交流电机的共同理论

第五章 交流电机的共同理论 5.1 交流电机的基本工作原理 5.1.1 同步发电机的基本工作原理 凸极式：

同步发电机的转子有两种结构形式 隐极式：

以凸极式三相同步发电机为例 凸极式的结构原理如右图所示：

转子励磁通电后产生N、S磁极磁场，该磁场在定子内圆圆周上的分布波形呈现近似的正弦波，如右图：

设转子在原动机的带动下顺时针以n1的速度匀速旋转，则对定子内圆某一固定位置来说，该位置的磁场随时间变化的规律也一定呈现正弦波，如右图：

在定子内圆圆周上呈对称分布的三相定子绕组处在这样变化的磁场中，必然感应出随时间呈正弦规率变化的感应电势，A、B、C三相定子绕组中的感应电势应为： tEemAsin

)120sin(0tEemB

)240sin(0tEemC 这是三相对称的正弦波感应电势。如果三相定子绕组联接成Y形或Δ形，就可以从引出的三个接线端子上输出对称的三相正弦电压。显然，这就是一台三相交流发电机。

输出电压的频率： n1称三相同步发电机的同步转速（即转子转速或旋转磁场转速）。 若要求f1=50Hz，则：

可见要输出50Hz的交流电压，同步发电机的转速必须稳定。 此外，p=1时，转子转一周（机械角度变化3600），气隙圆周某位置的磁场随时间变化3600

相位，每相定绕感应电势变化3600相位，认为气隙圆周的空间电角度为3600 。 p=2时，转子转一周（机械角度变化3600），气隙圆周某位置的磁场随时间变化7200相位，每相定绕感应电势变化7200相位，认为气隙圆周的空间电角度为7200 。 所以，气隙圆周空间电角度=p×机械角度

5.1.2 异步电动机的基本工作原理 以三相异步电动机为例，结构原理如右图所示： 在三相定绕中通入对称的三相正弦电流：

在气隙产生一对等效磁极（ p=2 ）磁场（近似正弦波分布）

电流经1200位相变化气 隙等效磁极磁场顺时针 旋转1200机械角度

再经1200位相变化气隙等效磁 极磁场又顺时针旋转120机械角度

60111nfp时，602211nfp时，60

11

pnf1

2f

min/300011rnp时，min/150021rnp时，min/100031rnp时，

tIimA1sin)120sin(01tIimB

)240sin(01tIimC

0180tt时刻设

000CBAiii、、则

00020001CBAiiit、、时，当00032001CBAiiit、、时，当 可见，定子电流以恒定频率f1(ω1 =2πf1)交变，气隙圆周上将产生一个周期正弦波分布的匀速旋转磁场。 该旋转磁场的转向：顺时针（即A相→B相→C相→A相） 转速：

三相异步电动机的转子绕组是闭合绕组，该绕组的各个线圈边处在这一旋转的变化磁场中，必将产生感应电势，那么闭合的转子绕组中就会出现电流，转子绕组各线圈边中电流处在这一旋转磁场中又会产生电磁力，所有线圈边产生的电磁力便会在转子上形成电磁转矩，如果该电磁转矩大于转轴上的阻转矩，转子将会转动起来。可以判断：转子转动的方向总与旋转磁场的方向相同。随着转速的提高，转子绕组切割旋转磁场的速度在减小，那么转子绕组内感应电势也减小，电磁转矩也减小，一旦转轴上电磁转矩与阻转矩达到平衡，电动机的转速将会稳定下来。 如果电动机的转速n达到n1，即转子与气隙旋转磁场同步旋转，那么转子与旋转磁场将失去相对运动，转子绕组各线圈边不再切割磁场，转子感应电势为零，转子电流为零，电磁转矩为零，以n1转速稳速的转动将不足以维持。所以，通常转子n≠n1 ，称异步电动机。 如果要在气隙圆周上产生两个周期正弦波分布的旋转磁场，则定 子绕组的设计可采用如图方法：

定子电流在气隙圆周产生了两对等效磁极磁场（p=2），这两对等效磁极磁场在气隙圆周上的分布波形是两个周期的近似正弦波。随着定子电流以频率f1交变，这两个周期的正弦波会以n1的速度顺时针匀速旋转。 转向：顺时针（即A相→B相→C相→A相） 转速：按以上分析方法分析会发现，定子电流交变一个周期，旋转磁场只转了半圈，电流每分钟实际交变了60 f1个周期，

min)/300050(601111rnHzffn时当 那么旋转磁场每分钟将旋转n1= 60 f1 / 2圈。 由此可的结论：1、气隙旋转磁场的转向总是从超前电流的相转向落后电流的相。 2、气隙旋转磁场的转速为： n1= 60 f1 /p

5.2 交流电机的定子绕组 一、定子绕组的几个概念 1、极距（τ）：一磁极在定子内圆占有的圆周宽度，用槽数衡量。

2、节距（y）：一线圈两边之间的跨距，用槽数衡量。 3、每极每相槽数（q）：每一相在每一极下占有的槽数。

4、槽距角（α）：相邻两槽间夹角，用电角度衡量。

5、短距角（β）：节距与极距之差，用电角度衡量。 6、600相带：在每一极面下每相占有槽的空间电角度。 二、定子绕组的绕法 单层叠绕 单层绕 单层交叉绕 单层链绕 常用绕法 单层同心绕 双层叠绕 双层绕 双层波绕

1、单层绕组 以Z=24，2p=4，m=3的单层绕组为例，如图： 1）计算绕组基本数据 2）画绕组展开图

为定子槽数，ZpZ2为相数，mpmZq2Zp0360

y



y 单层整距叠绕： 单层整距交叉绕： 单层短距链绕： 单层同心绕：

AXBY

CZ 可以看到：（1）这几种绕法A相占有的槽没变，具有的线圈数没变。 （2）如果在A相通入电流，则各线圈边中电流方向没变。即尽管绕法不同，通入电流时可以产生同样的磁场。

2、双层绕组 以Z=24，2p=4，m=3的双层绕组为例，如图：双层短距叠绕（y=5τ/6）: 1）计算绕组基本数据 2）画绕组展开图 B相和C相可以依次画出。

双层短距波绕：以Z=36，2p=4，m=3， y=8τ/ 9的双层短距波绕为例，如图：

5.3 交流绕组的磁势 三相定子绕组流过 气隙圆周上产 气隙圆周上形 三相对称正弦电流 生交变磁势 成变化磁场

气隙是交流电机磁路中磁阻最大的地方（定、转子铁心磁阻很小），交流电机磁路中的磁势主要降落在气隙上。气隙上的磁场强弱则正比于气隙降落的磁势而反比于气隙磁阻。 大部分交流电机的气隙是均匀的，气隙均匀意味着气隙圆周上各处磁阻相同。因此，搞清楚

AX 交变的三相定子电流在气隙圆周上产生的磁势情况，也就意味着搞清了气隙圆周上形成的磁场情况。本节重点讨论磁势，其目的还是为了了解磁场。 为搞清楚三相定绕电流在气隙圆周上产生的磁势情况，本节采用由简单到复杂的办法进行分析和讨论。

5.3.1 单相定绕电流的磁势 1、整距集中线圈的磁势 设AX为一整距集中线圈，线圈中流过正弦波电流ic=Icmsinωt，电流产生的磁场如下图：

该整距线圈在气隙圆周上的磁势分布为一矩形波。如图：幅值随时间成正弦规律变化，波的位置不变，属驻波（脉动波）

矩形波按傅立叶分析，可分解为一系列奇次正弦波的叠加。 可以得到等于零

可见：基波磁势最大，幅值为： 

txtxtxWItxfcccsin5sin51sin3sin31sinsin9.0),(

1cF基波 3次谐波 5次谐波



xxxAWitxfccc5sin543sin34sin421),(0

cccWIF9.01cccWIF9.01 各谐波磁势随谐波次数增加而减小，幅值为： 结论：整距集中线圈在气隙圆周上产生的磁势为一系列奇次正弦波磁势的叠加，各正弦波磁势的幅值随时间成正弦规律变化。基波磁势最大，谐波磁势随谐波次数增大而减小。谐波磁势可以忽略，尤其是高次谐波磁势。

2、整距分布线圈组的磁势 设整距分布线圈组由分布开的三个整距线圈串联而成。如下图：

每个整距线圈在气隙圆周上的基波磁势都为正弦波，这三个基波磁势波形因三个线圈的错位而依次偏移α电角度。显然，该线圈组的基波磁势应是这三个正弦波的叠加，如上图： 叠加后的波形依然是正弦波，但幅值明显增大。幅值多大？ 如果每个正弦波用对应的相量表示，则这三个正弦波的叠加就对应于三个相量的叠加。如下图：

可推知：



1cF1qF

1231qF

R

2

1

sin

2

11cF

R



21sin21sin21sin21sin21sin2111q

qqFqFqRFccq

1bk基波磁势分布系数

21

sin21sinq

qkb