第06章-交流電機的旋轉(zhuǎn)磁場理論

1、-1-第六章第六章 交流電機的旋轉(zhuǎn)磁場理論交流電機的旋轉(zhuǎn)磁場理論電機與拖動基礎（第電機與拖動基礎（第2版）版） 第一節(jié)第一節(jié) 電樞繞組的磁動勢電樞繞組的磁動勢第二節(jié)第二節(jié) 旋轉(zhuǎn)磁場的形成和特點旋轉(zhuǎn)磁場的形成和特點第三節(jié)第三節(jié) 交流電機的主磁通和漏磁通交流電機的主磁通和漏磁通-2-引引 言言 交流電機包括交流電機包括異步電機異步電機和和同步電機同步電機兩大類，雖然兩大類，雖然這兩類電機的運行性能有很大不同，但它們在定子電這兩類電機的運行性能有很大不同，但它們在定子電樞繞組結(jié)構(gòu)及旋轉(zhuǎn)磁場基本理論方面有著許多共同的樞繞組結(jié)構(gòu)及旋轉(zhuǎn)磁場基本理論方面有著許多共同的地方，所以在分別介紹異步電機和同步電機原

2、理之前，地方，所以在分別介紹異步電機和同步電機原理之前，先就三相交流電機的共性問題進行分析。先就三相交流電機的共性問題進行分析。 第六章第六章 交流電機的旋轉(zhuǎn)磁場理論交流電機的旋轉(zhuǎn)磁場理論 -3-第一節(jié)第一節(jié) 電樞繞組的磁動勢電樞繞組的磁動勢 第六章第六章 交流電機的旋轉(zhuǎn)磁場理論交流電機的旋轉(zhuǎn)磁場理論 一、交流電機的電樞繞組一、交流電機的電樞繞組 交流電機的定子是由交流電機的定子是由硅鋼片硅鋼片疊壓而成的，在定子鐵心內(nèi)圓周疊壓而成的，在定子鐵心內(nèi)圓周上沖有若干定子槽，三相電樞繞組嵌放在定子槽中。三相電樞繞上沖有若干定子槽，三相電樞繞組嵌放在定子槽中。三相電樞繞組是對稱分布的，它們匝數(shù)相等，在空

3、間互差組是對稱分布的，它們匝數(shù)相等，在空間互差120 電角度。電角度。 -4-第一節(jié)第一節(jié) 電樞繞組的磁動勢電樞繞組的磁動勢 第六章第六章 交流電機的旋轉(zhuǎn)磁場理論交流電機的旋轉(zhuǎn)磁場理論-5- 二、單相電樞繞組的磁動勢二、單相電樞繞組的磁動勢 這里以整距集中繞組為例這里以整距集中繞組為例來說明單相電樞繞組磁動勢的來說明單相電樞繞組磁動勢的性質(zhì)。如圖性質(zhì)。如圖6-2a 所示是一臺兩所示是一臺兩極電機的示意圖，定子及轉(zhuǎn)子極電機的示意圖，定子及轉(zhuǎn)子鐵心是同心的圓柱體，定、轉(zhuǎn)鐵心是同心的圓柱體，定、轉(zhuǎn)子間的氣隙是均勻的。在定子子間的氣隙是均勻的。在定子上畫出一相的整距集中繞組，上畫出一相的整距集中繞組，

4、當線圈中通過電流時，便產(chǎn)生當線圈中通過電流時，便產(chǎn)生了一個兩極磁場。按照右手螺了一個兩極磁場。按照右手螺旋定則，磁場的方向如圖中箭旋定則，磁場的方向如圖中箭頭所示。顯然，磁場的強弱取頭所示。顯然，磁場的強弱取決于定子線圈的匝數(shù)決于定子線圈的匝數(shù)N 和線圈和線圈中電流中電流i的乘積的乘積Ni，即磁動勢，即磁動勢FA ，其單位是安匝。，其單位是安匝。 第六章第六章 交流電機的旋轉(zhuǎn)磁場理論交流電機的旋轉(zhuǎn)磁場理論-6- 由第一章所述的電磁感應原理，可以認為磁動勢由第一章所述的電磁感應原理，可以認為磁動勢FA全部消全部消耗在兩段氣隙上，即耗在兩段氣隙上，即任一磁力線在每段氣隙上所消耗的磁動勢任一磁力線在

5、每段氣隙上所消耗的磁動勢都是都是 。把圖。把圖6-2a展開后便得到圖展開后便得到圖6-2b所示的磁動勢分布，這所示的磁動勢分布，這是一個矩形波，其高度為是一個矩形波，其高度為 第六章第六章 交流電機的旋轉(zhuǎn)磁場理論交流電機的旋轉(zhuǎn)磁場理論假如線圈中的電流假如線圈中的電流i是穩(wěn)恒電流，其數(shù)值和方向恒定不變，那么是穩(wěn)恒電流，其數(shù)值和方向恒定不變，那么矩形波磁動勢的高度也將恒定不變。而實際上交流電機電樞繞矩形波磁動勢的高度也將恒定不變。而實際上交流電機電樞繞組中流過的是交變電流，其電流的大小和方向都是隨時間而變組中流過的是交變電流，其電流的大小和方向都是隨時間而變化的，因此矩形波磁動勢的高度也將隨時間而

6、變化。設線圈電化的，因此矩形波磁動勢的高度也將隨時間而變化。設線圈電流為流為（6-1）2/NiNiF21Ae2 cosiItAAmecosFFt（6-2）其中，矩形波磁動勢的幅值其中，矩形波磁動勢的幅值 ，I為線圈電流有效值。為線圈電流有效值。 NIF22Am-7- 上式說明，上式說明，任何瞬間單相電樞繞組的磁動勢在空間以矩形任何瞬間單相電樞繞組的磁動勢在空間以矩形波分布，矩形波的高度隨時間按正弦規(guī)律變化。這種在空間位波分布，矩形波的高度隨時間按正弦規(guī)律變化。這種在空間位置固定，而大小隨時間變化的磁動勢稱為置固定，而大小隨時間變化的磁動勢稱為脈振磁動勢脈振磁動勢。 對圖對圖6-2b所示的矩形波

7、磁動勢進行傅立葉分析，可以得到所示的矩形波磁動勢進行傅立葉分析，可以得到相應的基波分量相應的基波分量 第六章第六章 交流電機的旋轉(zhuǎn)磁場理論交流電機的旋轉(zhuǎn)磁場理論xNitxFcos24),(A1（6-3）其中，其中，x表示定子內(nèi)表面的圓周距離，極距表示定子內(nèi)表面的圓周距離，極距表示相鄰極間的圓表示相鄰極間的圓周距離。上式可進一步寫為周距離。上式可進一步寫為 A1m1e( , )coscosxFx tFt（6-4）其中，磁動勢基波分量的幅值其中，磁動勢基波分量的幅值 。 NIF9 . 0m1-8- 三、三相電樞繞組的磁動勢三、三相電樞繞組的磁動勢 通過合理布置定子槽中的三相電樞繞組，通過合理布置定

8、子槽中的三相電樞繞組， 可以有效減小氣可以有效減小氣隙中的磁動勢諧波。隙中的磁動勢諧波。 認為每相電樞繞組產(chǎn)生的磁動勢在空間是認為每相電樞繞組產(chǎn)生的磁動勢在空間是正弦分布的，并且三相磁動勢在空間互差正弦分布的，并且三相磁動勢在空間互差120 電角度，那么根電角度，那么根據(jù)式（據(jù)式（6-4），三相電樞繞組的磁動勢可分別寫成），三相電樞繞組的磁動勢可分別寫成第六章第六章 交流電機的旋轉(zhuǎn)磁場理論交流電機的旋轉(zhuǎn)磁場理論A1m1eB1m1eC1m1e( , )coscos22( , )cos()cos()3322( , )cos()cos()33xFx tFtxFx tFtxFx tFt（6-5）式中，

9、式中，F(xiàn)m1是每相磁動勢基波分量的幅值，其精確的計算需要考是每相磁動勢基波分量的幅值，其精確的計算需要考慮繞組分布及短距等因素。慮繞組分布及短距等因素。 -9-第二節(jié)第二節(jié) 旋轉(zhuǎn)磁場的形成和特點旋轉(zhuǎn)磁場的形成和特點 一、三相電樞繞組的合成磁動勢一、三相電樞繞組的合成磁動勢 根據(jù)三角函數(shù)的根據(jù)三角函數(shù)的積化和差公式積化和差公式，式（，式（6-5）可以寫為）可以寫為 第六章第六章 交流電機的旋轉(zhuǎn)磁場理論交流電機的旋轉(zhuǎn)磁場理論A1m1em1eB1m1em1eC1m1em1e11( , )cos()cos()22112( , )cos()cos()223112( , )cos()cos()223xxF

10、x tFtFtxxFx tFtFtxxFx tFtFt（6-6）將上式中三相定子繞組磁動勢相加，得到將上式中三相定子繞組磁動勢相加，得到合成磁動勢合成磁動勢 ssme( , )cos()xF x tFt（6-7）其中，合成磁動勢的幅值其中，合成磁動勢的幅值 。 1msm23FF-10- 圖圖6-3說明說明 是一個幅是一個幅值恒定、正弦分布的行波。值恒定、正弦分布的行波。 由于由于 又又 表示三相電表示三相電樞繞組基波合成磁動勢沿氣隙圓樞繞組基波合成磁動勢沿氣隙圓周的空間分布，所以周的空間分布，所以它是一個沿它是一個沿氣隙圓周旋轉(zhuǎn)的行波氣隙圓周旋轉(zhuǎn)的行波，其相對于，其相對于定子的速度是定子的速度

11、是 第六章第六章 交流電機的旋轉(zhuǎn)磁場理論交流電機的旋轉(zhuǎn)磁場理論),(txFs),(txFse1v（6-8） 稱為同步速度，相應的波長為稱為同步速度，相應的波長為 1v1e22v（6-9）-11- 根據(jù)對式（根據(jù)對式（6-7）的分析，從式（）的分析，從式（6-6）可以看出，）可以看出，定子定子A、B、C三相繞組的磁動勢均可以分解為兩個大小相等、轉(zhuǎn)向相反三相繞組的磁動勢均可以分解為兩個大小相等、轉(zhuǎn)向相反的旋轉(zhuǎn)磁動勢。的旋轉(zhuǎn)磁動勢。正向旋轉(zhuǎn)的磁動勢相位相同，其合成磁動勢的正向旋轉(zhuǎn)的磁動勢相位相同，其合成磁動勢的幅值是每相正轉(zhuǎn)磁動勢幅值的幅值是每相正轉(zhuǎn)磁動勢幅值的3倍，而反向旋轉(zhuǎn)的磁動勢相位互倍，而反

12、向旋轉(zhuǎn)的磁動勢相位互差差120 ，其合成磁動勢為零。，其合成磁動勢為零。 第六章第六章 交流電機的旋轉(zhuǎn)磁場理論交流電機的旋轉(zhuǎn)磁場理論A1m1em1eB1m1em1eC1m1em1e11( , )cos()cos()22112( , )cos()cos()223112( , )cos()cos()223xxFx tFtFtxxFx tFtFtxxFx tFtFt（6-6）-12- 一個三相對稱繞組通入三相對稱電流時，所產(chǎn)生的一定是一個三相對稱繞組通入三相對稱電流時，所產(chǎn)生的一定是個圓形的旋轉(zhuǎn)磁場。這個概念不僅可以用上面的數(shù)學手段來證個圓形的旋轉(zhuǎn)磁場。這個概念不僅可以用上面的數(shù)學手段來證明，還可以

13、進一步明，還可以進一步用圖用圖6-4來解釋來解釋。圖中假定：正值電流從繞組。圖中假定：正值電流從繞組的首端流入而從尾端留出，負值電流從繞組的尾端流入而從首的首端流入而從尾端留出，負值電流從繞組的尾端流入而從首端流出。設三相電流為端流出。設三相電流為 第六章第六章 交流電機的旋轉(zhuǎn)磁場理論交流電機的旋轉(zhuǎn)磁場理論AmeBmeCmecos2cos()32cos()3iItiItiIt（6-10）-13- 由圖 可 見由圖 可 見三 相 電 樞 繞三 相 電 樞 繞組 的 合 成 磁組 的 合 成 磁動 勢 是 一 個動 勢 是 一 個旋 轉(zhuǎn) 行 波 。旋 轉(zhuǎn) 行 波 。 第六章第六章 交流電機的旋轉(zhuǎn)磁

14、場理論交流電機的旋轉(zhuǎn)磁場理論AmeBmeCmecos2cos()32cos()3iItiItiIt-14- 二、旋轉(zhuǎn)磁場的基本特點二、旋轉(zhuǎn)磁場的基本特點 1）三相對稱繞組通入三相對稱電流所產(chǎn)生的三相基波合成）三相對稱繞組通入三相對稱電流所產(chǎn)生的三相基波合成磁動勢是一個旋轉(zhuǎn)行波，磁動勢是一個旋轉(zhuǎn)行波， 合成磁動勢的幅值是單相電樞繞組脈合成磁動勢的幅值是單相電樞繞組脈振磁動勢幅值的振磁動勢幅值的3/2倍。同理可以證明，倍。同理可以證明，對于對于m相對稱繞組通入相對稱繞組通入m相對稱電流，所產(chǎn)生的基波合成磁動勢也是一個旋轉(zhuǎn)行波，其相對稱電流，所產(chǎn)生的基波合成磁動勢也是一個旋轉(zhuǎn)行波，其幅值為每相脈振幅

15、值的幅值為每相脈振幅值的m/2倍。倍。 2）根據(jù)旋轉(zhuǎn)磁場的行波性質(zhì)以及式（）根據(jù)旋轉(zhuǎn)磁場的行波性質(zhì)以及式（6-7），可以知道旋），可以知道旋轉(zhuǎn)磁場的電角速度為轉(zhuǎn)磁場的電角速度為 第六章第六章 交流電機的旋轉(zhuǎn)磁場理論交流電機的旋轉(zhuǎn)磁場理論1e12f（6-11）1的單位為的單位為rad/s，f1為電源頻率。設電機極對數(shù)為為電源頻率。設電機極對數(shù)為np，則旋轉(zhuǎn)磁，則旋轉(zhuǎn)磁場的機械轉(zhuǎn)速為場的機械轉(zhuǎn)速為 p1160nfn （6-12）n1的單位為的單位為r/min。上式表明，。上式表明，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1僅與電源頻率僅與電源頻率f1和電機極對數(shù)和電機極對數(shù)np有關(guān)，稱為同步轉(zhuǎn)速。有關(guān)，稱為

16、同步轉(zhuǎn)速。 -15- 3）從圖）從圖6-4可見，旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向是從電流超前的相可見，旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向是從電流超前的相轉(zhuǎn)向電流滯后的相，即合成磁動勢的軸線是從轉(zhuǎn)向電流滯后的相，即合成磁動勢的軸線是從A相轉(zhuǎn)到相轉(zhuǎn)到B相，再相，再從從B相轉(zhuǎn)到相轉(zhuǎn)到C相。因此相。因此要改變旋轉(zhuǎn)磁場的方向，只要改變電樞繞要改變旋轉(zhuǎn)磁場的方向，只要改變電樞繞組的相序即可組的相序即可，也就是將連接到電源的三相繞組的，也就是將連接到電源的三相繞組的3根接線中的根接線中的任意任意2根對調(diào)就可以了。根對調(diào)就可以了。 4）從圖）從圖6-4還可以看出，還可以看出，當某相電流達到最大時，旋轉(zhuǎn)磁當某相電流達到最大時，旋轉(zhuǎn)磁動勢的波

17、幅剛好轉(zhuǎn)到該相繞組的中心線上。動勢的波幅剛好轉(zhuǎn)到該相繞組的中心線上。 第六章第六章 交流電機的旋轉(zhuǎn)磁場理論交流電機的旋轉(zhuǎn)磁場理論-16-第三節(jié)第三節(jié) 交流電機的主磁通和漏磁通交流電機的主磁通和漏磁通 一、主磁通一、主磁通 當交流電機的定子繞組通入三相對稱電流時，當交流電機的定子繞組通入三相對稱電流時， 便在氣隙中便在氣隙中建立基波旋轉(zhuǎn)磁動勢，同時產(chǎn)生相應的基波旋轉(zhuǎn)磁場。建立基波旋轉(zhuǎn)磁動勢，同時產(chǎn)生相應的基波旋轉(zhuǎn)磁場。 與基波與基波旋轉(zhuǎn)磁場相對應的磁通稱為主磁通，用旋轉(zhuǎn)磁場相對應的磁通稱為主磁通，用 m表示。由于旋轉(zhuǎn)磁場表示。由于旋轉(zhuǎn)磁場是沿氣隙圓周的行波，而氣隙的長度是非常小的，是沿氣隙圓周的

18、行波，而氣隙的長度是非常小的， 所以相應的所以相應的主磁通實際上是與定、轉(zhuǎn)子繞組同時相交鏈的，主磁通實際上是與定、轉(zhuǎn)子繞組同時相交鏈的， 這也是判斷主這也是判斷主磁通的重要依據(jù)磁通的重要依據(jù)。第六章第六章 交流電機的旋轉(zhuǎn)磁場理論交流電機的旋轉(zhuǎn)磁場理論 主磁通又稱為主磁通又稱為氣隙磁通氣隙磁通，交流電機，交流電機就是依靠氣隙磁通來實現(xiàn)定、轉(zhuǎn)子之間就是依靠氣隙磁通來實現(xiàn)定、轉(zhuǎn)子之間的能量轉(zhuǎn)換的。圖的能量轉(zhuǎn)換的。圖6-5所示是一臺四極所示是一臺四極交流電機的主磁通分布情況，主磁通經(jīng)交流電機的主磁通分布情況，主磁通經(jīng)過的路徑為：過的路徑為：氣隙氣隙定子齒定子齒定子軛定子軛定子齒定子齒氣隙氣隙轉(zhuǎn)子齒轉(zhuǎn)子

19、齒轉(zhuǎn)子軛轉(zhuǎn)子軛轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子齒齒氣隙氣隙，這與直流電機相類似。，這與直流電機相類似。-17- 二、漏磁通二、漏磁通 交流電機定子繞組除產(chǎn)生主磁通外，還產(chǎn)生與定子繞組相交交流電機定子繞組除產(chǎn)生主磁通外，還產(chǎn)生與定子繞組相交鏈而不與轉(zhuǎn)子繞組相交鏈的磁通，稱為定子漏磁通，用鏈而不與轉(zhuǎn)子繞組相交鏈的磁通，稱為定子漏磁通，用 s 表示。表示。定子漏磁通按磁通路徑可分為定子漏磁通按磁通路徑可分為3類：類： （1）槽漏磁通：槽漏磁通：由一側(cè)槽壁橫越至另一側(cè)槽壁的漏磁通，如由一側(cè)槽壁橫越至另一側(cè)槽壁的漏磁通，如圖圖6-6a所示；所示； （2）端部漏磁通：端部漏磁通：交鏈于繞組端部的漏磁通，如圖交鏈于繞組端部的漏磁通

20、，如圖6-6b所示；所示； （3）諧波漏磁通：諧波漏磁通：當定子繞組通入三相交流電時，在氣隙中當定子繞組通入三相交流電時，在氣隙中除產(chǎn)生基波旋轉(zhuǎn)磁場外，還產(chǎn)生一系列高次諧波旋轉(zhuǎn)磁場，除產(chǎn)生基波旋轉(zhuǎn)磁場外，還產(chǎn)生一系列高次諧波旋轉(zhuǎn)磁場， 以及以及相應的高次諧波磁通。相應的高次諧波磁通。 這些諧波磁通雖然同時交鏈定、這些諧波磁通雖然同時交鏈定、 轉(zhuǎn)子繞組，轉(zhuǎn)子繞組，但一般不利于電機的正常運行，所以把它們作為漏磁通處理。但一般不利于電機的正常運行，所以把它們作為漏磁通處理。 如果轉(zhuǎn)子繞組中有電流通過，也會在氣隙中建立基波旋轉(zhuǎn)磁如果轉(zhuǎn)子繞組中有電流通過，也會在氣隙中建立基波旋轉(zhuǎn)磁動勢，這時主磁通將由定、轉(zhuǎn)子基波磁動勢聯(lián)合產(chǎn)生。動勢，這時主磁通將由定、轉(zhuǎn)子基波磁動勢聯(lián)合產(chǎn)生。當然，轉(zhuǎn)當然，轉(zhuǎn)子電流也會產(chǎn)生只與轉(zhuǎn)子繞組相交鏈而不與定子繞組相