电机中磁动势与电动势的图文分析

1.交流绕组的磁动势
图1
图2 图3
从图中可以看出三相电流产生的总的磁场是随着转子的旋转而旋转的，设转子开始的位置就是A 相的轴线位置，也就是0α︒=时，此时a F 在轴线+A 轴上，当
转子逆时针转动
1α角时，a F 也转动1α角，这样最大的磁动势线就对应在1α，
1α也就是t ω。

值得注意的是，上面的图是三相电流合成之后的磁动势，而对于每一相电流，他
们产生的基波磁动势的表达式是11cos cos cos cos k k k f N I t F t ωαωα==，这个式子可以傅里叶变换为：'''1111111
cos()cos()22
k k k k k f F t F t f f αωαω=
-++=+，可以发现，一个脉振磁动势可以分解为两个极对数和波长与脉振波完全一样，类
比上面的合成磁动势，这里的cos()t αω-可以看成是振幅为11
2
k F 的磁动势沿着逆
时针转动，也就是转子的转动方向旋转，并且旋转的角速度为d d t
dt dt
αωω==，也就是说，这个行波是电角速度为ω，大小与转子转动的电角速度相等，也就是
线圈中电流的电角速度相等。

另外，cos()t αω+部分可以看成振幅为11
2
k F 的磁动
势沿着顺时针转动，这个行波是电角速度为-ω，大小与转子转动的电角速度相等，也就是线圈中电流的电角速度相等。

这些都是电枢绕组上的电枢电流所产生的磁动势特征，分别通过对总的电枢
磁动势a F 的旋转方向来过渡到单相电流产生的磁动势，由于转子是逆时针方向转动，所以电动势是逆时针转动，导致电枢电流逆时针转动，然后就有了a F 逆时针转动，可以形象的通过上面的图3看出随着α而转动。

1cos()
f F αα=-
2.图示说明分布、短距绕组的物理意义
两槽单线圈磁场空间分布为矩形波，所以含有
大量的谐波在里面，那么产生的电动势也就有
大量的谐波。

图4 两槽单线圈磁力线分布
6槽三相电机磁场空间分布为阶梯波，所以也含有
大量的谐波。

图5 6槽三相电机磁力线分布
54槽短距分布绕组磁场空间分布近似为
正弦波，仅仅含有少量的谐波，可以忽略。

图6 54槽短距分布绕组磁力线分布
3．同步发电机的电磁关系
凸极同步电机的励磁磁动势
如图所示，每个线圈所包围的安匝数为
k N I ，所以1-5的气隙磁动势都相等，且
都等于
1
2
k N I ，也就是每根导线的安匝数都被平分到定子的两边。

图7
对A 相绕组分析，值得注意的是，这里的电流是励磁电流，为直流电，跟定子绕组上的交流不同。

很显然得到的是矩形波，这样的波形含有大量的谐波。

这也能解释为什么集中整距绕组的发电机的电动势波形含有大量的谐波的原因。

图8
如图9所示，一般以分析的相的轴线为原点，将电机平面展开就得到图8
图9
F f +A
+A
图10
图10就是转子铁芯随原动机一起旋转，励磁磁动势也同步旋转，且为逆时针，对应在坐标轴上就是沿着α轴正向运动。

当磁动势在+A 轴上投影最大时，电动势为零，若我们将磁动势和电动势在+A 轴上的投影作为瞬时大小，这样就可以将电动势时间向量图和磁动势的空间向量图结合在一起，这样就得到时空相矢量图
E 0
E 0
0α=E 0
B +j
1
f
图11 时空相矢量图
可以这么理解，法拉第电磁感应定律方程式：d e N
dt
φ
=-，当穿过闭合线圈的磁通量最大时，磁通的变化率为零，这就是磁动势最大时电动势为零的原因；在磁通量为零时，对应的磁通变化率最大，也就是磁动势为零时电动势最大的原因。

隐极同步电机气隙磁动势
定子
α
图12
如图12所示隐极同步电机3个闭合回路所包围的安匝数
分别为
,3,5k k k N I N I N I ，所以对应的气隙磁动势是一个阶梯波
图13
如图13，可以看出隐极同步电机的磁动势波形有点接近正弦波，如果转子外围的槽数越多，就越接近正弦波，这也是为什么前面电机采用多槽的原因。

4.电枢磁动势对励磁磁动势的影响
图14 图15
3相电流的合成磁场图16 图17
ABC三相电流产生的磁场可以合成，合成之后的磁场幅值是每相幅值的3
2
倍。

当A 相电流最大时，图15的磁场线比图14和图16都多，合成之后的图17中的磁场线条数应该等于图15中单相电流时的1.5倍，也就是三根磁力线，同理得到下面的图18和图19，当B 相和C 相电流分别达到最大值时，合成磁场的方向也正好就是他们的轴线方向。

图18
B 相电流达到最大时，合成磁场轴线与+B 轴重合
C 相电流达到最大时，合成磁场轴线与+C 轴重合
图19
可以发现三相电流依次达到最大，合成磁场的轴线依次与他们的轴线重合。

C
详细分析如下：
图20
图中可以看出交流绕组上感应的磁动势
a F 总是和电流达到最大值的那一相重
合，由于外阻抗不是纯电阻，而是滞后性负载，所以
A 0E 和A 0I 成α滞后角，
a F 既不在直轴，又不在交轴，这时候a F 可以分解为两个分量：一个是直轴方
向的分量ad F ，称为直轴电枢反应磁动势分量，它对
f F 起去磁的作用；另一个
是交轴方向的分量aq F ，称为交轴电枢反应磁动势分量，它的出现使合成的磁动势δF
与
f F 偏离，产生了'θ。

记住一点就是主磁通f F 永远都是和转子的N
极方向同向，而空载电动势
A 0E 是在没有交流磁动势的情况下的绕组电动势，
X
Y
他是由主磁通
f
F 产生的，因为
m 0=R , 4.44f m A k m F NI BS R E fN =Φ⨯=⨯=Φ励磁⇒f F 的方向就是B 的方向，Φ的
方向就是B 的方向，而
A 0E 的方向就是Φ的方向，所以f F 和A 0E 总是同向。