺点，现代直接转矩控制系统通常采用空间矢量调制、预测控制等改进技术，以提高系统性能直接转矩控制广泛应用于需要高动态性能的交流驱动系统，如电动汽车、风力发电和高性能工业驱动等领域第九章电机设计基础电机设计的基本步骤1电机设计是一个系统工程，通常包括以下基本步骤首先是明确设计要求，包括额定功率、转速、电压等参数；然后进行初步设计，确定主要尺寸和基本结构；接着进行电磁计算，包括磁路计算、绕组设计和性能计算；之后是热设计和机械设计；最后进行样机试制和性能测试，根据测试结果进行优化设计现代电机设计广泛采用计算机辅助设计CAD和有限元分析FEA等先进技术，大大提高了设计效率和精度主要设计参数2电机设计涉及众多参数，其中关键参数包括电机类型和结构形式，主要取决于应用需求；主要尺寸，如定子内径、铁心长度和气隙长度，影响电机的体积和电磁负荷；电磁负荷，包括电流密度和磁通密度，影响电机的利用率和发热情况；绕组参数，如绕组类型、导线规格和匝数，影响电机的电气性能此外，还需要考虑绝缘等级、冷却方式、防护等级和轴承类型等参数，这些参数共同决定了电机的性能和适用环境电机的电磁设计磁路计算绕组设计磁路计算是电机电磁设计的核心内容，目的是确保电机在各部位有适当的磁通密度绕组设计包括确定绕组类型、计算匝数、选择导线规格和设计绕组布局等绕组设首先需要确定主磁路的磁动势，然后计算各部分如气隙、铁芯、磁极等的磁通密度计的目标是在满足电气性能要求的同时，优化铜损、边端长度和制造工艺对于交和磁阻对于交流电机，还需考虑谐波磁场和漏磁通的影响流电机，还需要考虑绕组因数、谐波含量和分布系数等磁路计算通常采用磁路法或有限元法磁路法简便快速，适合初步设计；有限元法现代绕组设计强调节能环保，通常采用高填充率设计，使用铜导线代替铝导线，并精度高，能够分析复杂结构，适合精细化设计和优化通过优化绕组结构减少附加损耗对于变频调速电机，还需特别考虑绝缘强度和抗浪涌能力电机的电磁设计是一个迭代过程，需要综合考虑电气性能、热性能和制造工艺设计过程中常采用各种优化技术，如灵敏度分析、遗传算法和神经网络等，以实现多目标优化现代电磁设计还注重材料利用率和能效比，符合可持续发展理念电机的热设计热传导路径电机内部的热量通过导热、对流和辐射三种方式传递导热主要发生在固体部件间；对流发生在固体表面与流冷却系统设计体空气或冷却液之间；辐射在高温电机中也有一定作热源分析用热传导分析需要确定各部件的热阻和热容，建立热冷却系统设计目标是保证电机各部位温度在允许范围内网络模型电机的热源主要包括各种损耗铜损定子和转子绕组常用的冷却方式有自冷IC

410、风冷IC

411、水冷、中的焦耳热、铁损铁芯中的涡流损耗和磁滞损耗、关键的热传导路径包括绕组至铁芯、铁芯至外壳、轴油冷等冷却系统设计需要考虑冷却介质的流量、流道机械损耗轴承摩擦和风阻损耗以及附加损耗热源分承至外壳等这些路径的热阻大小直接影响电机的散热设计和热交换效率等因素析需要确定各种损耗的大小和分布，为热传导和温升计效果现代高效电机冷却系统设计趋向精细化，如采用区域冷算提供依据却技术针对热点区域加强冷却，或使用热管等高效散热不同类型的电机有不同的主要热源如异步电机中铜损装置对于大型电机，往往需要专门的热力学分析和计和铁损占主导，而高速电机的风阻损耗也很显著算流体力学CFD仿真213第十章电机试验常规试验方法电机常规试验包括电气特性试验和机械特性试验电气特性试验主要测量绝缘电阻、绕组电阻、绝缘耐压和空载电流等参数；机械特性试验包括振动、噪声、温升和效率等指标的测量这些试验是确定电机性能和质量的基本手段，是电机制造和使用中必不可少的环节常规试验通常在标准试验台上进行，遵循相关国际或国家标准，如系IEC60034列标准等特殊试验方法特殊试验针对特定类型的电机或特殊的性能要求例如，对于变频电机，需要进行谐波损耗、温升和震动等特性测试；对于伺服电机，需要测量动态响应、位置精度和速度稳定性等指标特殊试验往往需要专用的测试设备和方法随着现代电机应用的多样化，特殊试验的重要性日益增加例如，高效电机需要精确的效率测量，防爆电机需要特殊的安全性能测试变压器试验空载试验变压器空载试验是在一次侧加额定电压、二次侧开路的条件下进行的主要测量三个参数空载电流I₀、空载损耗P₀和空载功率因数cosφ₀空载试验的目的是确定变压器的铁损和励磁参数r₀和x₀空载电流通常为额定电流的1-5%，主要是用于磁路磁化的励磁电流空载损耗基本等于铁损，在额定电压下几乎不随负载变化空载功率因数一般在

0.1-

0.3之间，表明空载电流以无功分量为主短路试验变压器短路试验是在二次侧短接、一次侧加降低电压直至一次侧电流达到额定值的条件下进行的主要测量三个参数短路电压Uk、短路损耗Pk和短路功率因数cosφk短路试验的目的是确定变压器的铜损和阻抗参数rk和xk短路电压通常为额定电压的3-15%，是衡量变压器阻抗的重要指标，也用于计算变压器的短路电流短路损耗基本等于额定负载下的铜损短路功率因数一般在

0.3-

0.6之间，表明阻抗中电抗成分占较大比重通过空载试验和短路试验，可以确定变压器等效电路的所有参数，计算变压器在不同负载条件下的性能，如电压调整率、效率和并联运行特性等这两项试验是变压器出厂测试和定期维护中的基本内容，对于确保变压器安全可靠运行具有重要意义直流电机试验负载电流%转速%效率%直流电机负载特性试验是评价电机性能的重要手段试验通过改变电机负载，测量不同负载下的电机参数，包括转速、电枢电流、励磁电流、输入功率和输出功率等通过这些数据，可以绘制电机的负载特性曲线，如转速-负载曲线、效率-负载曲线和调速特性曲线等试验结果显示，他励直流电机的转速随负载增加而轻微下降，这是由于电枢反应和电枢电阻压降造成的；效率曲线呈现出先升后降的趋势，在75-85%满载时达到最高值通过负载特性试验，可以验证电机是否满足设计要求，指导电机的使用和维护调速特性试验则测量电机在不同调速方式下的性能，如弱磁调速和电枢电压调速等这些数据对于设计直流调速系统具有重要参考价值同步电机试验空载特性试验短路特性试验同步发电机空载特性试验是测量发电机无负载时，端电压与励磁电流的关系试验过程中，同步发电机短路特性试验是测量发电机三相短路时，短路电流与励磁电流的关系试验过发电机以同步速度运行，励磁电流从零逐渐增大直至额定电压的

1.3倍左右，然后再逐渐减程中，发电机以同步速度运行，三相端子短接，励磁电流从零逐渐增大，直至短路电流达小至零，记录每个励磁电流值对应的端电压到额定电流的

1.5倍左右，记录每个励磁电流值对应的短路电流试验结果绘制成空载特性曲线，表现为上升曲线和下降曲线之间存在磁滞现象曲线的形试验结果绘制成短路特性曲线，通常为一条通过原点的直线，表明磁路在短路状态下不存状反映了发电机磁路的饱和特性，对于确定励磁参数和电压调节范围具有重要意义在饱和现象短路特性与空载特性结合，可以计算发电机的同步电抗和短路比等重要参数除了空载和短路特性试验外，同步电机试验还包括阻抗测量、损耗测定、温升试验、同步化试验和负载特性试验等这些试验全面评价了同步电机的性能，为设计、制造和使用提供了可靠依据异步电机试验

1.5额定电流倍数堵转试验中的电流值

5.5额定转速百分比转差率为

0.055时的实际转速87%满载效率典型中型异步电机的效率

0.84功率因数额定负载时的平均值异步电机的主要试验包括堵转试验和空载试验堵转试验在转子被机械固定的情况下进行，主要目的是测定转子电阻、漏抗和启动转矩等参数试验中，逐渐增加定子电压直至电流达到额定值，记录此时的电压、电流和功率，计算得到阻抗参数由于转子静止，转差率为1，堵转试验数据可用于计算启动性能空载试验在转子无负载自由旋转的条件下进行，主要目的是测定铁损和磁化参数试验中在额定电压下测量电机的空载电流和空载功率，计算得到铁损和励磁电抗通过空载和堵转试验数据，可以建立电机的等效电路模型，预测电机在各种工作状态下的性能第十一章电机应用1工业应用电机在工业领域的应用极为广泛，是现代工业的主要驱动力在制造业中，电机驱动各类机床、生产线和自动化设备；在冶金行业，大型电机驱动轧机、鼓风机和泵等设备；在石化行业，防爆电机驱动各类压缩机和输送设备；在矿山领域，强固型电机驱动提升机、输送带和掘进机现代工业电机多采用变频控制技术，实现精确的速度和位置控制，提高能效和生产效率2交通运输应用电机在交通运输领域发挥着越来越重要的作用在铁路交通中，牵引电机驱动电力机车和高速列车；在城市交通中，永磁同步电机驱动地铁和轻轨车辆；在航运领域，大功率电机驱动电力推进船舶；在新能源汽车中，高效电机系统替代传统内燃机，实现零排放驱动交通用电机通常需要高功率密度、高可靠性和宽调速范围，是电机技术创新的重要领域电机在新能源领域的应用风力发电电动汽车电机在风力发电系统中扮演着核心角色传统风力发电系统多采用双馈异步发电机，具有结构简单、电机是电动汽车的核心动力来源当前主流的电动汽车驱动电机包括永磁同步电机、感应电机和开成本较低的优点；而新型系统则倾向于使用永磁同步发电机，具有效率高、体积小、可靠性好的特关磁阻电机永磁同步电机因其高效率和高功率密度被广泛采用，但面临稀土材料成本和退磁问题；点感应电机结构简单可靠，但效率略低；开关磁阻电机结构坚固，但控制复杂，噪声较大风力发电机需要在宽广的风速范围内高效运行，因此其电机设计面临特殊挑战，如低风速下的启动电动汽车用电机需要满足高起动转矩、宽调速范围、高效率区宽、体积小、重量轻等要求此外，性能、高风速下的过载保护、变速恒频发电控制等现代风电系统还广泛采用全功率变流技术，提电机控制系统需要实现精确的转矩控制、能量回收制动和故障安全保护等功能高系统适应性和电网友好性除风力发电和电动汽车外，电机在太阳能发电、储能系统和智能电网等新能源领域也有广泛应用随着新能源技术的发展，对电机的性能要求不断提高，推动着电机技术的创新和进步课程总结与展望主要知识点回顾本课程系统讲解了电机学的基本理论和分析方法，包括变压器、直流电机、同步电机和异步电机的工作原理、特性分析和应用技术通过课程学习，学生应当掌握各类电机的结构特点、工作原理、数学模型、控制方法以及试验技术，能够对电机系统进行分析、设计和应用电机学理论与电磁场、电路理论、控制理论等多学科知识紧密结合，是电气工程领域的核心基础课程电机学的发展趋势电机技术正在向高效节能、智能化和集成化方向发展新型电机如永磁电机、高温超导电机和轴向磁通电机等不断涌现；电机控制技术更加智能化，如自适应控制、模糊控制和神经网络控制等；电机系统集成化程度提高，如电机驱动与电力电子器件的一体化设计同时，电机在新能源、电动交通和智能制造等领域的应用不断扩展，推动着电机技术的创新和进步电机学与材料科学、计算技术、人工智能等领域的交叉融合，将开创电机技术发展的新局面。