chap4 第4章 三相异步电动机原理1

1、第第4 4章章 三相异步电动机三相异步电动机 原理原理-1-1实现交流电能与机械能转换的装置被称为实现交流电能与机械能转换的装置被称为交流电机交流电机。交流电机有两大类：交流电机有两大类：异步电机异步电机和和同步电机同步电机。同步电机的转速与交流电源频率之间存在严格的对应同步电机的转速与交流电源频率之间存在严格的对应关系，异步电机则不然。关系，异步电机则不然。异步电动机定子接上交流电源后，形成旋转磁场，依异步电动机定子接上交流电源后，形成旋转磁场，依靠电磁感应作用，使转子绕组感生电流，产生电磁转靠电磁感应作用，使转子绕组感生电流，产生电磁转矩，实现机电能量转换。矩，实现机电能量转换。第第0 0

2、节节 序言序言 异步电动机的主要用途和分类异步电动机的主要用途和分类 一、异步电机主要用作电动机，去拖动各种生产一、异步电机主要用作电动机，去拖动各种生产机械。机械。 异步电动机的优点异步电动机的优点:结构结构简单、容易制造、价格低简单、容易制造、价格低廉、运行可靠、坚固耐用、运行效率较高。廉、运行可靠、坚固耐用、运行效率较高。 异步电动机的缺点异步电动机的缺点:功率因数较差。异步电动机运功率因数较差。异步电动机运行时，必须从电网里吸收落后性的无功功率，使行时，必须从电网里吸收落后性的无功功率，使电网功率因数降低，它的功率因数总是小于。电网功率因数降低，它的功率因数总是小于。 二、异步电动机的

3、种类很多，从不同角度看，有不二、异步电动机的种类很多，从不同角度看，有不同的分类法：同的分类法：（1）按定子相数分有）按定子相数分有 单相异步电动机；单相异步电动机； 两两相异步电动机；相异步电动机； 三相异步电动机。三相异步电动机。（2）按转子结构分有）按转子结构分有 绕线式异步电动机；绕线式异步电动机； 鼠笼式异步电动机。后者又包括单鼠笼异步电动鼠笼式异步电动机。后者又包括单鼠笼异步电动机、双鼠笼异步电动机和深槽式异步电动机。机、双鼠笼异步电动机和深槽式异步电动机。（3）按有无换向器分有）按有无换向器分有 无换向器异步电动机；无换向器异步电动机；换向器异步电动机。换向器异步电动机。 此外，

4、根据电机定子绕组上所加电压的大小，又此外，根据电机定子绕组上所加电压的大小，又有高压异步电动机、低压异步电动机之分。从其有高压异步电动机、低压异步电动机之分。从其它角度看，还有高起动转矩异步电机、高转差率它角度看，还有高起动转矩异步电机、高转差率异步电机、高转速异步电机等等。异步电机、高转速异步电机等等。一、一、三相异步电动机的三相异步电动机的工作原理与运行状态工作原理与运行状态第一节第一节 三相异步电动机的三相异步电动机的工作原理及结构工作原理及结构1 1、旋转磁场的产生、旋转磁场的产生在直流电机中，采用的是电枢旋转，磁极固定的工作模式。在直流电机中，采用的是电枢旋转，磁极固定的工作模式。若

5、交换磁极与电枢的位置，采用磁极旋转，电枢固定的模式。若交换磁极与电枢的位置，采用磁极旋转，电枢固定的模式。则可以在电枢绕组中感应出则可以在电枢绕组中感应出交流电动势交流电动势。因此，在交流电机中首先要解决旋转磁场问题。因此，在交流电机中首先要解决旋转磁场问题。旋转磁场旋转磁场 一种极性和大小不变，并且以一定转速旋转的磁一种极性和大小不变，并且以一定转速旋转的磁场。场。当三相对称绕组接上三相对称电源，就产生当三相对称绕组接上三相对称电源，就产生旋转磁场旋转磁场。tIimAcos)120cos(tIimB)240cos(tIimC三相对称绕组：三相对称绕组：A-X、B-Y、C-Z三个线圈在空间上彼

6、此互隔三个线圈在空间上彼此互隔120120分布在定子铁分布在定子铁心内圆的圆周上，构成了对称三相绕组。心内圆的圆周上，构成了对称三相绕组。B相从相从A相后移相后移120、C相从相从B相后移相后移120、A相从相从C相后移相后移120tIicosmA)120cos(mBtIi)240cos(mCtIi一对磁极，电流变化1周期，旋转磁场逆时针转过1转四极四极旋转旋转磁场磁场示意示意图图2对磁极，电流变化1周期，旋转磁场转过1/2转ns为为同步转速（同步转速（r/min）；p为为极对数极对数；f1为为交流电源的频交流电源的频率（率（HzHz）。旋转磁场的转速旋转磁场的转速考虑考虑一对极一对极和和两对

7、极两对极旋转磁场的关系。总结出旋旋转磁场的关系。总结出旋转磁场的转速和电源频率、极对数的关系为：转磁场的转速和电源频率、极对数的关系为：160sfnpp对磁极，电流变化1周期，旋转磁场转过1/p转2 2、三相异步电动机的三相异步电动机的工作原理工作原理 三相异步电机的转子结构三相异步电机的转子结构三相异步电动机圆柱形的转子铁心上，嵌有均匀分布的导条，三相异步电动机圆柱形的转子铁心上，嵌有均匀分布的导条，导条两端分别用铜环将它们连接成一个整体。导条两端分别用铜环将它们连接成一个整体。 三相异步电机转子感应电动势和电流的产生三相异步电机转子感应电动势和电流的产生三相异步电动机的定子铁心上嵌有三相对

8、称绕组，接通三相对三相异步电动机的定子铁心上嵌有三相对称绕组，接通三相对称电源后，在定子、转子之间的气隙内产生了以同步转速旋称电源后，在定子、转子之间的气隙内产生了以同步转速旋转的旋转磁场。转的旋转磁场。转子导条被这种旋转磁场切割，在导条内感应电动势，从而形转子导条被这种旋转磁场切割，在导条内感应电动势，从而形成感应电流。成感应电流。 三相异步电机转子产生转矩并形成旋转三相异步电机转子产生转矩并形成旋转导条内产生的感生电流，磁场又对导条产生电磁力。于是转子导条内产生的感生电流，磁场又对导条产生电磁力。于是转子就跟着旋转磁场旋转。就跟着旋转磁场旋转。Flash：三相异步电机：三相异步电机工作原理

9、工作原理 3 3、三相异步电动机的转速与运行状态三相异步电动机的转速与运行状态 异步电动机的异步电动机的工作原理决定了它的工作原理决定了它的转速一般转速一般低于同步转速。如果异步电低于同步转速。如果异步电动机的转子转速达到同步转速，则旋动机的转子转速达到同步转速，则旋转磁场与转子导条之间不再有相对运转磁场与转子导条之间不再有相对运动，因而不可能在导条内感应产生电动，因而不可能在导条内感应产生电动势，也不会产生电磁转矩来拖动机动势，也不会产生电磁转矩来拖动机械负载。械负载。右手定则右手定则决定电流决定电流方向方向左手定则左手定则决定导条决定导条受力方向受力方向 转差转差ns-n的存在是异步电动机

10、运行的存在是异步电动机运行的必要条件。我们将转差表示为同步的必要条件。我们将转差表示为同步转速的百分值，称为转差率，用转速的百分值，称为转差率，用s表表示。示。 同步转速同步转速100%ssnnsnsnn 转子异步转速转子异步转速Flash:Flash:三相异步电动机的三相异步电动机的运行状态运行状态例例4-1 有一台有一台50Hz的三相的三相异步电动机运行，异步电动机运行，空载转差率为空载转差率为0.267%0.267%，额定转速为额定转速为 求该电动机的极对数、同步转求该电动机的极对数、同步转速、空载转速以及额定负载时的转差率。速、空载转速以及额定负载时的转差率。min/730rnN（3

11、3）额定转差率）额定转差率解：解：(1)(1)同步转速的计算同步转速的计算pppfn300050606010考虑本题的额定转速考虑本题的额定转速min/7500rn 4p判断极对数判断极对数（2 2）空载转速）空载转速min/748min/%)267. 01 (750)1 (000rrsnn%67. 2%100750730750%1000NNNnnns二、二、三相异步电机的结构三相异步电机的结构三相异步电机属于旋转三相异步电机属于旋转电机范畴，因此它也具电机范畴，因此它也具有定子、转子、气隙结有定子、转子、气隙结构。构。 1 1、异步电动机的定子：、异步电动机的定子： 异步电动机的定子是由机座

12、、定子铁心和异步电动机的定子是由机座、定子铁心和定子绕组三个部分组成的。定子绕组三个部分组成的。1 1）、定子铁心：是电动机磁路的一部分，装）、定子铁心：是电动机磁路的一部分，装在机座里。为了降低定子铁心里的铁损耗，在机座里。为了降低定子铁心里的铁损耗，定子铁心用定子铁心用0.5mm0.5mm厚的硅钢片叠压而成的，厚的硅钢片叠压而成的，在硅钢片的两面还应涂上绝缘漆。在硅钢片的两面还应涂上绝缘漆。下图所示为定子槽：下图所示为定子槽：其中其中( (a a) )是开口槽，用于大、中型容量的高压是开口槽，用于大、中型容量的高压异步电动机中；异步电动机中；( (b b) )是半开口槽，用于大型低是半开口

13、槽，用于大型低压的异步电动机中；压的异步电动机中；( (c c) )是半闭口槽，用于低是半闭口槽，用于低压小型异步电动机中。压小型异步电动机中。 2）、定子绕组：是定子中的电路部分，它由绝）、定子绕组：是定子中的电路部分，它由绝缘的铜（或铝）导线绕成，嵌在定子槽内。缘的铜（或铝）导线绕成，嵌在定子槽内。 2）、定子绕组：是定子中的电路部分，它由绝）、定子绕组：是定子中的电路部分，它由绝缘的铜（或铝）导线绕成，嵌在定子槽内。缘的铜（或铝）导线绕成，嵌在定子槽内。 高压大、中型容量的异步电动机定子绕组常采用高压大、中型容量的异步电动机定子绕组常采用Y接，只有三根引出线，如图接，只有三根引出线，如图

14、(a)所示。对中、小所示。对中、小容量低压异步电动机，通常把定子三相绕组的六容量低压异步电动机，通常把定子三相绕组的六根出线头都引出来，根据需要可接成根出线头都引出来，根据需要可接成Y形或形或形，形，如图如图(b)所示。所示。 3）、机座：）、机座：主要是为了固定与支撑定子铁心。主要是为了固定与支撑定子铁心。如果是如果是端盖轴承电机，还要支撑电机的转子部分。因此，端盖轴承电机，还要支撑电机的转子部分。因此，机座机座应有足够的机械强度和刚度。应有足够的机械强度和刚度。对中、小型异步电动机，对中、小型异步电动机，通常用铸铁机座。对大型电机，一般采用钢板焊接的机通常用铸铁机座。对大型电机，一般采用钢

15、板焊接的机座，整个机座和座式轴承都固定在同一个底板上。座，整个机座和座式轴承都固定在同一个底板上。2 2、异步电动机的转子：、异步电动机的转子： 异步电动机的转子是由转子铁心、转子绕组和转轴异步电动机的转子是由转子铁心、转子绕组和转轴组成的组成的 。 1 1）、转子铁心：是电动机磁路的一部分，它用）、转子铁心：是电动机磁路的一部分，它用0.5mm0.5mm厚的硅钢片叠压而成。铁心固定在转轴或转厚的硅钢片叠压而成。铁心固定在转轴或转子支架上，整个转子的外表呈圆柱形。子支架上，整个转子的外表呈圆柱形。2 2）、转子绕组：分为鼠笼型和绕线型两类。）、转子绕组：分为鼠笼型和绕线型两类。n鼠笼型转子：鼠

16、笼型绕组是一个自己短路的绕组。鼠笼型转子：鼠笼型绕组是一个自己短路的绕组。在转子的每个槽里放上一根导体，在伸出铁心的两在转子的每个槽里放上一根导体，在伸出铁心的两端用端环连接起来，形成一个短路的绕组。如果把端用端环连接起来，形成一个短路的绕组。如果把转子铁心拿掉，则可看出，剩下来的绕组形状像个转子铁心拿掉，则可看出，剩下来的绕组形状像个松鼠笼子，如图所示，因此又叫鼠笼转子。导条的松鼠笼子，如图所示，因此又叫鼠笼转子。导条的材料有用铜的，也有用铝的。材料有用铜的，也有用铝的。 如果用的是铜料，就需要把事先做好的裸铜条插入如果用的是铜料，就需要把事先做好的裸铜条插入转子铁心上的槽里，再用铜端环套在

17、伸出两端的转子铁心上的槽里，再用铜端环套在伸出两端的铜条上，最后焊在一起，如左图所示。如果用的铜条上，最后焊在一起，如左图所示。如果用的是铸铝，就连同端环、风扇一次铸成，如右图所是铸铝，就连同端环、风扇一次铸成，如右图所示示 。笼型转子结构简单、制造方便、是一种经济、。笼型转子结构简单、制造方便、是一种经济、耐用的电机，所以应用极广。耐用的电机，所以应用极广。 笼型绕组笼型绕组铜条笼铜条笼型转子型转子铸铝笼铸铝笼型转子型转子 2）绕线型转子：绕线型转子的槽内嵌放有用绝缘）绕线型转子：绕线型转子的槽内嵌放有用绝缘导线组成的三相绕组，一般都联接成导线组成的三相绕组，一般都联接成Y形。转子形。转子绕

18、组的三条引线分别接到三个滑环上，用一套电绕组的三条引线分别接到三个滑环上，用一套电刷装置引出来与外部电路接通，如图所示。这就刷装置引出来与外部电路接通，如图所示。这就可以把外接电阻串联到转子绕组回路里去，以改可以把外接电阻串联到转子绕组回路里去，以改善电动机的启动性能或调节电动机的转速。善电动机的启动性能或调节电动机的转速。与笼型转子相比较，绕线型转子结构稍复杂，价与笼型转子相比较，绕线型转子结构稍复杂，价格稍贵，因此只在要求起动电流小，起动转距大，格稍贵，因此只在要求起动电流小，起动转距大，或需平滑调速的场合使用。或需平滑调速的场合使用。3 3、气隙、气隙异步电机中的气隙是很小的，中小型异步

19、电机一般为异步电机中的气隙是很小的，中小型异步电机一般为0.20.22mm2mm。气隙大：磁阻大，所需励磁电流较大，励磁电流为无气隙大：磁阻大，所需励磁电流较大，励磁电流为无功电流，气隙增大将使电机的功率因数变差。但可以功电流，气隙增大将使电机的功率因数变差。但可以减小谐波磁场，减小附加损耗，改善启动性能。减小谐波磁场，减小附加损耗，改善启动性能。气隙过小：导致电机装配困难。气隙过小：导致电机装配困难。n三相异步电动机的铭牌上标明电机的型号、额定三相异步电动机的铭牌上标明电机的型号、额定数据等。如图：数据等。如图：第二节第二节 三相异步电动机的铭牌数据三相异步电动机的铭牌数据第二节第二节 三相

20、异步电动机的铭牌数据三相异步电动机的铭牌数据 额定功率额定功率 电动机在额定运行时输出的机械功率电动机在额定运行时输出的机械功率,单位单位 kW 额定电压额定电压 在额定运行状态下，电网加在定子绕组的在额定运行状态下，电网加在定子绕组的线电线电压。压。 额定电流额定电流 电动机在额定电压下使用，输出额定功率时，电动机在额定电压下使用，输出额定功率时，定子绕组中的定子绕组中的线电流线电流。 额定频率额定频率 我国的电网，标准频率为我国的电网，标准频率为 50Hz 额定转速额定转速 电动机在额定电压、额定频率及额定功率下的电动机在额定电压、额定频率及额定功率下的转速，单位转速，单位 r/min此外

21、，铭牌上还标明绕组的相数与接法（此外，铭牌上还标明绕组的相数与接法（星形还是三角形星形还是三角形）、）、绝缘等级及允许温升等。对绕线转子异步电动机，还标明转子绝缘等级及允许温升等。对绕线转子异步电动机，还标明转子的额定电动势及额定电流。的额定电动势及额定电流。第三节第三节 三相异步电动机的定子绕组三相异步电动机的定子绕组一、交流绕组的一些基本知识和基本量一、交流绕组的一些基本知识和基本量1 1、电角度与机械角度、电角度与机械角度电机圆周在几何上分成电机圆周在几何上分成360，这个角度称为，这个角度称为机械角度机械角度。若磁场在空间按正弦波分布，则线圈经过若磁场在空间按正弦波分布，则线圈经过N、

22、S 一对磁极，其感一对磁极，其感应电动势恰好相当于正弦曲线的一个周期。因此，一对磁极所占应电动势恰好相当于正弦曲线的一个周期。因此，一对磁极所占有的空间是有的空间是360电角度。电角度。一个具有一个具有 p 对磁极电机，电机圆周按电角度计算就为对磁极电机，电机圆周按电角度计算就为 p360，而机械角度总是而机械角度总是360 。电角度电角度= p机械角度机械角度2、线圈、线圈组成交流绕组的单元是线圈。线圈是由一匝或多匝组成交流绕组的单元是线圈。线圈是由一匝或多匝串联而成，它有两个引出线，一个称为首端，另一个称为末端。串联而成，它有两个引出线，一个称为首端，另一个称为末端。3 3 极距和节距极距

23、和节距： 极距：指电机一个主磁极在电枢表面所占的长度。极距：指电机一个主磁极在电枢表面所占的长度。其表示方法很多，可用槽数：其表示方法很多，可用槽数： 空间长度空间长度 节距节距 y1：表示元件的宽度，其宽度可用元件两边所：表示元件的宽度，其宽度可用元件两边所跨越的槽数表示跨越的槽数表示,节距应该接近极距节距应该接近极距。 。1Q2ppD2 4、槽距角、槽距角 相邻槽之间的电角度称为槽距角相邻槽之间的电角度称为槽距角若若Q1为定子槽数，为定子槽数，p为极对数，则槽距角为极对数，则槽距角1360Qp5、每极每相槽数、每极每相槽数q 每一极每相绕组所占槽数，用每一极每相绕组所占槽数，用符号符号q表

24、示表示 （m相数）相数）pmQq21一、交流绕组的一些基本知识和基本量一、交流绕组的一些基本知识和基本量二、交流绕组的排列和联接二、交流绕组的排列和联接为了便于说明问题，以下假设给定为了便于说明问题，以下假设给定电机极数电机极数2p=4，槽数槽数Q1=241 1、极距的计算、极距的计算， 若若2p=4，Q1=24642421pQ2、线圈中的电流方向、线圈中的电流方向两极磁动势图四极磁动势图相邻极距下属于同一相绕组的线圈边中电流必须相反，所建立的磁场才能满足磁极交错排列的要求。 3 3、确定相带、确定相带每个极距内属于同相的槽所占有的区域称为每个极距内属于同相的槽所占有的区域称为“相相 带带”，

25、q=Q1/(2mp)=24/(232）2； =P*360/Q1= 30每个相带为每个相带为60电角度（电角度（注意：这里是将注意：这里是将A、B、C、X、Y、Z都都作为单独的相带作为单独的相带）。4、画定子槽展开图、画定子槽展开图确定相带和应有确定相带和应有的电流相对方向的电流相对方向单层相绕组的单层相绕组的一种联接方法一种联接方法 三相绕组排列和联接的三相绕组排列和联接的一般方法为一般方法为: :计算节距；计算节距；计算每极每相槽数；计算每极每相槽数；划分相带；组成线圈组；划分相带；组成线圈组；按极性对电流方向的要按极性对电流方向的要求分别构成各相绕组求分别构成各相绕组。三、三相单层绕组三、

26、三相单层绕组以下用定子槽数为以下用定子槽数为2424，两极电机的定子绕组为例，说明单层绕组，两极电机的定子绕组为例，说明单层绕组构成。构成。1、计算节距（取整距）、计算节距（取整距）1124y1222 1Qp2、计算每极每相槽数、计算每极每相槽数41322421mpQq3、划分相带、划分相带 相带 槽号AZBXCY第一对极23,24,1,23,4,5,67,8,9,1011,12,13,1415,16,17,1819,20,21,22 因此，各相绕组首端相距槽数因此，各相绕组首端相距槽数=1201208()15。槽三相绕组在空间错开三相绕组在空间错开120电角度电角度根据根据q=4，y1=12

27、，各相首端相距槽数，各相首端相距槽数=8进行进行分极分相分极分相，如表：，如表：4、组成线圈组、组成线圈组相绕组相绕组的构成的构成同心式同心式绕组绕组三相单层同心三相单层同心式绕组展开图式绕组展开图满足相邻极下线圈边电流方向相反，线圈构成线圈组也可用单层同心式以达到简化工艺、节省材料的目的。四、三相双层绕组四、三相双层绕组 双层绕组的每个槽内都有上下两个双层绕组的每个槽内都有上下两个线圈边，每个线圈的一线圈边，每个线圈的一个边放在某一个槽的上层，另一边放在相隔节距个边放在某一个槽的上层，另一边放在相隔节距y1的另一个槽的另一个槽的下层。整个绕组的线圈数等于槽数。的下层。整个绕组的线圈数等于槽数

28、。 以下用以下用3 3相相4 4极极3636槽的双层叠绕组为例，说明槽的双层叠绕组为例，说明3 3相双层绕组相双层绕组的排列和联接。的排列和联接。1、计算极距、计算极距943621pQ2 2、选择节距、选择节距选择短节选择短节距距81y3、计算每极每相槽数、计算每极每相槽数32323621mpQq4、并且计算槽、并且计算槽距角距角2060q 因此，各相绕组首端相距槽数因此，各相绕组首端相距槽数= 1201206()20。槽首先画出等距离的首先画出等距离的36根平行线段以表示槽号。根平行线段以表示槽号。4 4、画展开图、画展开图相带槽号A1C2B1A2C1B2第一对极1,2,34,5,67,8,

29、910,11,1213,14,1516,17,18第二对极19,20,2122,23,2425,26,2728,29,3031,32,3334,35,36根据根据q=3，y1=8，各相首端相距槽数，各相首端相距槽数=6进行进行分极分相分极分相注：以上分极分相只给出了各相各线圈组上层线圈边所在的槽号注：以上分极分相只给出了各相各线圈组上层线圈边所在的槽号5 5、组成线圈及线圈组、组成线圈及线圈组根据根据y1=8将同将同一极域内一极域内属于同一相的某两个线圈边（上下层）属于同一相的某两个线圈边（上下层）连成一个线圈（共有连成一个线圈（共有q=3个线圈？）个线圈？） 。将同将同一极域一极域内属于同一

30、相的内属于同一相的q个线圈连成一个线圈组个线圈连成一个线圈组（共有共有2p=4个线圈组个线圈组？）？）将属于同一相的将属于同一相的2p=4个线圈个线圈组连成一相绕组，串联或并联。组连成一相绕组，串联或并联。电流方向：相邻极距下属于同一相绕组的线圈边中电流必须相反，所建立的磁场才能满足磁极交错排列的要求。 将属于同一相的将属于同一相的2p=4个线圈个线圈组连成一相绕组，并标记首尾端；组连成一相绕组，并标记首尾端；串联或并联。串联或并联。 按照同样的方法构造其他两相。按照同样的方法构造其他两相。 连三相绕组连三相绕组： 将三个构造好的单相绕组连成完整的三相绕组将三个构造好的单相绕组连成完整的三相绕

31、组 ， D接法或者接法或者Y接法接法 。n我们知道，异步电机是一种利用电磁感应原理进行机我们知道，异步电机是一种利用电磁感应原理进行机电能量转换的装置，而这种能量转换必须有磁场的参电能量转换的装置，而这种能量转换必须有磁场的参与，因此，研究异步电机就必须研究分析电机中磁场与，因此，研究异步电机就必须研究分析电机中磁场的分布及性质。的分布及性质。n三相定子绕组是按一定规律分布在定子内圆表面的，三相定子绕组是按一定规律分布在定子内圆表面的，其中的电流又随时间变化，其中的电流又随时间变化，因此，定子绕组产生的磁因此，定子绕组产生的磁通势与绕组所在的空间位置有关，是空间的函数，又通势与绕组所在的空间位

32、置有关，是空间的函数，又随所通电流的时刻变化，是时间的函数。随所通电流的时刻变化，是时间的函数。n研究步骤：研究步骤：先分析先分析一个线圈一个线圈的磁通势开始，进而分析的磁通势开始，进而分析一个线圈组一个线圈组以及以及一个单相绕组一个单相绕组的磁通势，然后把的磁通势，然后把三个三个相绕组的磁通势叠加相绕组的磁通势叠加，便得出，便得出三相绕组的合成磁通势。三相绕组的合成磁通势。 第四节第四节 三相异步电动机的定子磁动势及磁场三相异步电动机的定子磁动势及磁场一一. .单相绕组的磁通势单相绕组的磁通势脉振磁通势脉振磁通势（一）单相整距线圈的磁通势（一）单相整距线圈的磁通势yWNy如图线圈如图线圈AX

33、是一个匝数为是一个匝数为 的整距线圈，的整距线圈，当线圈中有电流流过时，就会建立磁通势，当线圈中有电流流过时，就会建立磁通势，方向如图中虚线所示，根据方向如图中虚线所示，根据安培环路定律，安培环路定律，作用在任一闭合磁回路的磁通势等于它所作用在任一闭合磁回路的磁通势等于它所包围的全电流包围的全电流，因此，每个磁回路的磁通，因此，每个磁回路的磁通势均为势均为 。每根磁力线通过两个气隙，。每根磁力线通过两个气隙，由于铁心磁阻远远小于气隙磁阻，其磁压由于铁心磁阻远远小于气隙磁阻，其磁压降可以忽略不计，因此全部磁通势可以认降可以忽略不计，因此全部磁通势可以认为都降落在两个气隙上。如果气隙是均匀为都降落

34、在两个气隙上。如果气隙是均匀的，则每个气隙所消耗的磁通势是全部磁的，则每个气隙所消耗的磁通势是全部磁通势的一半，即通势的一半，即 /2 ，而且沿气隙各处，而且沿气隙各处所消耗的磁通势均相等，经过铁心时磁通所消耗的磁通势均相等，经过铁心时磁通势维持不变。势维持不变。iNyiNy整距线圈所建整距线圈所建立的磁场分布立的磁场分布整距线圈磁动整距线圈磁动势分布曲线势分布曲线整距线圈所建整距线圈所建立的磁场分布立的磁场分布2 -222( )23 222yymyIxFxIx所以，单个整距线圈所产所以，单个整距线圈所产生的气隙磁通势在空间的生的气隙磁通势在空间的分布是一个矩形波，如图分布是一个矩形波，如图

35、(b)(b)所示。所示。设线圈中通过随时间按余弦规律变化的交流电设线圈中通过随时间按余弦规律变化的交流电 。因为电流是随时间变化的，我们选择因为电流是随时间变化的，我们选择 这一个特定这一个特定的时间来分析。且就每一瞬间而言，分析方法与直流电机相同。的时间来分析。且就每一瞬间而言，分析方法与直流电机相同。tIicos20,2tiIt=0,i=Imt=90,i=0t=180, i=-ImtINiNtxfyyycos2221),( 整距线圈所形成的磁动整距线圈所形成的磁动势在任何瞬时，空间的分布势在任何瞬时，空间的分布总是一个矩形波。总是一个矩形波。 这种从空间上看位置固这种从空间上看位置固定，从

36、时间上看大小在正负定，从时间上看大小在正负最大值之间变化的磁动势，最大值之间变化的磁动势，称为称为脉振磁动势脉振磁动势。脉振的频。脉振的频率就是交流电流的频率。率就是交流电流的频率。一般表达式为： 四极整距线圈的磁动势四极整距线圈的磁动势磁场分布磁场分布磁动势分布磁动势分布多极电机情况相同，只是磁势周期增加p 倍。n矩形脉振磁通势展开矩形脉振磁通势展开应用傅氏级数，图应用傅氏级数，图4-21(b)4-21(b)的矩形波展开结果如下：的矩形波展开结果如下：1351354211 (x, )(cosx-cos3x+cos5x+)cost235=cosxcost-cos3xcost+cos5xcost

37、+yyyyyyyyftIFFFfff其中其中 称基波磁通势，其极数等于电机的极数，且有称基波磁通势，其极数等于电机的极数，且有1yf111 (x, )cosxcos t420.92yyyyyftFFII 把以把以2 2 为周期的为周期的矩形矩形磁动势波用磁动势波用傅氏级数分解傅氏级数分解从图形上看：从图形上看：1）纵坐标取在相绕组的轴线上；）纵坐标取在相绕组的轴线上；2）图形只含奇次波；）图形只含奇次波；3）图形对称于纵轴，只含）图形对称于纵轴，只含cos 项；项；4）基波幅值大于矩形波，是其）基波幅值大于矩形波，是其 倍；倍；5）谐波幅值是基波的）谐波幅值是基波的 倍，谐波频率是基波频率的倍

38、，谐波频率是基波频率的 倍倍。41其余各项称谐波磁通势，有其余各项称谐波磁通势，有vvvv (x, )cosx cost1 420.9(v1,3,5)v2vyyyyyftFFII槽距角槽距角n每个矩形磁通势波分每个矩形磁通势波分解的基波以及各次谐波解的基波以及各次谐波的大小及形状也都应该的大小及形状也都应该一样，且在空间的位置一样，且在空间的位置相差电角度相差电角度 ；（二）线圈组的磁通势（二）线圈组的磁通势1 1 整距线圈的线圈组磁通势整距线圈的线圈组磁通势n设线圈组有三个整距设线圈组有三个整距线圈分布于槽中，各相线圈分布于槽中，各相距一个槽距角距一个槽距角；n各线圈的匝数及其中各线圈的匝数

39、及其中通过的交流电也相同，通过的交流电也相同，每个线圈产生的矩形磁每个线圈产生的矩形磁通势波的幅值应该完全通势波的幅值应该完全一样，在空间彼此相差一样，在空间彼此相差电角度电角度；n将最大幅值分别为将最大幅值分别为 的基波磁通势（曲的基波磁通势（曲线线1 1，2 2，3 3）在空间上逐点相加，便可得到基波合成）在空间上逐点相加，便可得到基波合成磁通势（曲线磁通势（曲线4 4）。）。.123,yyyFFF基波磁基波磁通势分通势分布因数布因数 11111sin2sin2422qyqqqqqqqIFFkN kF磁通势磁通势矢量相加矢量相加就可得出线圈组的基波合成磁通势就可得出线圈组的基波合成磁通势

40、电角度的空间矢量基波磁动势矢量相加2sin21qRFq2sin21RFy例例4-24-2一台四极三相异步电动机，定子槽数为一台四极三相异步电动机，定子槽数为36，计算，计算其基波和其基波和5次、次、7次谐波磁动势的分布因数。次谐波磁动势的分布因数。解解 计算每相每极槽数计算每相每极槽数q和和值值32323621mpQq2036060q基波分布因数基波分布因数960. 0220sin32203sin1qk五次谐波分布因数五次谐波分布因数217. 02205sin32)205(3sin5qk七次谐波分布因数七次谐波分布因数177. 02207sin32)207(3sin7qk上例中看出：分布绕组的

41、合成磁通势中谐波含量要比集中绕组小上例中看出：分布绕组的合成磁通势中谐波含量要比集中绕组小。 n整距线圈组的合成基波磁通势的幅值为：整距线圈组的合成基波磁通势的幅值为： 1y1q1q1y0.9qFqF kqK I N1sin2sin2qqkq式中式中 称为基波磁通势的分布系数称为基波磁通势的分布系数上式可理解为，如将绕组的上式可理解为，如将绕组的q q个线圈集中在一个槽内，个线圈集中在一个槽内，则线圈组的基波磁通势应为则线圈组的基波磁通势应为 ，如果将绕组中的，如果将绕组中的各线圈分布在相邻的各线圈分布在相邻的q q个槽内，则线圈组的基波磁通势个槽内，则线圈组的基波磁通势要打一个折扣，减小为要

42、打一个折扣，减小为 ，这个折扣就是基波磁，这个折扣就是基波磁通势的分布因数通势的分布因数 。 y1qFy1q1kqFq1kn同理可得同理可得v次谐波磁通势的幅值：次谐波磁通势的幅值： vyvqvqvy0.9vqFqF kqK I Nvvsin2vsin2qqkq式中式中 称为称为v v次谐波磁通势分布因数次谐波磁通势分布因数n整距线圈组的合成基波磁通势的幅值为：整距线圈组的合成基波磁通势的幅值为： 1y1q1q1y0.9qFqF kqK I N1sin2sin2qqkq式中式中 称为基波磁通势的分布系数称为基波磁通势的分布系数2 2 双层绕组短距线圈的线圈组磁通势双层绕组短距线圈的线圈组磁通势

43、n双层绕组通常中常采用短距绕组来削弱谐双层绕组通常中常采用短距绕组来削弱谐波，其波，其每对极有两个元件组每对极有两个元件组，把两个元件，把两个元件组的磁势叠加，便得到双层绕组的磁势。组的磁势叠加，便得到双层绕组的磁势。n从产生磁场的观点来看，从产生磁场的观点来看，磁势只决定于槽磁势只决定于槽内导体电流的大小和方向，与元件的连接内导体电流的大小和方向，与元件的连接方式无关。方式无关。n因此，分析时把实际的短距绕组所产生的因此，分析时把实际的短距绕组所产生的磁势，等效地看成由上、下层整距绕组产磁势，等效地看成由上、下层整距绕组产生的磁势之和，且可以引用前面整距线圈生的磁势之和，且可以引用前面整距线

44、圈组磁通势的结论。组磁通势的结论。qq1qFFF下上1(1)1112cos22pqqyFFF k式中式中90sin)180180(21cos2cos111yyky称为基波磁动势的节距因数称为基波磁动势的节距因数短距线圈节距缩短的角度短距线圈节距缩短的角度111yy 同理，对于同理，对于v 次谐波次谐波yvqvpvkFF2)1(式中式中2cos90sin1vvykyv称为谐波磁动势的节距因数称为谐波磁动势的节距因数（三）相绕组的磁动势（三）相绕组的磁动势 绕组由集中的改为分布的，基波合成磁动势幅值应该绕组由集中的改为分布的，基波合成磁动势幅值应该打一个折扣打一个折扣kq1； 线圈由整距改为短距的

45、线圈由整距改为短距的基波合成磁动势基波合成磁动势幅值应该打一个折扣幅值应该打一个折扣ky1；因此，由短距线圈组成的分布；因此，由短距线圈组成的分布绕组的基波合成磁动势幅值等于具有相同匝数的整距集中绕组的基波合成磁动势幅值等于具有相同匝数的整距集中绕组的基波合成磁动势幅值乘以系数绕组的基波合成磁动势幅值乘以系数kw1=kq1ky1，称为基波，称为基波绕组因数。绕组因数。对于对于v 次谐波次谐波 kwv=kqvkyvn同理可得同理可得v次谐波合成磁通势的幅值：次谐波合成磁通势的幅值： 式中式中 称为称为v v次谐波磁通势次谐波磁通势的节距因数。的节距因数。vqvyvF2F k1yvvykcosvs

46、in902n线圈组磁通势总结：线圈组磁通势总结：当绕组由集中改为分布时，当绕组由集中改为分布时，其基波磁通势打了一个折扣其基波磁通势打了一个折扣 ；当绕组由整距；当绕组由整距改为短距时，其基波磁通势也打了一个折扣改为短距时，其基波磁通势也打了一个折扣 ；那么由短距线圈组成的分布绕组相对于整距集中那么由短距线圈组成的分布绕组相对于整距集中绕组来说，其基波合成磁通势应打绕组来说，其基波合成磁通势应打 折扣。折扣。 记记 为基波绕组因数。为基波绕组因数。 对对v v次谐波则有：次谐波则有： 磁通势的节距系数和磁通势的分布因数一样，对磁通势的节距系数和磁通势的分布因数一样，对基波的影响较小，但可以使高

47、次谐波磁通势有很基波的影响较小，但可以使高次谐波磁通势有很大的削弱。因此大的削弱。因此采用分布、短距绕组也可以改善采用分布、短距绕组也可以改善磁通势的波形。磁通势的波形。q1ky1kq1y1k kw1q1y1k=k kwvqvyvk=k k（三）相绕组的磁动势（三）相绕组的磁动势相绕组是由处于空间不同位置的，相绕组是由处于空间不同位置的，p个个(单层单层)或或2p个个(双层双层)线圈组，连接成线圈组，连接成a（支路对数）条支路构成的。（支路对数）条支路构成的。由于每对极极面下的磁场，是由处于该极面下的线圈由于每对极极面下的磁场，是由处于该极面下的线圈组电流产生的，所以电机气隙某点的磁动势，就是

48、该组电流产生的，所以电机气隙某点的磁动势，就是该点对应线圈组磁动势在其空间分布波的值。点对应线圈组磁动势在其空间分布波的值。 但是，由于电机的磁路是以一对极的磁动势和磁阻形但是，由于电机的磁路是以一对极的磁动势和磁阻形成闭合磁路。因而，所成闭合磁路。因而，所讨论一个相绕组的磁动势并不讨论一个相绕组的磁动势并不是一相所有绕组的安匝数，而是指一对极下一相绕组是一相所有绕组的安匝数，而是指一对极下一相绕组的合成磁动势的合成磁动势。整个电机的磁场是个对称磁路。所以。整个电机的磁场是个对称磁路。所以相绕组的磁动势是以每对极为单元分析相绕组的磁动势是以每对极为单元分析。1q1y1yq1y1w1q1y1q1

49、y1y42IN2k2qNIk k =0.9k2pqk42N I2FFFFF（）其中：（三）相绕组的磁通势（三）相绕组的磁通势 极对数为极对数为p p，每极每相槽数为，每极每相槽数为q q的的双层短距绕组双层短距绕组，每，每个线圈组有个线圈组有q q个线圈（每个线圈匝数为个线圈（每个线圈匝数为NyNy），则一个相），则一个相绕组每对极下线圈匝数是绕组每对极下线圈匝数是2qNy2qNy，即相绕组串联的总匝数，即相绕组串联的总匝数为为N= 2qNypN= 2qNyp，其基波合成磁通势幅值为：，其基波合成磁通势幅值为：vwv1IN=0.9kvpF同理，同理，v v次谐波磁通势的幅值为：次谐波磁通势的幅

50、值为：n参照课本式（参照课本式（4.11）一个整距线圈的磁势，若将空）一个整距线圈的磁势，若将空间坐标的原点放在一相绕组基波幅值的轴线上，可间坐标的原点放在一相绕组基波幅值的轴线上，可得单相绕组磁通势瞬时值的一般表达式为得单相绕组磁通势瞬时值的一般表达式为135135NI11(x,)0.9(cosxcos3xcos5x)cosp35 cosxcoscos3xcoscos5xcos - ) WWWftkkktFtFtFt n相当于在式（相当于在式（4.11）中，用）中，用N/p（每对磁极下每相串（每对磁极下每相串联的线圈匝数）代联的线圈匝数）代Ny，同时乘以一个基波绕组系数，同时乘以一个基波绕组

51、系数kw1（折扣）。（折扣）。txxxINtxFtxfyymycos5cos513cos31cos9 . 0cos)(),(IpNkIpNkFWW1119 . 0224对于单相绕组磁动势，可以归纳以下几点：对于单相绕组磁动势，可以归纳以下几点：1）、单相绕组的磁动势是一种空间位置上固定、幅值随时间变）、单相绕组的磁动势是一种空间位置上固定、幅值随时间变化的化的脉振磁动势脉振磁动势。2）、单相绕组的基波磁动势）、单相绕组的基波磁动势幅值的位置与绕组的轴线相重合幅值的位置与绕组的轴线相重合。3）、单相绕组脉振磁动势中的）、单相绕组脉振磁动势中的基波磁动势幅值基波磁动势幅值为；为； 而而v 次次谐波

52、磁动势幅值谐波磁动势幅值为；为；谐波次数越高，幅值越小。谐波次数越高，幅值越小。pNkIpNkFWW19 . 01224二、三相绕组的二、三相绕组的磁动势磁动势 旋转磁动势旋转磁动势分析了单相磁势，分析了单相磁势，A,B,C 三相的单相基波磁势逐点相加，就三相的单相基波磁势逐点相加，就可以得到三相合成旋转磁势。可以得到三相合成旋转磁势。麻烦麻烦三相交流绕组的合成磁动势在空间三相交流绕组的合成磁动势在空间如何分布？随时间又如何变化？如何分布？随时间又如何变化？ 分析方法有：分析方法有：1、数学法（重点介、数学法（重点介绍）；绍）；2、图解法、图解法。只看基波。只看基波。用三个有效匝数为用三个有效

53、匝数为 ，空间互差，空间互差120电角度的集中整距线圈电角度的集中整距线圈A-X、B-Y、C-Z，去代替两级电机中的三，去代替两级电机中的三相绕组（一般为分布、短距，如为相绕组（一般为分布、短距，如为多级电机则代替一对极的相绕组部多级电机则代替一对极的相绕组部分）。分）。产生磁动势相同产生磁动势相同1WNkp二、三相绕组的二、三相绕组的磁动势磁动势 旋转磁动势旋转磁动势空间上空间上B相滞后相滞后A相相120，C相滞后相滞后B相相120，C相滞相滞后后A相相240。 三相对称电流，通入三相对称三相对称电流，通入三相对称绕组。时间上绕组。时间上B相滞后相滞后A相相120，C相滞后相滞后B相相120

54、，C相相滞后滞后A相相240。 coscos(120 )cos(240 )AmBmCmiItiItiIt二、三相绕组的磁动势二、三相绕组的磁动势 旋转磁动势旋转磁动势 取取A相绕组的轴线处作为空间坐标的原点，并且相绕组的轴线处作为空间坐标的原点，并且以正相序方向作为以正相序方向作为x的正方向，同时选择的正方向，同时选择A相电流达相电流达到最大值的瞬间为时间的起始点，则三相的到最大值的瞬间为时间的起始点，则三相的基波磁动基波磁动势势为：为：txFfAcoscos11120cos120cos11txFfB240cos240cos11txFfC空间与时间空间与时间互差互差120电电角度角度利用三角公

55、式利用三角公式)cos()cos(21coscos)cos(21)cos(21coscos1111xtFxtFtxFfA)240cos(21)cos(21)120cos()120cos(1111xtFxtFtxFfB)120cos(21)cos(21)240cos()240cos(1111xtFxtFtxFfC将三相基波磁势相加，得出三相绕组的基波合成磁动势将三相基波磁势相加，得出三相绕组的基波合成磁动势)cos()cos(23),(111111xtFxtFffftxfCBAn式中式中, ,F1F1为三相基波合成磁通势基波的幅值为三相基波合成磁通势基波的幅值, ,即即: :IpNkmFFW11

56、1129 . 023（m1为相数）为相数）0t0t116060 26022ssffnpppn旋转磁场转速旋转磁场转速 三相绕组合成磁动势是一个三相绕组合成磁动势是一个幅值幅值大小不变、旋转的行波大小不变、旋转的行波，可以按以下方法确定其转速。可以按以下方法确定其转速。对于波幅这一点，其幅值恒为对于波幅这一点，其幅值恒为F1，cos(t-x/)=1, ,即即 t-x/=0， 记记t时磁势转角为时磁势转角为= t=x/，d dddsxtt 11( , )cos()f x tFtxn可以得出结论，可以得出结论，当某相电流达到最大值，旋转磁当某相电流达到最大值，旋转磁动势的幅值就将转到该相绕组的轴线处

57、。动势的幅值就将转到该相绕组的轴线处。111( , )cos()cosf x tFtxFx10t 111coscoscosAfFxtFxnA相电流达到最大值，旋转磁动势的幅值相电流达到最大值，旋转磁动势的幅值F1就就位于位于A相绕组的轴线处。相绕组的轴线处。A相电流达到最大值相电流达到最大值 如果电流是正序的，则磁动势波旋转方向是从如果电流是正序的，则磁动势波旋转方向是从A相转向相转向B相，再转向相，再转向C相。如果电流是负序的，则磁动势波旋转方向是相。如果电流是负序的，则磁动势波旋转方向是从从A相转向相转向C相，再转向相，再转向B相。因此，相。因此，如果要改变三相异步电动如果要改变三相异步电

58、动机磁场的旋转方向，只要改变定子电流的相序，把定子绕组三机磁场的旋转方向，只要改变定子电流的相序，把定子绕组三个出线端的任意两个（例如个出线端的任意两个（例如B端端和和C端）对调即可。端）对调即可。)cos(21)cos(21coscos1111xtFxtFtxFfA)120cos(21)cos(21)240cos()120cos(1111xtFxtFtxFfB)120cos(21)cos(21)120cos()240cos(1111xtFxtFtxFfC从而可得出从而可得出)cos(),(11111xtFffftxfCBA160sfnp 转向转向相反相反)cos(21)cos(21cosco

59、s1111xtFxtFtxFfA 从上式可以看出，从上式可以看出，一个正弦分布的幅值为一个正弦分布的幅值为F1, ,的脉振磁势波可的脉振磁势波可以分解为两个幅值相等、转速相同、转向相反的旋转磁动势波，以分解为两个幅值相等、转速相同、转向相反的旋转磁动势波，其幅值均为其幅值均为F1/2，转速均为同步转速。转速均为同步转速。三相基波合成磁动势具有以下特性：三相基波合成磁动势具有以下特性：1）是一个旋转磁动势，转速均为同步转速）是一个旋转磁动势，转速均为同步转速 ，旋转方向，旋转方向决定于电流的相序。决定于电流的相序。2）幅值）幅值F1不变，为各相脉振磁动势幅值的不变，为各相脉振磁动势幅值的1.5倍

60、，旋转幅值轨迹倍，旋转幅值轨迹是一个圆。是一个圆。3）三相电流中任意一相电流瞬时值达到最大值时，三相基波合）三相电流中任意一相电流瞬时值达到最大值时，三相基波合成磁动势的幅值，恰好在这一组绕组的轴线上。成磁动势的幅值，恰好在这一组绕组的轴线上。160sfnpt=0 ,iA=Imt=120, iB=Imt=240, iC=Imt=360, iA=Im几个特定的几个特定的时刻磁通势时刻磁通势的特点表明：的特点表明：当某相电流当某相电流达到最大值达到最大值时，旋转磁时，旋转磁势的波幅刚势的波幅刚好转到该相好转到该相绕组的轴线绕组的轴线上；旋转方上；旋转方向由超前电向由超前电流的相转向流的相转向滞后电