1、-1-第六章第六章 交流电机的旋转磁场理论交流电机的旋转磁场理论电机与拖动基础（第电机与拖动基础（第2版）版）第一节第一节 电枢绕组的磁动势电枢绕组的磁动势第二节第二节 旋转磁场的形成和特点旋转磁场的形成和特点第三节第三节 交流电机的主磁通和漏磁通交流电机的主磁通和漏磁通-2-引引 言言 交流电机包括异步电机和同步电机两大类，虽然交流电机包括异步电机和同步电机两大类，虽然这两类电机的运行性能有很大不同，但它们在定子电这两类电机的运行性能有很大不同，但它们在定子电枢绕组结构及旋转磁场基本理论方面有着许多共同的枢绕组结构及旋转磁场基本理论方面有着许多共同的地方，所以在分别介绍异步电机和同步电机原理
2、之前，地方，所以在分别介绍异步电机和同步电机原理之前，先就三相交流电机的共性问题进行分析。先就三相交流电机的共性问题进行分析。第六章第六章 交流电机的旋转磁场理论交流电机的旋转磁场理论-3-第一节第一节 电枢绕组的磁动势电枢绕组的磁动势 第六章第六章 交流电机的旋转磁场理论交流电机的旋转磁场理论 一、交流电机的电枢绕组一、交流电机的电枢绕组 交流电机的定子是由硅钢片叠压而成的，在定子铁心内圆周交流电机的定子是由硅钢片叠压而成的，在定子铁心内圆周上冲有若干定子槽，三相电枢绕组嵌放在定子槽中。三相电枢绕上冲有若干定子槽，三相电枢绕组嵌放在定子槽中。三相电枢绕组是对称分布的，它们匝数相等，在空间互差
3、组是对称分布的，它们匝数相等，在空间互差120 电角度。电角度。-4-二、单相电枢绕组的磁动势二、单相电枢绕组的磁动势 这里以整距集中绕组为例这里以整距集中绕组为例来说明单相电枢绕组磁动势的来说明单相电枢绕组磁动势的性质。如图性质。如图6-2a 所示是一台两所示是一台两极电机的示意图，定子及转子极电机的示意图，定子及转子铁心是同心的圆柱体，定、转铁心是同心的圆柱体，定、转子间的气隙是均匀的。在定子子间的气隙是均匀的。在定子上画出一相的整距集中绕组，上画出一相的整距集中绕组，当线圈中通过电流时，便产生当线圈中通过电流时，便产生了一个两极磁场。按照右手螺了一个两极磁场。按照右手螺旋定则，磁场的方向
4、如图中箭旋定则，磁场的方向如图中箭头所示。显然，磁场的强弱取头所示。显然，磁场的强弱取决于定子线圈的匝数决于定子线圈的匝数N 和线圈和线圈中电流中电流i的乘积的乘积Ni，即磁动势，即磁动势FA，其单位是安匝。，其单位是安匝。第六章第六章 交流电机的旋转磁场理论交流电机的旋转磁场理论-5-由第一章所述的电磁感应原理，可以认为磁动势由第一章所述的电磁感应原理，可以认为磁动势FA全部消全部消耗在两段气隙上，即任一磁力线在每段气隙上所消耗的磁动势耗在两段气隙上，即任一磁力线在每段气隙上所消耗的磁动势都是都是 。把图。把图6-2a展开后便得到图展开后便得到图6-2b所示的磁动势分布，这所示的磁动势分布，
5、这是一个矩形波，其高度为是一个矩形波，其高度为 第六章第六章 交流电机的旋转磁场理论交流电机的旋转磁场理论假如线圈中的电流假如线圈中的电流i是稳恒电流，其数值和方向恒定不变，那么是稳恒电流，其数值和方向恒定不变，那么矩形波磁动势的高度也将恒定不变。而实际上交流电机电枢绕矩形波磁动势的高度也将恒定不变。而实际上交流电机电枢绕组中流过的是交变电流，其电流的大小和方向都是随时间而变组中流过的是交变电流，其电流的大小和方向都是随时间而变化的，因此矩形波磁动势的高度也将随时间而变化。设线圈电化的，因此矩形波磁动势的高度也将随时间而变化。设线圈电流为流为（6-1）2/NiNiF21Ae2 cosiItAA
6、mecosFFt（6-2）其中，矩形波磁动势的幅值其中，矩形波磁动势的幅值 ，I为线圈电流有效值。为线圈电流有效值。NIF22Am-6-上式说明，上式说明，任何瞬间单相电枢绕组的磁动势在空间以矩形任何瞬间单相电枢绕组的磁动势在空间以矩形波分布，矩形波的高度随时间按正弦规律变化。这种在空间位波分布，矩形波的高度随时间按正弦规律变化。这种在空间位置固定，而大小随时间变化的磁动势称为脉振磁动势。置固定，而大小随时间变化的磁动势称为脉振磁动势。对图对图6-2b所示的矩形波磁动势进行傅立叶分析，可以得到所示的矩形波磁动势进行傅立叶分析，可以得到相应的基波分量相应的基波分量 第六章第六章 交流电机的旋转磁
7、场理论交流电机的旋转磁场理论xNitxFcos24),(A1（6-3）其中，其中，x表示定子内表面的圆周距离，极距表示定子内表面的圆周距离，极距表示相邻极间的圆表示相邻极间的圆周距离。上式可进一步写为周距离。上式可进一步写为 A1m1e(,)coscosxFx tFt（6-4）其中，磁动势基波分量的幅值其中，磁动势基波分量的幅值 。NIF9.0m1-7-三、三相电枢绕组的磁动势三、三相电枢绕组的磁动势 通过合理布置定子槽中的三相电枢绕组，通过合理布置定子槽中的三相电枢绕组，可以有效减小气可以有效减小气隙中的磁动势谐波。隙中的磁动势谐波。认为每相电枢绕组产生的磁动势在空间是认为每相电枢绕组产生的
8、磁动势在空间是正弦分布的，并且三相磁动势在空间互差正弦分布的，并且三相磁动势在空间互差120 电角度，那么根电角度，那么根据式（据式（6-4），三相电枢绕组的磁动势可分别写成），三相电枢绕组的磁动势可分别写成第六章第六章 交流电机的旋转磁场理论交流电机的旋转磁场理论A1m1eB1m1eC1m1e(,)coscos22(,)cos()cos()3322(,)cos()cos()33xFx tFtxFx tFtxFx tFt（6-5）式中，式中，Fm1是每相磁动势基波分量的幅值，其精确的计算需要考是每相磁动势基波分量的幅值，其精确的计算需要考虑绕组分布及短距等因素。虑绕组分布及短距等因素。-8-第
9、二节第二节 旋转磁场的形成和特点旋转磁场的形成和特点 一、三相电枢绕组的合成磁动势一、三相电枢绕组的合成磁动势 根据三角函数的积化和差公式，式（根据三角函数的积化和差公式，式（6-5）可以写为）可以写为 第六章第六章 交流电机的旋转磁场理论交流电机的旋转磁场理论A1m1em1eB1m1em1eC1m1em1e11(,)cos()cos()22112(,)cos()cos()223112(,)cos()cos()223xxFx tFtFtxxFx tFtFtxxFx tFtFt（6-6）将上式中三相定子绕组磁动势相加，得到合成磁动势将上式中三相定子绕组磁动势相加，得到合成磁动势 ssme(,)c
10、os()xF x tFt（6-7）其中，合成磁动势的幅值其中，合成磁动势的幅值 。1msm23FF-9-图图6-3说明说明 是一个幅是一个幅值恒定、正弦分布的行波。值恒定、正弦分布的行波。由于由于 又又 表示三相电表示三相电枢绕组基波合成磁动势沿气隙圆枢绕组基波合成磁动势沿气隙圆周的空间分布，所以它是一个沿周的空间分布，所以它是一个沿气隙圆周旋转的行波，其相对于气隙圆周旋转的行波，其相对于定子的速度是定子的速度是 第六章第六章 交流电机的旋转磁场理论交流电机的旋转磁场理论),(txFs),(txFse1v（6-8）称为同步速度，相应的波长为称为同步速度，相应的波长为 1v1e22v（6-9）-
11、10-根据对式（根据对式（6-7）的分析，从式（）的分析，从式（6-6）可以看出，）可以看出，定子定子A、B、C三相绕组的磁动势均可以分解为两个大小相等、转向相反三相绕组的磁动势均可以分解为两个大小相等、转向相反的旋转磁动势。的旋转磁动势。正向旋转的磁动势相位相同，其合成磁动势的正向旋转的磁动势相位相同，其合成磁动势的幅值是每相正转磁动势幅值的幅值是每相正转磁动势幅值的3倍，而反向旋转的磁动势相位互倍，而反向旋转的磁动势相位互差差120，其合成磁动势为零。，其合成磁动势为零。一个三相对称绕组通入三相对称电流时，所产生的一定是一个三相对称绕组通入三相对称电流时，所产生的一定是个圆形的旋转磁场。这
12、个概念不仅可以用上面的数学手段来证个圆形的旋转磁场。这个概念不仅可以用上面的数学手段来证明，还可以进一步用图明，还可以进一步用图6-4来解释。图中假定：正值电流从绕组来解释。图中假定：正值电流从绕组的首端流入而从尾端留出，负值电流从绕组的尾端流入而从首的首端流入而从尾端留出，负值电流从绕组的尾端流入而从首端流出。设三相电流为端流出。设三相电流为 第六章第六章 交流电机的旋转磁场理论交流电机的旋转磁场理论AmeBmeCmecos2cos()32cos()3iItiItiIt（6-10）-11-由图 可 见由图 可 见三 相 电 枢 绕三 相 电 枢 绕组 的 合 成 磁组 的 合 成 磁动 势
13、是 一 个动 势 是 一 个旋 转 行 波。旋 转 行 波。第六章第六章 交流电机的旋转磁场理论交流电机的旋转磁场理论横截面AXBYZCA B CX Y Z 流出 流入 A B C AXBYZCi1=Imsine ti2=Imsin(e t120O)i3=Imsin(e t120O)i1 i2 i3 e t =0O 时i1=0，i2 0，i3 0NSIme tOi1et=0O 时i1=0，i2 0，i30AXBYZCNSet=120O 时i10，i2=0，i3 0AXBYZCNSAXBYZCAXBYZCNSet=240O 时i1 0，i20，i3=0et=360O 时i1=0，i2 0，i30
14、NS-16-二、旋转磁场的基本特点二、旋转磁场的基本特点 1）三相对称绕组通入三相对称电流所产生的三相基波合成）三相对称绕组通入三相对称电流所产生的三相基波合成磁动势是一个旋转行波，磁动势是一个旋转行波，合成磁动势的幅值是单相电枢绕组脉合成磁动势的幅值是单相电枢绕组脉振磁动势幅值的振磁动势幅值的3/2倍。同理可以证明，倍。同理可以证明，对于对于m相对称绕组通入相对称绕组通入m相对称电流，所产生的基波合成磁动势也是一个旋转行波，其相对称电流，所产生的基波合成磁动势也是一个旋转行波，其幅值为每相脉振幅值的幅值为每相脉振幅值的m/2倍。倍。2）根据旋转磁场的行波性质以及式（）根据旋转磁场的行波性质以
15、及式（6-7），可以知道旋），可以知道旋转磁场的电角速度为转磁场的电角速度为 第六章第六章 交流电机的旋转磁场理论交流电机的旋转磁场理论1e12f（6-11）1的单位为的单位为rad/s，f1为电源频率。设电机极对数为为电源频率。设电机极对数为np，则旋转磁，则旋转磁场的机械转速为场的机械转速为 p1160nfn（6-12）n1的单位为的单位为r/min。上式表明，。上式表明，旋转磁场的转速旋转磁场的转速n1仅与电源频率仅与电源频率f1和电机极对数和电机极对数np有关，称为同步转速。有关，称为同步转速。-17-3）从图）从图6-4可见，旋转磁场的旋转方向是从电流超前的相可见，旋转磁场的旋转方向
16、是从电流超前的相转向电流滞后的相，即合成磁动势的轴线是从转向电流滞后的相，即合成磁动势的轴线是从A相转到相转到B相，再相，再从从B相转到相转到C相。因此相。因此要改变旋转磁场的方向，只要改变电枢绕要改变旋转磁场的方向，只要改变电枢绕组的相序即可组的相序即可，也就是将连接到电源的三相绕组的，也就是将连接到电源的三相绕组的3根接线中的根接线中的任意任意2根对调就可以了。根对调就可以了。4）从图）从图6-4还可以看出，还可以看出，当某相电流达到最大时，旋转磁当某相电流达到最大时，旋转磁动势的波幅刚好转到该相绕组的中心线上。动势的波幅刚好转到该相绕组的中心线上。第六章第六章 交流电机的旋转磁场理论交流
17、电机的旋转磁场理论 f1=50 Hz 时：1 2 3 4 5 6 3 000 1 500 1 000 750 600 500 npn1/(r/min)单相电流通过单相绕组产生脉振磁动势和脉振磁场 脉振磁场：轴线不变，大小和方向 随时间交变 的磁场。脉振磁动势：产生脉振磁 场的磁通势。AXNS12FAXA脉振磁动势A1A2X2X1S NN SA1X1 与 A2X2串联:14FA2A1X1X2A1 脉振磁动势的幅值 绕组磁动势的幅值=kw N Im=2 kw N I 气隙矩形波磁动势的幅值2 kw N I2np=气隙基波磁动势的幅值2 kw N I2np=4Fpm=0.9 kw N I np旋转磁
18、通势三相电流通过三相绕组时，三相绕组的三个基波脉振磁动势为FpA=Fpm sin e tFpB=Fpm sin(e t 120o)FpC=Fpm sin(e t120o)AXBYZCNS将它们用空间矢量表示，其参考方向如图FpA FpB FpC FpBFpCFm30 30FpC=Fpm sin120o=FpA=Fpm sin 0o=032Fpm FpB=Fpm sin(120o)=32Fpm 当e t=0o 时 Fm=32FpmFpA=Fpm sin90o=Fpm FpB=Fpm sin(30o)=Fpm/2FpC=Fpm sin 210o =Fpm /2 FpCFpB60FpBFpCFpA6
19、0Fm=23Fpm Fm 结论：F 的大小不变。Fm=Fpm=m20.9 m kw N I2np当et=90o 时i 变化一周i 每秒钟变化 50 周i 每分钟变化(5060)周 旋转磁场转一圈旋转磁场转 50 圈旋转磁场转 3000 圈 旋转磁场的转速 同步转速n1 n1=60 f1 =3000(r/min)同步转速 n1 的大小怎样改变？AXBYZC每相绕组由一个线圈组成U1 V1 W1U2 V2 W2U3 V3 W3U4 V4 W4A1X1A2X2B1Y2Y1B2Z2C1Z1C2每相绕组由两个线圈串联组成A1X1A2X2B1Y2Y1B2Z2C1Z1C2et=0O 时 i1=0，i2 0，
20、i3 0 NSNS 磁极对数 np np=2 电流变化一周 旋转磁场转半圈 n1=1 500 当磁极对数 p=3 时 n1=1 000 60 f1 2=60 f1 3=60 f1npn1=-27-第三节第三节 交流电机的主磁通和漏磁通交流电机的主磁通和漏磁通 一、主磁通一、主磁通 当交流电机的定子绕组通入三相对称电流时，当交流电机的定子绕组通入三相对称电流时，便在气隙中便在气隙中建立基波旋转磁动势，同时产生相应的基波旋转磁场。建立基波旋转磁动势，同时产生相应的基波旋转磁场。与基波与基波旋转磁场相对应的磁通称为主磁通，用旋转磁场相对应的磁通称为主磁通，用 m表示。由于旋转磁场表示。由于旋转磁场是
21、沿气隙圆周的行波，而气隙的长度是非常小的，是沿气隙圆周的行波，而气隙的长度是非常小的，所以相应的所以相应的主磁通实际上是与定、转子绕组同时相交链的，主磁通实际上是与定、转子绕组同时相交链的，这也是判断主这也是判断主磁通的重要依据。磁通的重要依据。第六章第六章 交流电机的旋转磁场理论交流电机的旋转磁场理论 主磁通又称为气隙磁通，交流电机主磁通又称为气隙磁通，交流电机就是依靠气隙磁通来实现定、转子之间就是依靠气隙磁通来实现定、转子之间的能量转换的。图的能量转换的。图6-5所示是一台四极所示是一台四极交流电机的主磁通分布情况，主磁通经交流电机的主磁通分布情况，主磁通经过的路径为：过的路径为：气隙气隙
22、定子齿定子齿定子轭定子轭定子齿定子齿气隙气隙转子齿转子齿转子轭转子轭转子转子齿齿气隙气隙，这与直流电机相类似。，这与直流电机相类似。-28-二、漏磁通二、漏磁通 交流电机定子绕组除产生主磁通外，还产生与定子绕组相交交流电机定子绕组除产生主磁通外，还产生与定子绕组相交链而不与转子绕组相交链的磁通，称为定子漏磁通，用链而不与转子绕组相交链的磁通，称为定子漏磁通，用 s 表示。表示。定子漏磁通按磁通路径可分为定子漏磁通按磁通路径可分为3类：类：（1）槽漏磁通：槽漏磁通：由一侧槽壁横越至另一侧槽壁的漏磁通，如由一侧槽壁横越至另一侧槽壁的漏磁通，如图图6-6a所示；所示；（2）端部漏磁通：端部漏磁通：交
23、链于绕组端部的漏磁通，如图交链于绕组端部的漏磁通，如图6-6b所示；所示；（3）谐波漏磁通：谐波漏磁通：当定子绕组通入三相交流电时，在气隙中当定子绕组通入三相交流电时，在气隙中除产生基波旋转磁场外，还产生一系列高次谐波旋转磁场，除产生基波旋转磁场外，还产生一系列高次谐波旋转磁场，以及以及相应的高次谐波磁通。相应的高次谐波磁通。这些谐波磁通虽然同时交链定、这些谐波磁通虽然同时交链定、转子绕组，转子绕组，但一般不利于电机的正常运行，所以把它们作为漏磁通处理。但一般不利于电机的正常运行，所以把它们作为漏磁通处理。如果转子绕组中有电流通过，也会在气隙中建立基波旋转磁如果转子绕组中有电流通过，也会在气隙
24、中建立基波旋转磁动势，这时主磁通将由定、转子基波磁动势联合产生。当然，转动势，这时主磁通将由定、转子基波磁动势联合产生。当然，转子电流也会产生只与转子绕组相交链而不与定子绕组相交链的磁子电流也会产生只与转子绕组相交链而不与定子绕组相交链的磁通，称为转子漏磁通，用通，称为转子漏磁通，用 r 表示。表示。第六章第六章 交流电机的旋转磁场理论交流电机的旋转磁场理论-29-由于漏磁通不能同时与定、转子绕组相交链，因此它们虽由于漏磁通不能同时与定、转子绕组相交链，因此它们虽然也能在两个绕组中感应电动势，影响电机的电磁过程，但却然也能在两个绕组中感应电动势，影响电机的电磁过程，但却不直接参与定、转子之间的
25、机电能量转换。不直接参与定、转子之间的机电能量转换。第六章第六章 交流电机的旋转磁场理论交流电机的旋转磁场理论-30-小小 结结 本章从单相电枢绕组的脉振磁动势出发，从数学本章从单相电枢绕组的脉振磁动势出发，从数学推导和物理意义两个方面证明：三相对称绕组通入三推导和物理意义两个方面证明：三相对称绕组通入三相对称电流所产生的三相基波合成磁动势是一个旋转相对称电流所产生的三相基波合成磁动势是一个旋转行波，合成磁动势的幅值是单相绕组脉振磁动势幅值行波，合成磁动势的幅值是单相绕组脉振磁动势幅值的的3/2倍；倍；旋转磁场的旋转方向是从电流超前的相转旋转磁场的旋转方向是从电流超前的相转向电流滞后的相，要改变旋转磁场的方向，只要改变向电流滞后的相，要改变旋转磁场的方向，只要改变三相绕组的相序即可；三相绕组的相序即可；旋转磁场的转速旋转磁场的转速n1与电源频率与电源频率f1、电机极对数、电机极对数np之间保持严格的关系，即之间保持严格的关系，即 第六章第六章 交流电机的旋转磁场理论交流电机的旋转磁场理论p1160nfn
