[美]查尔斯 ·I. 休伯特 P.E.（Charles I. Hubert P.E.）

适读人群 ：电机工程技术人员，电气工程专业师生
本书首先阐述了电机和变压器的基本原理,接着按照变压器、感应电机、特种电机、同步电机、直流电机的顺序依次讲解,最后简要介绍了电机控制技术。全书章节结构紧凑且自然,注重基本概念和分析方法在相关内容之间的有效衔接和过渡,更便于读者理解。相较于直流电机,本书的核心内容更侧重于交流电机和专用电机;相较于电枢绕组,本书的核心内容更关注电机特性;相比于一般电机学教材,本书在电动机和发电机的讲授内容上更加均衡。本书既适合作为电机专业工程类人才培养的教材,也能为工业界广大工程师提供电机应用的参考。

原 书 前 言
作为第2版,本书保留了第1版中以学生为中心、简单易懂的阐述方式。为了更加清晰和更容易理解,本书在部分推导过程补充了必要的步骤,并扩展了一些例题内容。与第1版相比,本书增加了新的习题和思考题,以便进一步提高学生的学习效果。最后,本书还增加了一章关于NEMA设计标准中E类高效交流电动机的内容。
本书是针对一学期或两学期的电机学课程编写的。为了本书的有效使用,建议读者至少应先学习电路课程,并了解复代数和相量图的相关知识。对于需要额外帮助的学生,本书的附录A中也回顾了关于三相系统中电流、电压和功率的关系,以及复功率的应用方法。
许多高校教师表达了对当前工业需求应给予更多关注的愿望,而本书的独特之处正是它回应了这一要求。对该类书籍最常见的要求是,允许教师花更多时间讲授电动机而不是发电机,花更多时间讲授电机的性能特性而不是不同类型的电枢绕组。为了做到这一点,本书在介绍发电机之前先介绍了电动机,并提供了丰富的电枢绕组素材,以便使学生熟悉基本的电枢结构和相关的专业术语。同时,为解决与专业工程许可证考试题目类似的应用型问题,本书还引用了NEMA标准及表格。
为了更有效地利用学生的学习时间,本书先介绍变压器和交流电机,然后介绍直流电机。这样,可以在课程的前半个部分讲授交流电机,后半个部分讲授直流电机,这种由美国商船学院开发的讲授顺序已经执行了30余年。在先修电路课程中交流知识还很新鲜的时候,讲授变压器和交流电机更简单,也更容易接受。特别是,在交流电机和变压器等效串联和等效串并联电路中应用相量图和复数代数的相关知识,直接加强了学生对于交流电路理论的理解。
交流电机和变压器是当今大多数电力和工业系统的重要组成设备,因此比直流电机需要更多的关注。此外,传统的直流电机本质上其实是交流电机,只是由换向器提供了必要的AC/DC和DC/AC转换。因此,本书在介绍直流电机之前先讲授交流电机可能会收获更好的教学效果。
本书在交流电机和直流电机部分,都是先介绍电动机,后介绍发电机的,并将直流电机分成独立的三章来进行阐述,这给课程讲授提供了很大的自由。比较简单的课程内容可以选择:一学期课程只讲交流电机;一学期课程既讲交流又讲直流电机(不讲发电机的内容);两学期课程讲述包含交流电机和直流电机的所有章节。
本书内容组织结构
第1章介绍了所有电机和变压器的基本原理,包括:由磁场相互作用产生机械力的原理,电磁感应电动势、机械角度、电角度、磁路和磁化曲线的概念。
电机学的正式课程内容从第2章和第3章的变压器开始。变压器的电路分析相对直观和容易理解,并且能够很好地和先修电路课程中讲过的理想变压器内容联系在一起。
变压器讲授完之后,将变压器的一次侧和二次侧分别类比于感应电机的定子和转子,很自然地就过渡到了第4章和第5章感应电机的学习。在变压器之后立即引入感应电机的内容,可以很容易地通过说明两者之间的共同点,将新学习的变压器等效电路模型和相应的相量图知识应用到感应电机中。为了简化计算和更加实用,近似处理是比较切实可行的做法。
第6章讨论的单相感应电动机是三相感应电动机的自然延续。其中包括电容式单相感应电动机和电阻分相式单相感应电动机。第7章中介绍了特种电机,如罩极式电动机、磁阻电动机、磁滞电动机、步进电动机、交直流两用电动机和直线感应电动机。
第8章对同步电动机进行了介绍,并与感应电动机的旋转磁场理论很好地结合在一起。第9章介绍了从同步电动机向同步发电机的转换过程。随着转轴负载的逐渐移除和驱动转矩的施加,同步电机从电动状态过渡到发电状态的功角变化可以表示在一个共同的相量图上。本章还介绍了同步电机的并联运行、负载分配和功率因数校正。
关于直流电机的内容在本书中分成了独立的三章(第10章、第11章和第12章)。如果有需要的话,也可以在讲授交流电机和变压器之前进行这几章的讲授。对于有特殊教学目标的课程、课程内容有特定要求或者因实验室限制需要在早期引入直流电机内容的课程,本书教学内容的设置都能够很容易适应并进行相应调整。对于讲授半学期或一学期电机学课程的教师,如果把讲授重点放在交流电机上,但是仍想要简单介绍一下直流电机,只讲授第10章就已经足够了。
第13章简要介绍了电机的电子控制和电磁控制技术,包括反转、调速、制动和梯形电路的典型示例。本书也简单涉及了可编程逻辑控制器(PLC),以便给读者提供一个对这个不断扩大的领域深入了解的机会。
核心内容:本书提供了涵盖最基本要素的核心内容,也提供了主题广泛的补充章节,教师可在其中进行选修内容选择,既可以确保学生对电机学有基本的了解,同时也为学生迎接新工科时代做好准备。为此,相比于直流电机,核心内容更关注交流电机和专用电机;相比于电枢绕组,核心内容更关注电机特性;同时在讨论、例题和习题中也广泛使用了NEMA标准及表格。
核心内容的讲授大约需要27个学时,因此建议所有的电机学课程,无论长短(半学期、一个学期或两个学期)至少应保证27个学时。在大多数情况下,半学期的电机学课程(大约30个学时)应在有限的时间内将课程内容限制在核心内容上。然而,如果在先修课程中覆盖了磁路和变

译者序
原书前言
第1章?电磁学理论和机电能量转换 1
1.1　概述 1
1.2　磁场 1
1.3　磁路定义 2
1.4　磁路公式 3
1.5　相对磁导率和磁化曲线 4
1.6　等效磁路 8
1.7　磁滞回线和磁滞现象 10
1.8　磁场的相互作用(电动机工作原理) 11
1.9　两极电动机的基本原理 12
1.10　磁场中的载流导体受到的机械力
(BlI定则) 13
1.11　感应电动势(发电机工作原理) 15
1.12　两极发电机的基本原理 17
1.13　旋转电机的能量转换 19
1.14　涡流和涡流损耗 19
1.15　多极电机—频率和电角度 21
解题公式总结 22
正文引用的参考文献 24
思考题 24
习题 25
第2章?变压器基本原理 27
2.1　概述 27
2.2　电力变压器和配电变压器结构 27
2.3　变压器工作原理 28
2.4　正弦电压变压器 29
2.5　空载分析 30
2.6?加载和卸载时的暂态过程 33
2.7　实际变压器中漏磁通对输出电压的
影响 34
2.8?理想变压器 35
2.9?实际变压器的漏电抗和等效电路 37
2.10?变压器等效阻抗 40
2.11?电压调整率 45
2.12　变压器绕组的阻抗标幺值和阻抗
百分比 47
2.13?变压器的损耗和效率 53
2.14?变压器参数测定 56
解题公式总结 59
正文引用的参考文献 61
一般参考文献 61
思考题 62
习题 62
第3章　变压器的联结方式、运行和
特种变压器 67
3.1　概述 67
3.2　变压器的极性和同名端的标记 67
3.3　变压器铭牌值 68
3.4?自耦变压器 69
3.5　降压—升压变压器 74
3.6　变压器的并联运行 75
3.7?并联变压器的负载分配 78
3.8　变压器的励磁涌流 80
3.9　变压器励磁电流中的谐波 81
3.10　单相变压器构成三相变压器的
联结方式 82
3.11?三相变压器 87
3.12　三相变压器组并联时相位差30°
的情况 87
3.13　三相变压器组不同联结方式下的
谐波抑制问题 89
3.14?测量变压器 91
解题公式总结 93
正文引用的参考文献 93
一般参考文献 94
思考题 94
习题 95
第4章?三相感应电机的原理 98
4.1　概述 98
4.2　感应电动机的工作原理 98
4.3　反转运行 100
4.4　感应电动机的结构 100
4.5　同步转速 101
4.6　多速固定频率变极电动机 102
4.7　转差率及其对转子频率和电压
的影响 102
4.8　感应电动机转子的等效电路 104
4.9　转子电流的轨迹 107
4.10?气隙功率 108
4.11?机械功率和输出转矩 109
4.12?转矩—转速特性 112
4.13?寄生转矩 114
4.14?最小转矩 115
4.15?损耗、效率和功率因数 115
解题公式总结 118
正文引用的参考文献 119
思考题 119
习题 120
第5章　三相感应电机的分类、性能、
应用和运行 122
5.1　概述 122
5.2　笼型感应电动机的分类和
性能特点 123
5.3　NEMA表格 124
5.4　电动机性能与电机参数、转差率和
定子电压的关系 133
5.5　转矩—转速特性分析 137
5.6　笼型电动机正常和过载运行时一些
有用的近似 140
5.7　电压和频率的NEMA约束 142
5.8　非额定电压和非额定频率对感应
电动机性能的影响 142
5.9　绕线转子感应电动机 148
5.10　绕线转子感应电动机的正常和
过载运行情况 151
5.11　电动机铭牌数据 153
5.12　起动冲击电流 155
5.13　起动次数对电机寿命的影响 157
5.14　重合闸时的失相情况 157
5.15　三相不平衡线电压对感应电动机
性能的影响 158
5.16　感应电动机参数的标幺值 160
5.17　感应电动机参数的确定 161
5.18　感应发电机 166
5.19　感应电动机的能耗制动 172
5.20　感应电动机的起动 173
5.21　电机分支电路 179
解题公式总结 179
正文引用的参考文献 183
一般参考文献 183
思考题 184
习题 185
第6章?单相感应电动机 191
6.1　概述 191
6.2　正交磁场理论和感应电动机的起动 191
6.3　通过分相起动感应电动机 193
6.4　起动转矩 194
6.5　实用的电阻起动分相电动机 196
6.6　电容起动分相电动机 197
6.7　单相感应电动机的反转 201
6.8　罩极式电动机 201
6.9　单相感应电动机在NEMA标准下
的额定值 202
6.10　单相线路供电的三相电动机运行 202
6.11　单相运行(一种故障状态) 203
解题公式总结 205
正文引用的参考文献 206
思考题 206
习题 207
第7章?特种电机 208
7.1　概述 208
7.2　磁阻电动机 208
7.3　磁滞电动机 210
7.4　步进电动机 214
7.5　变磁阻步进电动机 214
7.6　永磁步进电动机 218
7.7　步进电动机的驱动电路 219
7.8　直线感应电动机 220
7.9　交直流两用电动机 222
解题公式总结 223
正文引用的参考文献 224
思考题 224
习题 225
第8章?同步电动机 226
8.1　概述 226
8.2　结构 226
8.3　同步电动机的起动 228
8.4　功角和电磁转矩 229
8.5　反电动势和电枢反应电动势 230
8.6　同步电动机的等效电路和相量图 232
8.7　同步电动机功角特性 233
8.8　负载变化对电枢电流、功角和功率
因数的影响 235
8.9　励磁变化对同步电动机性能的影响 235
8.10　V形曲线 2