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1、电机交流绕组的磁势本讲稿第一页，共三十九页第一节第一节 概述概述l流经异步电机定子绕组与转子绕组的电流以及同步电机定子绕组的电流是交流电流，其所产生的磁势不仅是空间函数，且是时间函数。l研究磁势的空间分布规律；l研究磁势的时间变化规律。本讲稿第二页，共三十九页1、研究步骤：、研究步骤：l单相绕组的磁势；l对称三相电流流过对称三相绕组的基波磁势；l不对称三相电流流过对称三相绕组的基波磁势；l磁势的高次谐波分量。本讲稿第三页，共三十九页2、假设：l绕组中的电流随时间按正弦规律变化，不考虑高次谐波电流；l槽内电流集中在槽中心处；l定、转子间气隙均匀，不考虑由于齿槽引起的气隙磁阻变化，即气隙磁阻是常数
2、；l铁芯不饱和，忽略定、转子铁芯的磁压降。本讲稿第四页，共三十九页第二节 单相绕组的磁动势一、整距元件（线圈）的磁势的磁势l整距元件y=，通以电流后：在气隙空间形成一对磁极，且两个气隙的磁通密度相同。磁力线穿过转子铁心，定子铁心和两个气磁力线穿过转子铁心，定子铁心和两个气隙隙相对于气隙而言相对于气隙而言,由于铁心磁导率极大由于铁心磁导率极大,铁芯铁芯消耗的磁势降可以忽略不计消耗的磁势降可以忽略不计。一个气隙上消耗的磁势为：一个气隙上消耗的磁势为：fc=Ncic/2 如果通过线圈的电流为正弦波如果通过线圈的电流为正弦波:沿气隙圆周展开，每极磁势为矩形波，则矩形沿气隙圆周展开，每极磁势为矩形波，则
3、矩形波的高度也按正弦变化。但空间分布情况不变，波的高度也按正弦变化。但空间分布情况不变，即磁动势幅值所在位置不变，这种性质的磁动势即磁动势幅值所在位置不变，这种性质的磁动势为脉动磁动势。为脉动磁动势。本讲稿第五页，共三十九页整距元件的磁势（a）两极磁势（b）磁势分布波本讲稿第六页，共三十九页本讲稿第七页，共三十九页l每极磁势沿气隙分布呈矩形波每极磁势沿气隙分布呈矩形波，纵坐标的正负表示极性。l由于电流随时间按正弦规律变化，所以磁势磁势波的高度也随时间按正弦规律变化，但波的高度也随时间按正弦规律变化，但空间空间位置固定不变（磁轴不变）位置固定不变（磁轴不变）。l脉动的频率决定于电流的频率。l矩形
4、波矩形波可分解为基波及各次谐波。性质：脉动磁势性质：脉动磁势脉动磁势本讲稿第八页，共三十九页脉动磁势的分解（脉动磁势的分解（既是空间变量又是时间变量函数）既是空间变量又是时间变量函数）本讲稿第九页，共三十九页N极下磁密与S极下极下磁密对称磁密对称 由于结构对称，每极下磁由于结构对称，每极下磁由于结构对称，每极下磁由于结构对称，每极下磁密波对磁极中心线对称，密波对磁极中心线对称，密波对磁极中心线对称，密波对磁极中心线对称，本讲稿第十页，共三十九页基波磁势也是脉动的基波磁势也是脉动的 基波在空间按正弦分布；在时间上，任何基波在空间按正弦分布；在时间上，任何 一个一个位置的磁势都按正弦变化。所以基波
5、是一个正弦位置的磁势都按正弦变化。所以基波是一个正弦分布的分布的正弦脉振磁势。本讲稿第十一页，共三十九页二、线圈组磁势1、单层绕组的磁势（整距线圈组）l单层绕组：每对极下由q个元件组成元件组，各元件在空间依次相距电角度，设各元件的匝数相等，当流过电流，便产生q个振幅相等、空间依次相距电角度的矩形磁势波。l把每个矩形波分别进行分解，都含有基波分量和一系列高次谐波分量。本讲稿第十二页，共三十九页阶梯形本讲稿第十三页，共三十九页分析：分析：设设q=3，a=20 l三个矩形磁势波的3个基波磁势分量，它们的振幅相等，空间相位差20电角度，把三个正弦波曲线相加得到元件组的磁势基波。l元件组（合成）磁势的基
6、波振幅为：lv次谐波振幅：本讲稿第十四页，共三十九页2、双层绕组的磁势l双层绕组：每对极有两个元件组，把两个元件组的磁势叠加，便得到双层绕组的磁势。l双层绕组通常是短矩绕组，从产生磁场的观点来看，磁势只决定于槽内导体电流的大小和方向，与元件的组成次序无关。l把实际的短距绕组所产生的磁势，等效地看成由上、下层整距绕组产生的磁势之和。本讲稿第十五页，共三十九页双层短距绕组的磁势双层短距绕组的磁势在分析磁场分布式时，双层绕组可以等效为在分析磁场分布式时，双层绕组可以等效为两个整距单层绕组两个整距单层绕组两个等效单层绕组在空间分布上错开一定的角度，这两个等效单层绕组在空间分布上错开一定的角度，这个角度
7、等于短距角。个角度等于短距角。本讲稿第十六页，共三十九页 相当于单层绕组的分布情况相当于单层绕组的分布情况之间相差之间相差 电角度电角度本讲稿第十七页，共三十九页分析：分析：l双层绕组磁势的基波振幅：磁势的v次谐波振幅：本讲稿第十八页，共三十九页三、单相绕组的磁势三、单相绕组的磁势本讲稿第十九页，共三十九页四、单相绕组磁势的性质与特点：(1)单相分布绕组的磁势呈阶梯形分布，随时间按正弦规律变化。(2)磁势的基波分量是磁势的主要成分，谐波次数越高，振幅越小，绕组分布和适当短距有利于改善磁势波形。(3)基波和各次谐波有相同的脉动频率，都决定于电流的频率。(4)v次谐波的极对数为 v次谐波的极距本讲
8、稿第二十页，共三十九页强调：l磁势是时间函数，呈空间分布，各对磁极分别有各自的磁路，不能合并不同空间的各对磁极的磁势。电势可以合并，有串联或并联电势可以合并，有串联或并联本讲稿第二十一页，共三十九页第三节第三节 对称三相电流流过对称三相绕组的基波磁动势对称三相电流流过对称三相绕组的基波磁动势一、脉动磁势分解成两个旋转磁势一、脉动磁势分解成两个旋转磁势脉动磁势波的节点和幅值的位置是固定不变的。脉动磁势波的节点和幅值的位置是固定不变的。l在空间按正弦规律分布随时间按正弦规律变化的脉动磁势可以分解在空间按正弦规律分布随时间按正弦规律变化的脉动磁势可以分解为为两个旋转磁势分量。两个旋转磁势分量。l每个
9、旋转磁势：振幅为脉动磁势振幅的一半，旋转速度相同，旋每个旋转磁势：振幅为脉动磁势振幅的一半，旋转速度相同，旋转方向相反转方向相反。（磁势波幅值随着时间的推移朝（磁势波幅值随着时间的推移朝X正（负）方向有规则的移动）正（负）方向有规则的移动）基波分量f1 1本讲稿第二十二页，共三十九页本讲稿第二十三页，共三十九页性质：性质：l空间按正弦分布的磁动势也可在选定的空间参考轴上用空间矢量来表示。(P117)l两矢量以相同角速度向相反方向旋转，任何瞬间合成磁势的空间位置固定不变在该绕组的轴线处（绕组的轴线为磁轴或定义为相轴），但大小随时间变化。l脉动磁势脉动磁势的振幅的空间位置在相轴上。本讲稿第二十四页
10、，共三十九页二、对称三相电流流过对称三相绕组的基波磁势二、对称三相电流流过对称三相绕组的基波磁势l设各相的电流瞬时值为iA、iB、iC，各相磁势的基波分量分别：本讲稿第二十五页，共三十九页讨论：讨论：l三个相绕组有三个磁轴。l不论iA、iB、ic是否对称，就每相绕组而言，均产生一脉动磁势，作用在各自的磁轴上。本讲稿第二十六页，共三十九页l对称的情况下，由于各相电流的有效值相等，各相脉动磁势的最大幅值也相等。各相脉动磁势均分解成两个相反方向旋转的旋转磁势：各相电流所产生的正向旋转磁势在空间均为同相，所产生的负向旋转磁势空间相位差120。合成后，正向旋转磁势直接相加，负向旋转磁势相加结果为零。本讲
11、稿第二十七页，共三十九页结论：当对称的三相电流流过对称的三相绕组时，合当对称的三相电流流过对称的三相绕组时，合成磁势为一圆形旋转磁势成磁势为一圆形旋转磁势1 1极数极数 基波旋转磁势的极数与绕组的极数相同。基波旋转磁势的极数与绕组的极数相同。2 2振幅振幅 合成磁势的振幅为每相脉动磁势振幅的合成磁势的振幅为每相脉动磁势振幅的3/23/2倍。倍。3 3转速转速 角速度角速度=2f=2f（电弧度（电弧度/s/s）n n1 1=f/p=f/p（r/sr/s）=60f/p(r/min)=60f/p(r/min)同步转速，同步转速，基波转速基波转速。4 4幅值位置幅值位置合合成成磁磁势势的的振振幅幅的的
12、位位置置随随时时间间而而变变化化，出出现现在在t-xt-x0 0处处（x=tx=t）。当当某某相相电电流流达达到到最最大大值值时时，旋旋转转磁磁势势的的振振幅幅刚刚好好转转到到该该相相绕绕组组的的轴轴线线上。上。5 5旋转方向旋转方向 顺着顺着X X增加的方向，增加的方向，由超前电流的相转向滞后电流的相。由超前电流的相转向滞后电流的相。改变旋转磁场转向的方法：调换任意两相电源线（改变相序）改变旋转磁场转向的方法：调换任意两相电源线（改变相序）本讲稿第二十八页，共三十九页圆形旋转磁势圆形旋转磁势l当电流为一对称的三相电流时，合成磁势仅有正序旋转磁势F。l当矢量F旋转时，端点轨迹为圆。本讲稿第二十
13、九页，共三十九页第四节第四节 不对称三相电流流过对称三相绕组的基波磁势不对称三相电流流过对称三相绕组的基波磁势l将不对称的三相系统分解为三个对称的系统，即正序系统、负序系统和零序系统。(P120)l每相电流分解为三个分量，每相磁势也可分解为三个分量。l当正序电流流过三相绕组时，产生正向旋转磁势正序旋转磁势f+l当负序电流流过三相绕组时，产生负向旋转磁势f-本讲稿第三十页，共三十九页零序电流的磁势：零序电流的磁势：l当绕组为星形联接时，各相零序电流为零，不存在零序磁场。l当绕组按三角形连接时，各相零序电流为同相位，由零序电流所产生的各相零序磁势在空间相位差120电角度，适相抵消，也不产生旋转磁场
14、。本讲稿第三十一页，共三十九页椭圆形旋转磁势椭圆形旋转磁势l当电流为一不对称的三相电流，合成磁势将有两个分当电流为一不对称的三相电流，合成磁势将有两个分量：正序分量和负序分量，各以同步速向相反方向旋量：正序分量和负序分量，各以同步速向相反方向旋转。不同时刻，有不同的振幅在任一瞬间的合成磁势转。不同时刻，有不同的振幅在任一瞬间的合成磁势仍按正弦分布，用两个旋转矢量仍按正弦分布，用两个旋转矢量 ，合成磁，合成磁势为这两个旋转矢量和，其端点轨迹为一椭圆势为这两个旋转矢量和，其端点轨迹为一椭圆本讲稿第三十二页，共三十九页本讲稿第三十三页，共三十九页第五节第五节 磁势的空间谐波分量和时间谐波分量磁势的空
15、间谐波分量和时间谐波分量一、磁势的空间谐波分量一、磁势的空间谐波分量0.9本讲稿第三十四页，共三十九页合成磁势：合成磁势：基波分量合成为正向的旋转磁势3次谐波以及以3为倍数的奇次谐波分量，三相合成磁势为零v6k-1的各次空间谐波均为转向与基波相反的负向旋转磁势v=6k+1的各次空间谐波均为正向旋转磁势。（7，13，等）本讲稿第三十五页，共三十九页二、磁势的时间谐波分量二、磁势的时间谐波分量本讲稿第三十六页，共三十九页谐波磁场的不良影响谐波磁场的不良影响:l1.产生谐波感应电势。谐波电势所产生的附加损耗不仅降低效率，而且降低功率因数。l2.谐波磁势产生的附加力矩。将会影响电动机的起动力矩和过载能力。l设计时应当尽量设法削弱磁势的高次谐波分量，特别要削弱其中影响最大的5次谐波和7次谐波。与削弱谐波电势一样，通常采用适当短距的分采用适当短距的分布绕组布绕组来削弱空间谐波磁势以改善磁势的波形，使其接近于正弦分布波。本讲稿第三十七页，共三十九页思考题思考题l7-1l7-3l7-4l7-8本讲稿第三十八页，共三十九页作业作业l7-6，采用如7-10和7-11式相似的分析方法，得到各相脉动磁势，然后各分解为两个旋转磁势，并分别合成。本讲稿第三十九页，共三十九页