旋转磁场的产生原理
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旋转磁场的产生原理
定子三相绕组通入三相交流电(星形联接)，电路如图1所示，波形如图2所示。
规定：如图3所示。
：“＋”→首端流入，尾端流出。
：“●”→首端流入，尾端流出。
图1 图2
三相电流合成磁场的分布情况，如图4 所示，波形如图5所示。
图5
图3
图4
分析可知：三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场，即：一个电流周期，旋转磁场在空间转过360°。
12131057 陈管杰 三相旋转磁场 【实验目的】 了解磁场的叠加性，电磁感应及电动机原理。 【操作与现象】 1．打开电源开关，给三对线圈通以380伏交流电，先将一个钢球放入磁场中心，观察其转动情况； 2. 放入另一个钢球，观察两个钢球转动和相互作用的情况； 3. 实验结束，定时器将自动关闭电源。 【实验原理】 定子有三个线圈绕组，接通电源后，在绕组中有对称的三相电流流过（“对称”是指各相电流的幅值相等，相位差为120°），三对线圈通以交流电后产生旋转磁场，金属球在旋转磁场中发生电磁感应产生涡流。 三相旋转磁场 图29-2 各相电流随时间变化的曲线和向量图
这三个相位不同的变化电流感应在定子中心产生的 磁场有下列关系： ()j t B B m A +=0sin ω ()()?-??-=30sin 30cos 120sin j i t B B m B ω ()()?-?-?-=30sin 30cos 240sin j i t B B m C ω 则合成的磁场为三者的矢量和，即 ()2 sin cos 3t j t i B B B B B m C B A ωω+-=++= 在直角坐标系中，B 的方向为t tg ω-。可见B 是一个旋转的磁场，它以角速度ω在平面内旋转，即合成了一个旋转磁场，以三相交流电频率ω旋转。因此放入两个钢球后，两个钢球相当于两个转子，旋转磁场切割转子导体，使转子产生感应电流，再由感应电流产生力矩，其方向同旋转磁场。若两个小球被同相磁极磁化，则会产生排斥分开；被异相磁极磁化则分相互吸引，由于三相磁场方向的不断变化，实验中会观察到两个小钢球不断地合拢与分开。 【注意事项】 易受磁场作用的物品要远离仪器。 【应用实例】 三相异步电动机中就有旋转磁场，是电能和转动机械能之间相互转换的基本条件。 图29-3 磁场的向量图
阵列永磁体产生旋转磁场的机理及实验 张炜 （浙江大学宁波理工学院 315100） 摘要：诊疗微机器人外磁主动驱动是一种可行的重要的驱动方式，而如何产生合适的外部磁 场是一个比较复杂的问题。相对于目前常用的通过电磁线圈组合产生驱动磁场方式，本文提 出了一种新的简单可行的永磁体组合产生旋转磁场方法，即圆周阵列永磁体并将其调整到对 应的初始方位角后，同步转动在阵列中心区域产生旋转磁场，作为微机器人的主动驱动场。 对于阵列中心区域的磁感应强度分布，本文作了理论分析和数值计算，并搭建了实验台。实 验表明，采用边长为50mm高为18mm的钕铁硼永磁体阵列，阵列数为6，阵列直径为275mm 时，可以在±50×±50×±20mm3阵列中心区域可以产生一个大小120Gs均匀磁场，该磁场与 永磁体同步旋转但是方向相反。这种新的磁场产生方法可以用于微机器人特别是诊疗微机器 人的驱动，具有广泛的应用前景。 关键字：永磁体、阵列、旋转磁场、驱动 1前言 目前，人体诊疗机器人的发展方向是功能化和主动运动[1, 2]。从主动运动角度而言，微机器人的能量获取是关键问题之一，内置能量单元是一种解决方式，但是随着微机器人的体积越来越小，留给内置能量单元的空间也越来越有限了，从而利用体外能量场特别是电磁场对诊疗微机器人运动进行主动控制越来越受到重视。 对于体内诊疗微机电系统，外部磁场驱动是一种非常有前景的驱动方式。对于体内微机器人而言，外部磁场驱动方式主要包括直接拖动、周期振荡驱动、旋转驱动等。简晓云[3]提出使用亥姆霍兹线圈以及麦克斯韦对的组合线圈形成强度梯度的磁场直接拖动诊疗机器人。张永顺等人[4, 5]提出了基于振动原理的外磁场控制微机器人行走的技术。Sendoh等人[6-9]使用正交的三轴亥姆霍兹线圈通电在其线圈内部合成一个旋转磁场。在随后的研究中，Sendoh等人使用磁沾射方法对更加微小的螺旋机构表面进行磁化，并在较大雷诺数范围的液体中进行了实验。为了驱动的平稳性以及可控性，要求外部磁场必须是均匀的，而且易于调节方向等。 目前，通常利用组合线圈在其内部区域得到所需要的磁场，这时直流线圈发热将消耗一大部分能量。作者[10-13]提出了外部旋转磁场驱动胶囊微机器人的方法，本文讨论旋转磁场的产生，将采用永磁体组合产生磁场，提出一种新的旋转磁场产生方法，即通过永磁体圆周阵列并且同步转动在阵列中心区域产生旋转磁场。 2永磁体圆周阵列方法 下面给出阵列方法，首先约定永磁体与阵列平面之间的方位，然后给出永磁体具体的配置方法。 2.1永磁体与阵列面方位约定 图1规定阵列永磁体磁化方向、阵列平面以及永磁体自转中心三者关系，取阵列平面垂直于纸面，永磁体磁化方向的中心线处于阵列平面上，而永磁体的自转中心线垂直于阵列平面，并且上述两条中心线通过体积中心点。 图1 阵列永磁体磁化方向、阵列平面以及永磁体自转中心三者关系示意图 Fig.1 Relationships of the array plane, magnetized direction, and self-rotating axis of each permanent magnet 2.2圆周阵列永磁体的布置 下面说明圆周阵列（圆周半径为r0）的n个永磁体的布置方法及步骤，如图2.a所示： 1.建立固定的全局坐标系oxyz，以及随永磁体转动的局部坐标系o i x i y i z i，(i=1,2,?,n)，两类坐标系x轴均
第33卷第5期2011年10月 电气电子教学学报 JOURNAL OF EEE Vol．33No．5Oct．2011 交流电机旋转磁场的教学研究 刘瑞芳 （北京交通大学电气工程学院，北京100044） 收稿日期：2011-01-19；修回日期：2011-03-31作者简介：刘瑞芳（1971-），女，博士，副教授，主要从事电机电磁场数值计算的教学与研究工作， E-mail ：rfliu@bjtu．edu．cn 摘 要：“电机学”课程中的旋转磁场是交流电机理论的一个重要的知识点。但是由于磁场本身比较抽象，它成为教学中的一个难点。为此， 笔者在本知识点的教学中设计了研究性训练环节，让学生应用电磁场有限元数值计算软件进行交流电机电磁场的数值计算，分析旋转磁场，脉振磁场和多极磁场的特点， 归纳总结出旋转磁场的规律。这种研究性训练促进了学生对交流电机旋转磁场理论的理解。关键词：交流电机；旋转磁场；电磁场计算中图分类号：TM3 文献标识码：A 文章编号：1008- 0686（2011）04-0082-03Teaching Research on Rotating Magnetic Field of the 3-Phase AC Machines LIU Rui-fang （School of Electric Engineering ，Beijing Jiaotong University ，Beijing 100044，China ） Abstract ：In the course of Electrical Machinery ，the rotating magnetic field is an important concept in AC machines theory．Good comprehension of it is helpful for students in learning the succeeding knowledge．However ，the mag-netic field is abstract ，thus making this concep difficult to understand．So the research training is designed in this part of teaching．By appling the finite element electromagnetic field calculation software ，students calculate the field of AC windings and analyse the characteristics of rotating magnetic field ，pulsate field and multi-pole field ，then summarize the rule of the rotating magnetic field．This research training is helpful for students to understand the rotating magnetic field theory． Keywords ：AC machines ；rotating magnetic field ；electromagnetic field calculation 0引言 “电机学”课程是电气信息工程专业重要的技 术基础课。掌握电机内磁场的分布对正确理解电机内能量转换有重要的作用 ［1］ 。旋转磁场是电机 学交流电机理论重要的知识点，对这一概念的正确 理解是学好后续交流电机知识的一个基础。交流电机中，三相对称绕组通以三相对称交流电流能够产生旋转磁场。该旋转磁场的特点为 （1）幅值恒定； （2）旋转的转速取决于电流频率以及绕组的极 数， 其关系为n =60f /p 式中，n 为磁场转速，单位r /min ；f 为电流频率，单位Hz ；p 为电机的极对数； （3）哪一相电流最大，磁场幅值就在该相电流线圈的轴线上； （4）磁场的转向取决于电机电流通电的相序。改变电流相序，会改变旋转磁场的转向。我们知道，在《电机学》教材中多采用数学推 导结合图解法来说明旋转磁场的性质［2］ 。这样的分析方法严谨，逻辑性强。但是由于磁场本身比
三相交流电产生的旋转磁场 Three-phase Rotating Magnetic Field 应用最广泛的电动机就是三相交流电动机，三相交流电动机是用三相交流电产生的旋转磁场来带动电机转子旋转的。 三相交流电由A、B、C三相组成，按每个交流周期360度算，每相间距120度，下面是三相交流电波形图，黄色为A相波形，绿色为B相波形，红色为C相波形，我国使用的三相交流电频率是50赫兹。 图1--三相交流电波形图 三相交流电通过三相绕组来产生旋转磁场，三相绕组由三个嵌在电动机定子铁芯上的线圈组成，下面是一个三相交流电动机模型的定子，在定子内圆有6个嵌线槽，分别嵌有A、B、C三相线圈，三个线圈按120度分布，黄色线框AX是A相线圈，绿色线框BY是B相线圈，红色线框CZ是C相线圈。线框的A、B、C端为线圈入端，X、Y、Z端为线圈出端。
图2--三相绕组示意图 在三个线圈通上三相交流电后，在定子铁芯中间会形成一个旋转磁场，下图展示三相交流电与旋转磁场的动画截图。在A相线圈端口输入的是A相电流IA，在端口有箭头标明电流的方向；在B相线圈端口输入的是B相电流IB，在端口有箭头标明电流的方向；在C相线圈端口输入的是C相电流IC，在端口有箭头标明电流的方向。在定子铁芯中间有A 相电流形成的黄色磁场箭头，其长度代表磁场强度，指向为磁场的方向；同样绿色与红色箭头分别代表B相与C相的磁场强度与方向；紫蓝色的箭头是A、B、C三相的合成磁场，其长度代表磁场强度，指向为磁场的方向。在动画中可看到三相电流的变化、三相磁场的变化及合成的旋转磁场。 这里展示五幅截图，以A相起点为0度，图3是0度时的截图：
寿光市职业教育中心学校职场导学 教学设计 课程名称：电工电子技术与技能 课题：三相异步电动机旋转磁场的产生 主讲教师：杨倩 日期：2018.03.07
寿光市职业教育中心学校职场导学教学设计（专业课参考）
2 任务 实施 步 骤 1 回顾三相异步电动机的基本结 构，提问： （1）三相异步电动机的基本结构 有哪些？ （2）各部分的作用是什么？ 引导同学回顾之前所学内容： （1）三相异步电动机的基本结构有 哪些？ （2）各部分的作用是什么？ 接下来我们先来分析一下电动机 的工作原理。旋转磁场是本章学习 的关键。理解电动机的工作原理， 首先应重点掌握旋转磁场的产 生、旋转磁场极对数、旋转磁场 的转速以及旋转磁场的转向。 步 骤 2 掌握三相异步电动机旋转磁 场的产生条件。 一、旋转磁场的产生条件 1、首先给三相异步电动机的三相 绕组通入三相交流电，所通的三相电 流的有效值相等，频率相等，相位彼 此相差120°，如下图。 2、下图（a）是三相异步电动机定子 绕组的空间分布，（b）图是绕组的联 结。 步 骤 3 根据老师的讲解，学会分析 三相电流通过三相绕组，在 wt=0°时所产生的合成磁场的情 况。 二、旋转磁场的原理 1、研究旋转磁场的产生，关键是分析 三相电流通过三相绕组时，在不同时 刻所产生的合成磁场的情况。 2、规定： （1）电流的正方向： 首端流入，尾端流出为正方向；反 之，则为负方向。 （2）电流垂直纸面： 电流流入画×，电流流出画·。 3、讲解wt=0°时的合成磁场情况。
步骤4 每组同学根据老师讲解分析 讨论不同时刻的合成磁场的情 况。 分析完，每组派一个同学上 黑板画出不同时刻的合成磁场情 况。 小组活动： 五小组分别分析，wt=60°、 wt=90°、wt=180°、wt=270°和 Wt=360°时的合成磁场的情况。 步骤5 每组同学讲解自己的分析过 程，老师点评。 每组同学讲解自己的分析过程， 老师点评。 根据之前的结果，观察一下旋转磁场 连续变化的过程。 3 任务 总结 任 务 展 示 （1）定子绕组不同时刻的合成 磁场情况。 （2）分析旋转磁场的产生。 总结三相异步电动机旋转磁场产 生的条件和原理。 任 务 拓 展 想想练练：当磁极对数p=2时定子 绕组任意时刻的合成磁场情况是 怎样的？ 思考一下，当磁极对数p=2时定 子绕组任意时刻的合成磁场情况是怎 样的？ 学 习 小 结 三相异步电动机： （1）旋转磁场产生的条件。 （2）旋转磁场的原理。 三相异步电动机： （1）旋转磁场产生的条件。 （2）旋转磁场的原理。 布置作业《学海领航》高考试题回放教学反思
三相交流电动机的旋转磁场 应用最广泛的电动机就是三相交流电动机，三相交流电动机是用三相交流电产生的旋转磁场来带动电机转子旋转的。 三相交流电由A、B、C三相组成，按每个交流周期360度算，每相间距120度，下面是三相交流电的波形图，黄色为A相波形，绿色为B相波形，红色为C相波形，我国使用的三相交流电频率是50赫兹。 三相交流电通过三个线圈来产生旋转磁场，线圈嵌在定子铁芯上，下面是一个三相交流电动机模型的定子，在定子内圆有6个嵌线槽，分别嵌有A、B、C 三相线圈，三个线圈按120度分布，黄色是A相线圈，绿色是B相线圈，红色是C相线圈。
在三个线圈通上三相交流电后，在定子铁芯中间会形成一个旋转磁场，下图展示三相交流电与旋转磁场的动画截图。在A相线圈端口输入的是A相电流IA，在端口有箭头标明电流的方向；在B相线圈端口输入的是B相电流IB，在端口有箭头标明电流的方向；在C相线圈端口输入的是C相电流IC，在端口有箭头标明电流的方向。在定子铁芯中间有A相电流形成的黄色磁场箭头，其长度代表磁场强度，指向为磁场的方向；同样绿色与红色箭头分别代表B相与C相的磁场强度与方向；紫蓝色的箭头是A、B、C三相的合成磁场，其长度代表磁场强度，指向为磁场的方向。在动画中可看到三相电流的变化、三相磁场的变化及合成的旋转磁场。 这里展示四幅截图，以A相起点为0度，第1幅是是0度的截图： 第2幅是是105度的截图：
第3幅是是180度的截图：
第4幅是是255度的截图： 第5幅是是300度的截图：
交流电每变化一周磁场旋转一周，输入的三相交流电是50赫兹，产生的旋转磁场是每秒50周。 三相交流电与旋转磁场的动画见下载视频文件。 三相交流电与旋转磁场的动画还有用磁力线表示的动画，下图为其截图
思考与练习（10-3） 10-3-1（11-3-1）脉动磁场与旋转磁场最大的不同是什么？ 答：与三相异步电动机定子绕组通入三相交流电产生旋转磁场不同，单异步电动机的定子绕组通入单相电流后，只会产生脉动磁场，这个脉动磁场可以认为是由两个大小相等、转速相同、但转向相反的旋转磁场合成的。当转子静止时，两个旋转磁场分别在转子上产生两个转矩，其大小相等、方向相反，合成转矩为零。所以，转子不能自行起动。单相异步电动机转动的关键是产生一个起动转矩。 10-3-2（11-3-2）证明相位差为90°的电流i 1和i 2的，流过空间相隔90°的两个绕组，能产生一个旋转磁场？ 答：设工作绕组的电流i 1的初相位为零，则起动绕组的电流i 2的初相位为90°，即 i 1=I m1sin ωt A i 2=I m2sin （ωt+90°）A 作出i 1和i 2的波形图如图1所示。相位差为90°的电流i 1和i 2的，流过空间相隔90°的两个绕组。分析如下： （1）ωt =0°时，i 1=0，i 2= I m2，i 2方向左进右出，在电机内形成的N 在上，S 在下的垂直状态的磁极，如图2（a ）； （2）ωt =45°时，i 1=i 2= I 45°为正，i 1的方向上进下出，i 2的方向左进右出，在电机内形成NS 磁极由垂直状态顺时针转过45°，如图2（b ）； （3）ωt =90°时，i 1= I m1，i 2= 0，i 1的方向上进下出，在电机内形成的N 在右，S 在左的水平状态的磁极，较ωt =0时垂直状态磁极顺时针转过90°，如图2（c ）。 可见，ωt =0°时，ωt =45°时，ωt =90°时，电机内磁极由0°→45°→90°顺时针旋转，所以说相位差为90°的电流i 1和i 2的，流过空间相隔90°的两个绕组，能产生一个旋转磁场。 图1 电流的波形图 ωt =0 1 2 Φ n 0 ωt =45° 1 2 Φ ωt =90° n 0 1 2 Φ i 1 i ωt i 2 0 45° 90°
旋转磁场的原理 电流激发磁场，磁感应强度的大小与电流成正比；交变电流激发交变磁场。 载流螺线管的磁场沿轴线方向。 电动机旋转磁场对应的物理模型 A 、C 、E 三对互成120°螺线管，接入三相对称交流电。（每对串联或并联） 磁场为三个交变磁场的叠加，三个磁场的方向互成120°，三个磁场的振幅相等，相位互差120°。 1.图示三个磁场的正方向。 2.根据A 的电流0A I I con t ω=，列表表示三个电流的相位。 时间 0 T/36 T/18 T/12 T/9 5T/36 T/6 A C E 3.列表表示三个磁场的磁感应强度的大小。 时间 0 T/36 T/18 T/12 T/9 5T/36 T/6 A C E 4.分别画出0，T/36，T/18，和T/12四个时刻的磁场叠加的矢量图，并计算叠加后磁感应强度的大小和方向，再将结果填入表中；根据对称性确定T/9 、5T/36和 T/6三个时刻的磁场的大小和方向。 时间 0 T/36 T/18 T/12 T/9 5T/36 T/6 磁场大小 磁场方向 计算36 T t = 时磁场的过程 画出此时的三个磁场的示意图。建立OXY 坐标系，Y 轴沿C 磁场的方向，X 轴垂直于C 磁场的方向。 三个磁感应强度在Y 轴的投影分别是：0.34cos60o 、0.98和0.64cos60o ； 在X 轴的投影分别是：0.34sin 60o -、0和0.64sin 60o 。 计算投影之和：0.34cos600.980.64cos600.98 1.5o o y B =++=? 0.34sin 6000.64sin 600.300.866o o x B =-++=? 计算磁感应强度大小 ： 2222 20.866(0.300.866)(0.98 1.5) 1.5[( )0.98]5 B =?+?=+ 1.50.9951B ==?， 所以： 1.50.9951 1.493 1.5B =?=≈，误差为：1.493 1.50.0051.5 -= 计算磁感应强度与Y 轴正向的夹角 ：0.98 1.5 cos cos0.9848100.9951 1.5 o arc arc ?=≈?
论文题目：旋转磁场与电路
旋转磁场与电路 摘要：本文在全面分析所选竞赛题的基础上，对永磁体发电机在突然开路，突然加负荷，稳态运行以及部分甩负荷等各种运行状态进行了研究和讨论，并系统地分析了各参数的变化对运行状态的影响。根据已知条件可列出电势平衡方程，转矩平衡方程式和功率平衡方程式，得出了l, r, a, b, B, L, R, n等参数对电路和运行状态的影响。本文使用MATLAB 软件系统进行了求解和形象演示。 关键词:电工数学建模；永磁体发电机；运行状态分析；MATLAB软件
1.问题的重述 在自然界的各种能源中,电能具有大规模集中生产,远距离经济传输,智能化自动控制的突出特点,它成为人类生产和生活中的主要能源,而且对近代人类文明的不但已产生和发展产生了重要的作用.与此相呼应,作为电力传输,生产,使用和电能特性变换的核心装备,电机在现代社会所有行业和部门中占有着越来越重要的地位.对于电机的投入电网以及甩掉负荷时电机中各分量的变化的研究就越显重要。 我国的稀土矿的储藏量是世界各国总和的4倍以上，同时我国稀土永磁材料已达到国际先进水平，随着永磁材料热稳定性和耐腐蚀性的改善及价格的逐步降低，使得永磁发电机在国防、工农业生产和曰常生活方面得到了广泛的应用，与电励磁发电机相比，稀土永磁发电机具有体积小、结构简单、运行可靠、损耗小、效率高等诸多特点，因此它的问世不仅可以替代部分传统的励磁电机，而且还可以实现电励磁发电机难以达到的高技术性能。所以对永磁电机进行研究和探讨具有理论价值和实际应用价值。 本论文对于一个简化的单相永磁电机进行了建模和仿真。 “旋转磁场与电路”是2005年电工数模竞赛的A题。该题目中，认为转子在其表面附近形成一个均匀磁场，磁感强度为B，方向垂直于通过两槽底中线的平面；在计算转动惯量时，转子的槽可忽略，按圆柱计。 图1－1 为方便讨论，将问题（1）到问题（6）复述如下 （1）转子转速恒定，外电路突然开路时，求出线圈感生电动势的时间表达式； （2）初始转速为n，在t=0时突然接通外电路（A 1、B 1 分别与A 2 、B 2 相接），且 不再给转子输入能量，转子靠惯性运动。求出任何时刻转子的角速度，电路的电流；转子的角速度何时小于10 –3 ？ （3）接通外电路，转子以转速n匀速转动时，需给转子输入多少功率？任何 时刻，A 1B 1 间的电压是多少？电路的电流是多少？磁力矩是多少？ （4）在（3）的状况下，开断外电路一个电阻，系统的变化情况如何？给出转 子的运动状态，给出A 1，B 1 间的电压、电路的电流；系统能不能一直运行？ 系统状态如何演变？电阻上消耗的功率是多少？ （5）在（2）、（3）的状态下，参数l，r, a, b, B, L, R, n分别对电路的影
永磁同步电机原理、特点、应用详解 电机对于工农业来说至关重要，本文将会对电机的定义、分类、电机驱动的分类进行简介，并详细介绍永磁同步电机的原理、特点以及应用。 电机的定义 所谓电机，顾名思义，就是将电能与机械能相互转换的一种电力元器件。当电能被转换成机械能时，电机表现出电动机的工作特性；当电能被转换成机械能时，电机表现出发电机的工作特性。电机主要由转子，定子绕组，转速传感器以及外壳，冷却等零部件组成。 电机的分类 按结构和工作原理划分：直流电动机、异步电动机、同步电动机。 按工作电源种类划分：可分为直流电机和交流电机。 交流电机还可分：单相电机和三相电机。 直流电动机按结构及工作原理可划分：无刷直流电动机和有刷直流电动机。 有刷直流电动机可划分：永磁直流电动机和电磁直流电动机。 电磁直流电动机划分：串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。 永磁直流电动机划分：稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钻永磁直流电动机。 按结构和工作原理划分：可分为直流电动机、异步电动机、同步电动机。 同步电机可划分：永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机。 异步电机可划分：感应电动机和交流换向器电动机。 感应电动机可划分：三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机等。 交流换向器电动机可划分：单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。 按起动与运行方式划分：电容起动式单相异步电动机、电容运转式单相异步电动机、电容起动运转式单相异步电动机和分相式单相异步电动机。 按用途划分：驱动用电动机和控制用电动机
永磁同步电机 所谓永磁，指的是在制造电机转子时加入永磁体，使电机的性能得到进一步的提升。而所谓同步，则指的是转子的转速与定子绕组的电流频率始终保持一致。因此，通过控制电机的定子绕组输入电流频率，电动汽车的车速将最终被控制。而如何调节电流频率，则是电控部分所要解决的问题。 永磁同步电动机的特点 永磁电动机具有较高的功率/质量比，体积更小，质量更轻，比其他类型电动机的输出转矩更大，电动机的极限转速和制动性能也比较优异，因此永磁同步电动机已成为现今电动汽车应用最多的电动机。但永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时，其导磁性能可能会下降，或发生退磁现象，有可能降低永磁电动机的性能。另外，稀土式永磁同步电动机要用到稀土材料，制造成本不太稳定 永磁同步电机与异步电机 除了永磁同步电机，异步电机也因特斯拉的使用而被广泛关注。与同步电机相比起来，电机转子的转速总是小于旋转磁场（由定子绕组电流产生）的转速。因此，转子看起来与定子绕组的电流频率总是“不一致”，这也是其为什么叫异步电机的原因。 相比于永磁同步电机，异步电机的优点是成本低，工艺简单；当然其缺点就是其功率密度与转矩密度要低于永磁同步电机。而特斯拉Models为何选用异步电机而不是永磁同步电机，除了控制成本这个主要原因之外，较大的Models车体能够有足够空间放的下相对大一点的异步电机，也是一个很重要的因素。 永磁同步电动机怎样产生动力？ 在交流异步电动机中，转子磁场的形成要分两步走：第一步是定子旋转磁场先在转子绕组中感应出电流；第二步是感应电流再产生转子磁场。在楞次定律的作用下，转子跟随定子旋转磁场转动，但又“永远追不上”，因此才称其为异步电动机。如果转子绕组中的电流不是由定子旋转磁场感应的，而是自己产生的，则转子磁场与定子旋转磁场无关，而且其磁极方向是固定的，那么根据同性相斥、异性相吸的原理，定子的旋转磁场就会拉动转子旋转，并且使转子磁场及转子与定子旋转磁场“同步”旋转。这就是同步电动机的工作原理。 根据转子自生磁场产生方式的不同，又可以将同步电动机分为两种： 一是将转子绕组通上外接直流电（励磁电流），然后由励磁电流产生转子磁场，进而使转子与 定子磁场同步旋转。这种由励磁电流产生转子磁场的同步电动机称为励磁同步电动机。 二是干脆在转子上嵌上永久磁体，直接产生磁场，省去了励磁电流或感应电流的环节。这种由永久磁体产生转子磁场的同步电动机，就称为永磁同步电动机。
三相异步电动机旋转磁场的形成 三相异步电动机的定子铁芯中放置三相结构完全相同的绕组U、V、W，各相绕组在空间上互差120°电角度，如下图所示，向这三相绕组通入对称的三相交流电，如图（b）（c）所示。下面我们以两极电动机为例说明电流在不同时刻时，磁场在空间的位置。 下图（b）所示，假设电流的瞬时值为正时是从各绕组的首端流入，（用〇中间加个×表示），末端流出（用“⊙”表示），当电流为负值时，于此相反。 在ωt=0的瞬间，iu=0，iv为负值，iw为正值，如图（c）所示，则V相电流从V2流进，V1流出，而W相电流从W1流进，W2流出。利用安培右手定则可以确定ωt=0瞬间由三相电流所产生的合成磁场方向，如图（d）①所示。可见这时的合成磁场是一对磁极，磁场方向与纵轴线方向为一致，上方式北极，下方是南极。 在ωt=π/2时，经过了四分之一周期，iu由零变为最大值，电流由首端U1流入，末端U2流出；iv仍为负值，U相电流方向与（1）时一样；iw也变为负值，W相电流由W1流出，W2流入，其合成磁场方向如图（d）②所示，可见磁场方向已经较ωt=0时按顺时针方向转过90°。 应用同样的分析方法可画出ωt=π,ωt=2/3*π,ωt=2π时的合成
磁场，分别如图（d）③ ④ ⑤ 所示，由图中可明显地看出磁场的方向逐步按顺时针方向旋转，共计转过360°，即旋转了一周 （a）简化的三相绕组分布图 （b）按星形连接的三相绕组接通三相电源 （c）三相对称电流波形图 （d）两极绕组的旋转磁场 由此可以得出如下结论：在三相交流电动机定子上布置有结构完全相
在空间位置各相差120度电角度的三相绕组，分别接入三相对称交流电，则在定子与转子间所产生的合成磁场是沿定子内圆旋转的，我们称此为旋转磁场。
在磁场中导体运动的方向和穿过导体的磁力线相互垂直或成一个角度（只要不平行），导体在力的作用下切割磁力线，在导体中会有感应电动势产生，在导体外接的闭合回路中会有电流产生，工作人员在较大的电磁场和物理磁场中搬运金属物件时，应保持物件长度方向与人行走方向一致，避免横向切割磁力线。比较形象的讲一下：磁力线是人们想象出来的并不真实存在的线,看不见摸不着,但磁力却真实存在(如:微波),你只能靠想象他存在而在脑海或纸上绘出他的样子才能直观又形象的描述并研究它.那么切割磁感线说形象点就是用根棍子去切一根看不见绳子,你可以垂直于绳子横着切,也可以不垂直于绳子斜着切,只要你能切到的切法都算切割磁力线,当然这里的棍子指的是可导电的导体作成的一切物体。当垂直相切时，所受的安培力最大。这里说的磁力线又叫磁感线，它存在于在磁场中，在用磁感线描述磁场是，磁感线在磁体外部是从N（北）极出发，回到S（南）极，在磁体内部，是从S极发出，回到N极。 闭合电路的一部分导体做切割磁感线运动时，导体中会产 生感应电流，事实上，我们还可以用其他方法产生感应电流.具体演示方法示： 按照如图所示，将一个线圈两端与一个电流计连接，此时电流计中无电流，指针不偏转.如果我们把一根条形磁铁插入线圈中，则在条形磁铁插入的过程中，电流计的指针会发生偏转；若将条形磁铁插在线圈中不动，电流计指针又回到零刻度处，不偏转；当把条形磁铁从线圈中拔出时，电流计的指针又发生了偏转.由此可以看出，当条形磁铁插入线圈或从线圈中拔出时，线圈中产生了电流.这也是一种电磁感应现象. 在磁铁未插入线圈前，线圈中无磁场，条形磁铁插入线圈过程中，线圈内的磁场从无到有，条形磁铁从线圈中拔出时，线圈中的磁场从有到无.在这两种情况下，线圈中都由电流产生.而条形磁铁置于线圈中不动时，线圈中没有电流产生.由此可以看出：当穿过一个闭合电路内的磁场的强弱发生改变时，电路中也有感应电流产生. 三相绕组接通三相电源产生的磁场在空间旋转，称为旋转磁场，转速的大小由电动机极数和电源频率而定。转子在磁场中相对定子有相对运动，切割磁杨，形成感应电动势。转子铜条是短路的，有感应电流产生。转子铜条有电流，在磁场中受到力的作用。转子就会旋转起来。第一：要有旋转磁场，第二：转子转动方向与旋转磁场方向相同，第三：转子转速必须小于同步转速，否则导体不会切割磁场，无感应电流产生，无转矩，电机就要停下来，停下后，速度减慢，由于有转速差，转子又开始转动，所以只要旋转磁场存在，转子总是落后同步转速在转动
单相交流电动机的旋转原理 单相交流电动机是目前较常用的交流电动机，多用在民用电器。 单相交流电动机只有一个绕组，转子是鼠笼式的。当单相正弦电流通过定子绕组时，电动机就会产生一个交变磁场，这个磁场的强弱和方向随时间作正弦规律变化，但在空间方位上是固定的，所以又称这个磁场是交变脉动磁场。这个交变脉动磁场可分解为两个以相同转速、旋转方向互为相反的旋转磁场，当转子静止时，这两个旋转磁场在转子中产生两个大小相等、方向相反的转矩，使得合成转矩为零，所以电动机无法旋转。当我们用外力使电动机向某一方向旋转时（如顺时针方向旋转），这时转子与顺时针旋转方向的旋转磁场间的切割磁力线运动变小；转子与逆时针旋转方向的旋转磁场间的切割磁力线运动变大。这样平衡就打破了，转子所产生的总的电磁转矩将不再是零，转子将顺着推动方向旋转起来。 要使单相电动机能自动旋转起来，我们可在定子中加上一个起动绕组，起动绕组与主绕组在空间上相差90度，起动绕组要串接一个合适的电容，使得与主绕组的电流在相位上近似相差90度，即所谓的分相原理。这样两个在时间上相差90度的电流通入两个在空间上相差90度的绕组，将会在空间上产生（两相）旋转磁场，如图2所示。在这个旋转磁场作用下，转子就能自动起动，起动后，待转速升到一定时，借助于一个安装在转子上的离心开关或其他自动控制装置将起动绕组断开，正常工作时只有主绕组工作。因此，起动绕组可以做成短
时工作方式。但有很多时候，起动绕组并不断开，我们称这种电动机为电容式单相电动机，要改变这种电动机的转向，可由改变电容器串接的位置来实现。 在单相电动机中，产生旋转磁场的另一种方法称为罩极法，又称单相罩极式电动机。此种电动机定子做成凸极式的，有两极和四极两种。每个磁极在1/3--1/4全极面处开有小槽，如图3所示，把磁极分成两个部分，在小的部分上套装上一个短路铜环，好象把这部分磁极罩起来一样，所以叫罩极式电动机。单相绕组套装在整个磁极上，每个极的线圈是串联的，连接时必须使其产生的极性依次按N、S、N、S排列。当定子绕组通电后，在磁极中产生主磁通，根据楞次定律，其中穿过短路铜环的主磁通在铜环内产生一个在相位上滞后90度的感应电流，此电流产生的磁通在相位上也滞后于主磁通，它的作用与电容式电动机的起动绕组相称，从而产生旋转磁场使电动机转动起来。 单相电机的正反转接线原理 单相电机有两个绕组：主绕组又称工作绕组或运行绕组，副绕组又称启动绕组，有的小负载单相电机这两个绕组完全一样，互相可以交换，但多数单相电机（带较大负载的农用电机）为了增大启动力矩，副绕组线圈细、匝数多、阻值大；副绕组与主绕组之间有一启动电容;只要交换两个绕组中的一个绕组的首尾接线就可反转交换电源L/N是无效的。 图1 图2 当两绕组完全一样电机可能是三端子接线，13为两绕组的公共接线端，接交流电源的L， 2/4端子之间联有启动电容，假如交流电源的N端接端子2为正转，则N改接端子4为反转；假如是四端子见图四接线;
三相交流电产生的旋转磁场 应用最广泛的电动机就是三相交流电动机，三相交流电动机是用三相交流电产生的旋转磁场来带动电机转子旋转的。 三相交流电由A、B、C三相组成，按每个交流周期360度算，每相间距120度，下面是三相交流电波形图，黄色为A相波形，绿色为B相波形，红色为C相波形，我国使用的三相交流电频率是50赫兹。 三相交流电波形图 三相交流电通过三相绕组来产生旋转磁场，三相绕组由三个嵌在电动机定子铁芯上的线圈组成，下面是一个三相交流电动机模型的定子，在定子内圆有6个嵌线槽，分别嵌有A、B、C三相线圈，三个线圈按120度分布，黄色线框AX是A相线圈，绿色线框BY是B相线圈，红色线框CZ是C相线圈。线框的A、B、C端为线圈入端，X、Y、Z端为线圈出端。
三相绕组示意图 在三个线圈通上三相交流电后，在定子铁芯中间会形成一个旋转磁场，下图展示三相交流电与旋转磁场的动画截图。在A相线圈端口输入的是A相电流IA，在端口有箭头标明电流的方向；在B 相线圈端口输入的是B相电流IB，在端口有箭头标明电流的方向；在C相线圈端口输入的是C相电流IC，在端口有箭头标明电流的方向。在定子铁芯中间有A相电流形成的黄色磁场箭头，其长度代表磁场强度，指向为磁场的方向；同样绿色与红色箭头分别代表B相与C相的磁场强度与方向；紫蓝色的箭头是A、B、C三相的合成磁场，其长度代表磁场强度，指向为磁场的方向。在动画中可看到三相电流的变化、三相磁场的变化及合成的旋转磁场。 这里展示五幅截图，以A相起点为0度，第1幅是是0度的截图：
三相交流电与旋转磁场动画截图（0度）第2幅是是105度的截图： 三相交流电与旋转磁场动画截图（105度）第3幅是是180度的截图：
交流电机旋转原理 目前较常用的交流电动机有两种：1、三相异步电动机。2、单相交流电动机。第一种多用在工业上，而第二种多用在民用电器上。一、三相异步电动机的旋转原理 三相异步电动机要旋转起来的先决条件是具有一个旋转磁场，三相异步电动机的定子绕组就是用来产生旋转磁场的。我们知道，但相电源相与相之间的电压在相位上是相差120度的，三相异步电动机定子中的三个绕组在空间方位上也互差120度，这样，当在定子绕组中通入三相电源时，定子绕组就会产生一个旋转磁场，其产生的过程 如图1所示。图中分 四个时刻来描述旋转 磁场的产生过程。电 流每变化一个周期， 旋转磁场在空间旋转 一周，即旋转磁场的 旋转速度与电流的变 化是同步的。旋转磁 场的转速为：n=60f/P 式中f为电源频率、P是磁场的磁极对数、n的单位是：每分钟转数。根据此式我 们知道，电动机的转速与 磁极数和使用电源的频率 有关，为此，控制交流电 动机的转速有两种方法： 1、改变磁极法； 2、变频 法。以往多用第一种方法， 现在则利用变频技术实现 对交流电动机的无级变速控制。 观察图1还可发现，旋转磁场的旋转方向与绕组中电流的相序有关。相序A、B、C顺时针排列，磁场顺时针方向旋转，若把三根电源线中的任意两根对调，
例如将B相电流通入C相绕组中，C相电流通入B相绕组中，则相序变为：C、B、A，则磁场必然逆时针方向旋转。利用这一特性我们可很方便地改变三相电动机的旋转方向。定子绕组产生旋转磁场后，转子导条（鼠笼条）将切割旋转磁场的磁力线而产生感应电流，转子导条中的电流又与旋转磁场相互作用产生电磁力，电磁力产生的电磁转矩驱动转子沿旋转磁场方向以n1的转速旋转起来。一般情况下，电动机的实际转速n1低于旋转磁场的转速n。因为假设n=n1，则转子导条与旋转磁场就没有相对运动，就不会切割磁力线，也就不会产生电磁转矩，所以转子的转速n1必然小于n。为此我们称三相电动机为异步电动机。 二、单相交流电动机的旋转原理 单相交流电动机只有一个绕组，转子是鼠笼式的。当单相正弦电流通过定子绕组时，电动机就会产生一个交变磁场，这个磁场的强弱和方向随时间作正弦规律变化，但在空间方位上是固定的，所以又称这个磁场是交变脉动磁场。这个交变脉动磁场可分解为两个以相同转速、旋转方向互为相反的旋转磁场，当转子静止时，这两个旋转磁场在转子中产生两个大小相等、方向相反的转矩，使得合成转矩为零，所以电动机无法旋转。当我们用外力使电动机向某一方向旋转时（如顺时针方向旋转），这时转子与顺时针旋转方向的旋转磁场间的切割磁力线运动变小；转子与逆时针旋转方向的旋转磁场间的切割磁力线运动变大。这样平衡就打破了，转子所产生的总的电磁转矩将不再是零，转子将顺着推动方向旋转起来。 要使单相电动机能自动旋转起来，我们可在定子中加上一个起动绕组，起动绕组与主绕组在空间上相差90度，起动绕组要串接一个合适的电容，使得与主绕组的电流在相位上近似相差90度，即所谓的分相原理。这样两个在时间上相差90度的电流通入两个在空间上相差90度的绕组，将会在空间上产生（两相）旋转磁场，如图2所示。在这个旋转磁场作用下，转子就能自动起动，起动后，待转速升到一定时，借助于一个安装在转子上的离心开关或其他自动控制装置将起动绕组断开，正常工作时只有主绕组工作。因此，起动绕组可以做成短时工作方式。但有很多时候，起动绕组并不断开，我们称这种电动机为电容式单相电动机，要改变这种电动机的转向，可由改变电容器串接的位置来实现。 在单相电动机中，产生旋转磁场的另一种方法称为罩极法，又称单相罩极式电动机。此种电动机定子做成凸极式的，有两极和四极两种。每个磁极在
《三相异步电动机旋转磁场产生的原理》教案 教学目标 知识与能力目标： 1、了解三相异步电动机的结构。 2、学会分析三相异步电动机旋转磁场产生的原理。 教学重点难点 重点： 1、熟悉三相异步电动机的结构。 2、学会分析旋转磁场产生的原理。 难点： 1、电机转动原理。 2、学会分析电动机旋转磁场产生的原理。 教学过程： 教学用具：多媒体课件、电工常用工具，铝线等 复习与新课导入 通过演示实验，手持一块磁铁，在磁极旁放置一列灵活转动的线圈，当磁铁（磁场）绕线圈转动时线圈也随之转动，若将其固定在转轴上做成转子，则转子也随外磁场的旋转而转动，这就是最简单的电动机的原型，引入新课。 一、单向三相异步电动机的基本结构 (1)轴承盖(2)前后端盖(3)接线盒(4)定子(5)转子(6)前后轴承（7）风扇（8）罩壳 二、电机旋转磁场的产生及工作原理 1、当三相电机通入三相交流电是对称的他们在空间成120°电角度时，会在对称三相绕组上产生三相对称交变磁场。当交流电变化了一个周期，在两个磁极的电机上磁场也随之变化了一周即磁场也随着电流同步旋转。如下图所示 注意：必要条件1对称三相绕组2对称三相电源 2、在三相定子绕组中通入三相对称电流后，则在定子、转子铁心及其之间的空气隙中产生一个同步转速为n的旋转磁场，某瞬间定子电流产生的磁场，在空间按顺时针方向旋转。因转子尚未转动，所以静止的转子与旋转磁场产生相对运动，在转子导体中产生感应电动势，并在形成闭合回路的转子导体中产生感应电流，其方向用右手定则判定。笼型转子上方导体电流流出纸面，下方导体电流流进纸面。根据电磁力定律，转子电流在旋转磁场中受到磁场力F的作用，F的方向用左手定则判定。电磁力在转轴上形成电磁转矩。由图可见，电磁转矩的方向与旋转磁场的方向一致，使转子按旋转磁场的方向转动。 三、小结 今天我们学习了三相异步电动机的工作原理、主要学习了三相异步电动机旋转磁
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