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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 交交流流电电机机包包括括异异步步电电机机和和同同步步电电机机两两大大类类，虽虽然然这这两两类类电电机机的的运运行行性性能能有有很很大大不不同同，但但它它们们在在定定子子电电枢枢绕绕组组结结构构及及旋旋转转磁磁场场基基本本理理论论方方面面有有着着许许多多共共同同的的地地方方，所所以以在在分分别别介介绍绍异异步步
2、电电机机和和同同步步电电机机原原理理之之前前，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交流电机的定子是由硅钢片硅钢片叠压而成的，在定子铁心内圆周叠压而成的，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，在空间互差组是对称
3、分布的，它们匝数相等，在空间互差120 电角度。电角度。-4-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-5-二、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
4、，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-6-由由第第一一章章所所述述的的电电磁磁感感应应原原理理，可可以以认认为为磁磁动动势势FA全全部部消消耗耗在在两两段段气气隙隙上上，即即任任一一磁磁力力线线在在每每段段气气隙隙上上所所消消耗耗的的磁磁动动势势都都
5、是是 。把把图图6-2a展展开开后后便便得得到到图图6-2b所所示示的的磁磁动动势势分分布布，这这是一个矩形波，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假如如线线圈圈中中的的电电流流i是是稳稳恒恒电电流流，其其数数值值和和方方向向恒恒定定不不变变，那那么么矩矩形形波波磁磁动动势势的的高高度度也也将将恒恒定定不不变变。而而实实际际上上交交流流电电机机电电枢枢绕绕组组中中流流过过的的是是交交变变电电流流，其其电电流流的的大大小小和和方方向向都都是是随随时时间间而而变变化化的的，因因此此矩矩形形波波磁磁动动势势的的高高度度也也将将随随时时间间而而变
6、变化化。设设线线圈圈电电流为流为（6-1）（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。-7-上上式式说说明明，任任何何瞬瞬间间单单相相电电枢枢绕绕组组的的磁磁动动势势在在空空间间以以矩矩形形波波分分布布，矩矩形形波波的的高高度度随随时时间间按按正正弦弦规规律律变变化化。这这种种在在空空间间位位置固定，而大小随时间变化的磁动势称为置固定，而大小随时间变化的磁动势称为脉振磁动势脉振磁动势。对对图图6-2b所所示示的的矩矩形形波波磁磁动动势势进进行行傅傅立立叶叶分分析析，可可以以得得到到相相应的基波分量应的基波分量 第六章第六章 交流电机的旋转
7、磁场理论交流电机的旋转磁场理论（6-3）其其中中，x表表示示定定子子内内表表面面的的圆圆周周距距离离，极极距距表表示示相相邻邻极极间间的的圆圆周距离。上式可进一步写为周距离。上式可进一步写为（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 。-8-三、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
8、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（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。-9-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 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 根据三角函数的根据三角函数的积化和差公式积化和差公式，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
9、转磁场理论（6-6）将上式中三相定子绕组磁动势相加，得到将上式中三相定子绕组磁动势相加，得到合成磁动势合成磁动势（6-7）其中，合成磁动势的幅值其中，合成磁动势的幅值 。-10-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，所以周的空间分布，所以它是一个沿它是一个沿气隙圆周旋转的行波气隙圆周旋转的行波，其相对于，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（6-8）称称为同步速度，相应的波长为为同步速度，
10、相应的波长为（6-9）-11-根根据据对对式式（6-7）的的分分析析，从从式式（6-6）可可以以看看出出，定定子子A、B、C三三相相绕绕组组的的磁磁动动势势均均可可以以分分解解为为两两个个大大小小相相等等、转转向向相相反反的的旋旋转转磁磁动动势势。正正向向旋旋转转的的磁磁动动势势相相位位相相同同，其其合合成成磁磁动动势势的的幅幅值值是是每每相相正正转转磁磁动动势势幅幅值值的的3倍倍，而而反反向向旋旋转转的的磁磁动动势势相相位位互互差差120，其合成磁动势为零。，其合成磁动势为零。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（6-6）-12-一一个个三三相相对对称称绕绕组组通通入入
11、三三相相对对称称电电流流时时，所所产产生生的的一一定定是是个个圆圆形形的的旋旋转转磁磁场场。这这个个概概念念不不仅仅可可以以用用上上面面的的数数学学手手段段来来证证明明，还还可可以以进进一一步步用用图图6-4来来解解释释。图图中中假假定定：正正值值电电流流从从绕绕组组的的首首端端流流入入而而从从尾尾端端留留出出，负负值值电电流流从从绕绕组组的的尾尾端端流流入入而而从从首首端流出。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（6-10）-13-由由图图可可见见三三 相相 电电 枢枢 绕绕组组 的的 合合 成成 磁磁动动 势势 是是 一一 个个旋旋
12、转转 行行 波波。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-14-二、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
13、/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及式（6-7），可以知道旋转），可以知道旋转磁场的电角速度为磁场的电角速度为 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（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（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。-15-3）从图）从图6-4可见，旋转磁场的旋转
14、方向是从电流超前的相可见，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，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
15、上。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-16-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、
16、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 主磁通又称为主磁通又称为气隙磁通气隙磁通，交流电机，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所示是一台四极交所示是一台四极交流电机的主磁通分布情况，主磁通经过流电机的主磁通分布情况，主磁通经过的路径为：的路径为：气隙气隙定子齿定子齿定子轭定子轭定定子齿子齿气隙气隙转子齿转子齿转子轭转子轭转子齿转子齿气隙气隙，这与直流电机相类似。，这与直流电机相类
17、似。-17-二、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
18、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。动势，这时主磁通将由定、转子基波磁动势联合产生。当然，转当然，转
19、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-18-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-19-小小 结结
20、 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之间保持严格的关系，即，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