第17讲交流电机电枢绕组产生的磁通势
第06章-交流电机的旋转磁场理论
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第六章 交流电机的旋转磁场理论
二、旋转磁场的基本特点
1）三相对称绕组通入三相对称电流所产生的三相基波合成 磁动势是一个旋转行波， 合成磁动势的幅值是单相电枢绕组脉
振磁动势幅值的3/2倍。同理可以证明，对于m相对称绕组通入 m相对称电流，所产生的基波合成磁动势也是一个旋转行波， 其幅值为每相脉振幅值的m/2倍。
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第六章 交流电机的旋转磁场理论
第三节 交流电机的主磁通和漏磁通
一、主磁通
当交流电机的定子绕组通入三相对称电流时， 便在气隙中
建立基波旋转磁动势，同时产生相应的基波旋转磁场。 与基波
旋转磁场相对应的磁通称为主磁通，用m表示。由于旋转磁场
是沿气隙圆周的行波，而气隙的长度是非常小的， 所以相应的
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第六章 交流电机的旋转磁场理论
图6-3说明 Fs (x,t) 是一个幅 值恒定、正弦分布的行波。
由于 Fs (x,t) 又 表示三相电
枢绕组基波合成磁动势沿气隙圆
F sm
F ( x, t) s
v1
et
周的空间分布，所以它是一个沿
气隙圆周旋转的行波，其相对于
定子的速度是
v1
e
π
（6-8）
0
FA1( x, t ) FB1 ( x, t ) FC1 ( x, t )
Fm
1
c
oset
c
os
πx
Fm
1
c
os
(et
2π 3
)
Fm 1
cos(et
2π 3
)
cos(πx
cos(πx
2π ) 3 2π ) 3
（6-5）
式中，Fm1是每相磁动势基波分量的幅值，其精确的计算需要考 虑绕组分布及短距等因素。
电机励磁方式及原理
电机励磁方式旋转电机中产生磁场的方式。
现代电机大都以电磁感应为基础，在电机中都需要有磁场。
这个磁场可以由永久磁铁产生，也可以利用电磁铁在线圈中通电流来产生。
电机中专门为产生磁场而设置的线圈组称为励磁绕组。
由于受永磁材料性能的限制，利用永久磁铁建立的磁场比较弱，它主要用于小容量电机。
但是随着新型永磁材料的出现，特别是高磁能积的稀土材料如稀土钴、钕铁硼的出现，容量达百千瓦级的永磁电机已开始研制。
一般的电机多采用电流励磁。
励磁的方式分为他励和自励两大类。
他励由独立的电源为电机励磁绕组提供所需的励磁电流。
例如用独立的直流电源为直流发电机的励磁绕组供电；由交流电源对异步电机的电枢绕组供电产生旋转磁场等等。
前者为直流励磁，后者为交流励磁。
同步电机按电网的情况,可以是转子的励磁绕组直流励磁,也可以定子上由电网提供交流励磁，一般以直流励磁为主。
如直流励磁不足，则从电网输入滞后的无功电流对电机补充励磁；如直流励磁过强，则电机就向电网输出滞后的无功电流,使电机内部磁场削弱。
采用直流励磁时,励磁回路中只有电阻引起的电压降,所需励磁电压较低,励磁电源的容量较小。
采用交流励磁时，由于励磁线圈有很大的电感电抗，所需励磁电压要高得多，励磁电源的容量也大得多。
他励式励磁电源，原来常用直流励磁机。
随着电力电子技术的发展，已较多地采用交流励磁机经半导体整流后对励磁绕组供电的方式励磁。
励磁调节可以通过调节交流励磁机的励磁电流来实现；也可以在交流励磁机输出电压基本保持不变的情况下，利用可控整流调节。
后者调节比较快速，还可以方便地利用可控整流桥的逆变工作状态达到快速灭磁和减磁，从而取消常用的灭磁开关。
前一种方式，整流元件为二极管，如把它和交流励磁机电枢绕组、同步电机励磁绕组一起都装在转子上，则励磁电流就可以直接由交流励磁机经整流桥输入励磁绕组,不再需要集电环和电刷，可构成无刷励磁系统,为电机的运行、维护带来很多方便。
当然整流元件、快速熔断器等器件在运行中均处于高速旋转状态，要承受相当大的离心力，这在结构设计时必须加以考虑。
《电机与拖动》教学大纲
《电机与拖动》教学大纲学分：4.5 总学时：81理论学时；72 实验学时：9面向专业：电气工程及其自动化大纲执笔人：郗忠梅 大纲审定人：李有安一、说明1、课程的性质和目的《电机与拖动》是电气工程及其自动化专业的一门必修的专业基础课。
本课程的主要任务是使学生掌握变压器、交流电机和直流电机的基本知识、基本理论、基本计算方法和一般运行分析问题以及电力拖动系统的运行情况，为后续专业基础课和专业课的学习打好必要的基础。
电机实验是本课程的重要教学环节。
通过实验可对变压器和各类电机的工作特性，基本原理和理论计算加以验证，使学生掌握电机基本实验的原理和方法，初步掌握对电机进行一般操作的动手能力和对实验数据的分析能力，并提高实验技能和熟练程度。
2、课程教学的基本要求理论知识方面：本课程宜安排学生在学完电路、电子等有关基础课程之后的第四学期，内容上注意与以上学科的衔接，课堂教学应力求使学生理解基本概念，掌握基本内容。
实验技能方面：熟练掌握电工仪表的使用方法和各种电机线路的正确接线方法等。
3、课程教学改革总体设想：在有限的教学时间内尽可能多传授给学生有关电机学方面的理论知识。
为了与后继课程的连续性，多增加同步电机的理论知识的讲述学时数。
二、教学大纲内容（1） 课程理论教学第一章 绪论 （2学时）第一节 教材内容与课程性质第2节 本课程常用的物理概念和定律本章重点、难点：1、安培环路定律2、变压器电动势。
建议教学方法：在教学方法上要力求少而精，采用启发式与形象化相结合。
思考题：1、变压器和电机的磁路常采用什么材料制成，这种材料有哪些主要材料？2、磁滞损耗和涡流损耗是什么原因引起的？它们的大小与哪些因数有关？第二章 电力拖动系统动力学（2学时）第一节 电力拖动系统转动方程式第2节 负载的转矩特性与电力拖动系统稳定运行的条件负载的转矩特性、电力拖动系统稳定运行的条件。
本章重点、难点：电力拖动系统稳定运行条件。
建议教学方法：在教学方法上要力求少而精，采用启发式与形象化相结合。
电机拖动基础交流电动机电枢电势与磁通
B
Bm
0
2
A A
X X
N
S
eT
eA A
X eX j
头
尾
EX
EA
ET
6.1.3 整距线圈的电动势
❖ 一个线圈由Wy匝串联而成。 ❖ 线圈两边的距离y1叫节距，用空间电角度表示； ❖ y1=π(即y1=τ)的线圈是整距线圈； ❖ y1<π(即y1<τ)的线圈是短距线圈； ❖ y1>π(即y1>τ)的线圈是长距线圈。
2
f pn (Hz) 60
① 若当磁场转速为 n 时，可知电枢绕组中感应电动势的频率 为 f；
② 若当已知电枢三相对称绕组中电流频率为 f 时，产生的旋
转磁场转速为n，称为同步转速。
(4) 单根导体感应电动势的有效值
感 应 电 动 势 最 大 值Εm
Βm lv
π 2
2 π
Βm
l 2f
πfΒαv lτ
B
Bm
0
A A X X
2
eT
eA A
X eX
y1 y
头
尾
j
N
Ey EA EX
S 基波短距系数
EX
Ey
y1 EA
E y 2EA sin y 2 4.44 fWy sin y 2 4.44 fWyk y
6.1.5 整距分布线圈组的电动势
❖ 为了充分利用电机定子内圆空间，定子上不止放一个线圈， 而是放 n 个线圈，且均匀地分布在定子内表面的槽里。
第三步：按60°相带法分相
Y
35 36
C
34
33 16 15
17
18
19 1
A
20
交流电机电枢绕组的电动势与磁通势
B
Z A
X Y
C C
Y
X
A
Z
B
二、交流绕组的排列和联接
3、确定相带 每个极距内有一个组，每个组内含有的槽 数即为每极每相槽数 q Q1 2 pm 2 。每个 极距内属于同相槽所占有的区域称为“相 带”。可见，每个相带为60度电角度。 4、画定子槽的展开图
1 23 4 56
910 17 21 15 13 18 22 14 16 19 23 11 12 20 24
Bm L
相电动势求出以后，根据星形或三角形的接法，可以求出线电动势。
三相六极异步电动机，额定频率50Hz。已 知定子槽数36，绕组为单层整距分布绕组， 每相两条支路，每个线圈的匝数为40匝， 每相绕组的基波感应电势为200V，求每极 磁通量。
Q 36 q 2 2 pm 2 3 3
1三相基波合成磁动势是一个旋转磁动势转速为同步转速旋转方向决定于电流的相序即从超前电流相转到滞后电流相二三相绕组的磁动势旋转磁动势当对称三相绕组中通过对称三相电流时所建立的三相基波合成磁动势的性质如下
交流电机电枢绕组的 电动势与磁通势
电枢
是电机中机电能量转换的关键部分。 直流电机电枢：转子 交流电机电枢：定子
交流电机电枢绕组的要求
能感应出有一定大小而波形为正弦的电动势 三相电机：三相电动势对称 因此，电枢绕组每一个线圈除了有一定的匝数
外，还要在定子内圆空间按一定的规律分布与 连接。 安排绕组时，既能满足电动势要求，又能满足 绕组产生磁通势的要求。
6.1 交流电机电枢绕组的电动势
本节讨论：由正弦分布、以同步转速旋转的旋转磁场在定子绕 组中所感应产生的电动势。
第六篇 电动势及磁通势
• 三相共六个旋转磁势： 三相共六个旋转磁势： 六个旋转磁势
1 1 π π f A1 = F 1 cos(ωt − x) + F 1 cos(ωt + x) φ φ 2 2 τ τ 1 1 π π fB1 = F 1 cos(ωt − x) + F 1 cos(ωt + x −240°) φ φ 2 2 τ τ 1 π 1 π fC1 = F 1 cos(ωt − x) + F 1 cos(ωt + x −120°) φ φ 2 τ 2 τ 2012-1-4
2012-1-4
2
一 交流绕组
三相对称绕组： 三相对称绕组： 对三相电机来说， 对三相电机来说，为了保持电 气上的对称， 气上的对称，每相绕组所占槽数应 该相等、且均匀分布， 该相等、且均匀分布，空间互差 1200电角度，各相绕组参数一样。 电角度，各相绕组参数一样。 作用： 作用： * 通入电流 磁场（电动机） 通入电流→磁场 电动机） 磁场（ * 磁场与定子绕组切割 电势 电 磁场与定子绕组切割→电势 电势→电 发电机） 流（发电机）
2012-1-4 4
交流绕组的基本术语 空间电角度与机械角度 机械角度:电机圆周在几何上分 机械角度 电机圆周在几何上分 成360° ° 空间电角度:电机里一对主磁极 空间电角度 电机里一对主磁极 表面所占的空间距离为360°。 表面所占的空间距离为 ° 有： 电角度＝ × 电角度＝p×机械角度 元件： 元件：构成绕组的线圈为绕组的 元件（单匝和多匝） 元件（单匝和多匝）
2012-1-4 5
交流绕组的基本述语 线圈：为单匝或多匝串联， 线圈：为单匝或多匝串联，每个 线圈一个首端、 线圈一个首端、一个末端两个引 出线 相带： 相带：每极面下每相绕组所占范 围（60度） 度 Z • 每极每相槽数： q = 每极每相槽数：
西安交大的电机学课件19第六篇、第21、22章见电工学24章第十章课件的17、18、19章
结论：
当电机对称运行时，则电枢电流产生的全部磁通感应的电势
如下描述
Ead Eaq E jId X ad jIq X aq j Id Iq X
jId X ad X j X aq X Iq jId X d jIq X q
Ead ad Fad Id X ad — 称直轴电枢反应电抗 Eaq aq Faq Iq X aq — 称交轴电枢反应电抗
则感应电势用电抗压降来表示：
Ead jId X ad Eaq jIq X aq 而 E jIa X j(I d I q ) X
（稳态运行时）
以上凸极机4个电抗
X d 凸极式同步电机的直轴同步电抗；
X q 凸极式同步电机的交轴同步电抗；
X ad X aq
凸极式同步电机的直轴电枢反应电抗； 凸极式同步电机的交轴电枢反应电抗 。
前述隐极机3个电抗
X a 隐极式同步电机的电枢反应电抗； X S 隐极式同步电机的同步电抗； X 同步电机的漏磁电抗 。
I f Ff n f E0
I F Fad ad Ead
a
a
Faq aq Eaq
U
Ia E
E0 Ead Eaq E U
故得电势平衡方程式：
E0 U (Ead Eaq E ) E0 U jIq X q jId X d
18
3、空载特性试验的用途
① 判断电机设计是否合理，确定磁路的 饱和程度。
② 可判断励磁系统的故障以及三相绕 组的对称性。
③ 空载特性结合短路特性（在后面介 绍 )可以求取同步电抗的不饱和值。
8交流电机电枢绕组的电动势和磁动势
电机与拖动
2、线圈中的感应电势 ：
（1）整距线匝中 的感应电势（线匝 首尾两端相距一个 整极矩） 两导体感应电动势 分别为Ea1和Ea2
线匝基波电动势向量ET
E T E a1 E a 2
整矩线匝基波电 E 2 E 2 2 . 22 f 4 . 44 f A 动势（有效值） T
E AB 3 E A 3 E B 3 0 三相采用△接法：
三次谐波感应电动势会在绕组回路中产生三次 谐波环流，整个闭合绕组三次谐波感应电动势恰好 与环流在三次谐波阻抗上产生压降相等，因此线电 压中也没有三次谐波分量。
同理：适合于3k次谐波
思考题：三相交流发电机定子绕组一般接成什 么形式？
E 4 . 44 fqW y k q p 4 . 44 f pqW a 4 . 44 fWk q
W pqW a
y
1 a
y
kq
是一相绕组串连的总匝数
（3） 三 相 双 层 叠 绕 组
电机与拖动
一交流机：Z=24，2P=4，m=3，y1=5,画出 双层叠绕组展开图。
1、画出结构图，标出槽号 B2 21 1817 22 2、标出AZBXCY的位置 Y2 16 Z 23 2 15 24 Z 24 S1 q 2 14 2 pm 223 1 n N N2 A1 1 13A2 2 Z 24 S2 12 6 3 2p 4 Z1 4 11 Y1 56 10 y1=5 B1 7 8 9 C 1 X1 上下 C2
三相交流电机中线电压的三次谐波 三相交流电机三相绕组在空间上互隔120 度空间电角度，他们的基波感应电动势时间 相位互隔120度。三次谐波感应电动势相位互 隔360度；并且三次谐波感应电动势幅值大小 相等。
第18讲 交流电机电枢绕组产生的磁通势汇总
cos
120
fC1
F1cos t
240cos
240
一、三相电枢绕组产生的磁通势
f A1 fB1
F 1cos tcos
F1cos t 120cos
120
fC1
F1cos
t
240 cos
240
其中，
F1
4
2 Nkdp1 I 2p
利用脉振波分解为两个行波，对上述三相的脉振磁通势分解为：
f A1
一、三相电枢绕组产生的磁通势
S
· S
A·
X
X
A
· · ·
N
· N
N
S
N
·
·
·
S
·
·
A1
·
A2
· A1
·
·
·
·A2 S
N
S
·
N
一、三相电枢绕组产生的磁通势
一、三相电枢绕组产生的磁通势
为了分析旋转磁动势的旋转方向，设三相对称电流按余弦规 律变化，U 相电流最大时为计时点，电流取首进尾出为正，电 流波形和各时刻旋转磁动势的位置如图所示：
第17讲 三相绕组的磁通势
一、三相绕组产生的磁通势 二、二相绕组产生的磁通势
回顾：单相绕组磁通势
回顾：单相绕组磁通势
一、三相电枢绕组产生的磁通势
1、基波磁通势
如图为简单的三相绕组在定子内表面的空间分布。直角坐 标的放置及坐标原点如图所示。用最简单的绕组说明问题， 也可以理解为三相对称的复杂绕组的简化。
二、两相电枢绕组产生的磁通势
（2）矢量法
画 t 0o瞬间的矢量图。线圈AX的电流为正的最大值时，产
生的正反转基波磁通势 F&A , F&A正好处于+A轴线上。BY线圈的 电流在过90°才能达到最大值，产生正反转基波磁通势
绕组构成
转子
W
4、交流绕组的基本量
电角度和机械角度 线圈 节距：整距、短距、长距 极距 槽距角 每极每相槽数 相带
电角度 磁密在空间为正弦分布，一对磁极便对应于一个 完整正弦波，相当于360°。如果磁极极对数是p，整 个圆周有p个完整正弦波，相当于p × 360°。从几何 的观点来看，整个圆周只有360°。 圆周的空间几何角度称为机械角度，而圆周上对 应于磁场分布的角度称为电工角度，简称为电角度。
双层波绕组
7、绕组构成中的特别处理
为消除电动势和磁动势中的谐波，在绕组 构成中应采用短距方法和分布方法。 分布方法：一个槽中的集中绕组，分别按 一定的规律放于多个槽中； 短（长）距方法：要消除的谐波为 次 时，绕组的节距值为：
y1 (1 1
)
分布绕组
集中整距绕组
U1
W 2
N
32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15
V 1
U2
W1
3 4 5 6 7
V2
8
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
1
2
U 1
U2
整距分布绕组
短距绕组
1上
1下
1' 极距
2
2'
1下
y1
fy
e 0 fy iNy e 0 单相双层短距线圈产生的磁通势 2 2 2 3 2
三、交流电机电枢绕组构成
交流绕组构成
交流绕组的基本要求 基本物理量和概念 三相单层绕组 三相双层绕组 小结
电机拖动重点归纳
第二章一、负载的转矩特性：负载的转矩特性是指生产机械工作机构的负载转矩与转速之间的关系即：n=f(TL)___恒转矩负载特性恒转矩负载是指负载转矩为常数，其大小与转速n无关,恒转矩负载分反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载。
反抗性恒转矩负载特性:恒值负载转矩Tf 总是与转速nf的方向相反，即作用方向是阻碍运动的方向。
当正转时nf 为正，Tf与nf方向相反，应为正，即在第一象限,当反转时nf为负，Tf 与nf方向相反，应为负，即在第三象限；当转速nf=0时外加转矩不足以使系统运动。
位能性恒转矩负载特性特点:Tf 的方向与nf的方向无关。
Tf具有固定不变的方向。
例如：起重机的提升机构，不论是提升重物还是下放重物，重力的作用总是方向朝下的，即重力产生的负载转矩方向固定。
当nf >0时，Tf>0，是阻碍运动的制动性转矩;当nf <0时，Tf>0，是帮助运动的拖动性转矩。
故转矩特性在第一和第四象限。
恒功率负载转矩特性特点：当转速n变化时，负载功率基本不变。
电力拖动系统的稳定运行的必要条件：动转矩为零，即n不变，T=TL第三章直流电机的用途：把机械能转变为直流电能的电机为直流发电机；把直流电能转变为机械能的电机是直流发电机。
直流发电机用来作为直流电动机和交流发电机的励磁直流电源。
直流电动机的工作原理：线圈不由原动机拖动；电刷接直流电源；直流电源通过静止的电刷与随电枢转动的换向器的滑动接触把直流电源转换成电枢中的交流电，保证电枢转矩的方向不变，电枢保持逆时针旋转。
直流发电机的工作原理:用两个相对放置的导电片(换向片)代替交流发电机的两个滑环，电刷接触的换向片始终是相同一侧的线圈边，所以N极一侧的电刷得到的电压始终是（+），S极一侧的电刷得到的电压始终是（-）。
直流电机的可逆性：一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，只是外界条件不同而已。
如果用原动机拖动电枢恒速旋转，就可以从电刷端引出直流电动势而作为直流电源对负载供电；如果在电刷端外加直流电压，则电动机就可以带动轴上的机械负载旋转，从而把电能转变成机械能。
交流电机电枢绕组电动势和磁通势
交流电机电枢绕组电动势和磁通势1.几个基本概念（1）极距相邻两个磁极轴线之间的距离，称为极距，用字母“”表示。
极距的大小可以用长度表示，或用在铁心上线槽数表示，也可以用电角度表示。
由于各磁极是匀称分布的，所以极距在数值上也等于每极所占有的线槽数，但极距与磁极所占有槽的空间位置不同。
以24槽4极电动机为例，每极所占槽数是24/4=6槽，各极中心轴线到与它相邻的磁极中心轴线的距离，也就是极距，明显也是6糟。
一般地说，总槽数为Z1.有2P个磁极的电动机，其极距为=Z1/2P（2）电角度与槽距角α一个圆周的机械角度是360°，在讨论电动机问题时，把这种定义的角度称为空间机械角度，用θ表示。
假如铁心圆周上分布有一对磁极，那么沿铁心圆周转1周，则经过了空间机械角360°，同时从磁场变化方面来说也完成了一个周期的变化，即N-S-N，或S-N-S，为了更加清楚地描述磁场，我们沿用机械角度变化1周为360°空间机械角的描述，就说磁场变化1周在电空间也变化360°电角度。
这种状况(指有1对磁极状况)下，电角度(用α’表示)和空间机械角度数是相等的，即α’=θ假如是四极电动机，就是定子内圆上匀称分布着两对磁极，沿铁心圆周转动，每经过1对磁极，从电的方面讲就完成了1对磁场周期的变化，也就是转过了360°电角度。
沿铁心圆周转1周，转过的空间机械角仍是360°，但在电的方面完成了2周变化，转过的电角度就是α’=360°×2=720°。
对于有P对磁极的电动机来说，铁心圆周的空间机械角当然还是360°，而对应的电角度则是α’=360°×P需要留意的是，按式求得的电角度α是铁心整个圆周的电角度。
在后面的分析中，更多用到的是“槽间电角度”，即铁心上相邻两槽中心间隔的电角度，它也等于每一个槽子所占据的电角度。
槽间电角度的计算公式为α=360°×P/Z1式中Z1——电动机铁心总槽数。
第三篇 交流电机的绕组电动势和磁动势
答：幅值
单相绕组基波磁动势幅值大小：与一条支路匝数N、绕组系数kw1、磁极对数p及相电流 有关，其中N、kw1及p由构造决定， 由运行条件决定。
幅值位置：恒于绕组轴线上，由绕组构造决定。
第三篇交流电机的绕组电动势和磁动势
一、填空
1.一台50Hz的三相电机通以60 Hz的三相对称电流，并保持电流有效值不变，此时三相基波合成旋转磁势的幅值大小，转速，极数。
答：不变，变大，不变。
2.★单相绕组的基波磁势是，它可以分解成大小，转向，转速的两个旋转磁势。
答：脉振磁势，相等，相反，相等。
3.有一个三相双层叠绕组，2p=4, Q=36,支路数a=1，那么极距 =槽，每极每相槽数q=，槽距角α=，分布因数 =， ，节距因数 =,绕组因数 =。
11.一个整距线圈的两个边，在空间上相距的电角度是多少?如果电机有p对极，那么它们在空间上相距的机械角度是多少?
答：整距线圈两个边在空间上相距的电角度为 ；电机为p对极时，在空间上相距的机械角度为 。
12.★定子表面在空间相距 电角度的两根导体，它们的感应电动势大小与相位有何关系?
答；定子表面在空间相距 电角度的两根导体，它们的感应电动势的波形相同，其基波和各次谐波电动势的大小分别相等。基波电动势的相位差为 电角度，且空间上超前(沿转子转向空间位置在前)的导体，其基波电动势的相位是滞后的。
绕组短距时，—个线圈的两个线圈边中的基波和谐波(奇数次)电动势都不再相差 ，因此，基波电动势和谐波电动势也都比整距时减小。合理短距时，对基波，因短距而减小的空间电角度是较小的，因此基波电动势减小得很少；但对 次谐波，短距减小的则是一个较大的角度(是基波的 倍)，因此，总体而言，两个线圈边中谐波电动势相量和的大小就比整距时的要小得多，因为谐波电动势减小的幅度大于基波电动势减小的幅度，所以可使电动势波形得到改善。
《电机与拖动》教学大纲
《电机与拖动》教学大纲学分：4.5 总学时：81理论学时；72 实验学时：9面向专业：电气工程及其自动化大纲执笔人：郗忠梅大纲审定人：李有安一、说明1、课程的性质和目的《电机与拖动》是电气工程及其自动化专业的一门必修的专业基础课。
本课程的主要任务是使学生掌握变压器、交流电机和直流电机的基本知识、基本理论、基本计算方法和一般运行分析问题以及电力拖动系统的运行情况，为后续专业基础课和专业课的学习打好必要的基础。
电机实验是本课程的重要教学环节。
通过实验可对变压器和各类电机的工作特性，基本原理和理论计算加以验证，使学生掌握电机基本实验的原理和方法，初步掌握对电机进行一般操作的动手能力和对实验数据的分析能力，并提高实验技能和熟练程度。
2、课程教学的基本要求理论知识方面：本课程宜安排学生在学完电路、电子等有关基础课程之后的第四学期，内容上注意与以上学科的衔接，课堂教学应力求使学生理解基本概念，掌握基本内容。
实验技能方面：熟练掌握电工仪表的使用方法和各种电机线路的正确接线方法等。
3、课程教学改革总体设想：在有限的教学时间内尽可能多传授给学生有关电机学方面的理论知识。
为了与后继课程的连续性，多增加同步电机的理论知识的讲述学时数。
二、教学大纲内容（一）课程理论教学第一章绪论（2学时）第一节教材内容与课程性质第二节本课程常用的物理概念和定律本章重点、难点：1、安培环路定律2、变压器电动势。
建议教学方法：在教学方法上要力求少而精，采用启发式与形象化相结合。
思考题：1、变压器和电机的磁路常采用什么材料制成，这种材料有哪些主要材料？2、磁滞损耗和涡流损耗是什么原因引起的？它们的大小与哪些因数有关？第二章电力拖动系统动力学（2学时）第一节电力拖动系统转动方程式第二节负载的转矩特性与电力拖动系统稳定运行的条件负载的转矩特性、电力拖动系统稳定运行的条件。
本章重点、难点：电力拖动系统稳定运行条件。
建议教学方法：在教学方法上要力求少而精，采用启发式与形象化相结合。
电动机
5.1.3 交流电机绕组
2 最简单的交流绕组 （1）构成特征 1) 在一定导体数下，获得较大的基波电动势和基波磁动势， 合成电动势和合成磁动势的波形要接近于正弦波； 2) 对三相绕组、对基波而言，各相的电动势和磁动势要对 称，即三相感应电势大小相等、相位上互差120º时间电角 度、三相阻抗相等； 3) 绕组的铜耗要小，用铜量要省；绝缘要可靠，机械强度、 散热条件要好，制造要方便。
τ=
或
πD
2n p
（弧长）
(5.1-1)
τ=
360 n p 2n p
， = 180 （电角度） 或 τ =
z1 （槽数） 2n p
式中, D 为定子铁心内径； z1 为定子铁心槽数。
Y Y C
(3) 节距 y ：一个线圈的两个有效边所跨定子内圆上的圆弧为节距。一 般节距 y 用槽（距）数表示，也可以用电角度表示。 当 y = τ 时，称为整距绕组；显然，在本节前面介绍过的绕组都是 整距绕组， 5.1.14a)则为两极 12 槽的整距绕组， 图 其极距与节距均为 6。 当 y < τ 时，称为短距绕组，图 5.1.14b)是两极 12 槽的短距绕组，其节 距为 5；当 y > τ 时，称为长距绕组。长距绕组端部较长，浪费铜，故 一般不采用。 (4) 槽距角 α1 ：相邻两槽之间的电角度称为槽距角 α1 。
C Y X A Z C B Y A X B Z
1 交流绕组的作用
图 5.1.9 三相绕组的外观图
(1) 流入定子电流，建立旋转磁场。 (2) 产生感应电动势。只要电机中存在旋转磁场，它必然 会切割固定不动的定子绕组，于是在其中产生感应电动 势。实际上，正是由于在电动机中有感应电动势出现，电 能才能转换为机械能。在发电机中，正是由于有感应电动 势出现，机械能才能转换为电能。
《2011年10月电机与拖动基础》习题选
《电机与拖动基础》习题选电力拖动(1)5-1他励直流电动机的铭牌数据：P N=1.75千瓦,U N=110伏,I N=20.1安,n N=1450转/分，试计算：（1）固有特性曲线，并用坐标纸画出；（2）50%额定负载时的转速；（3）转速为1500转/分时的电枢电流值。
5-2 他励直流电动机的铭牌数据同上，试计算磁通为80%额定值、电枢电压为50%U N时的人为特性，并用坐标纸画出。
5-3他励直流电动机的数据：P N=10千瓦;U N=220伏;I N=53.7安,n N=3000转/分；试计算：（1）固有特性；（2）当电枢电路总电阻为50% R N ()时的人为特性；R N=U N/I N（3）当电枢电路总电阻为150% R N时的人为特性；（4）当电枢电路端电压U=50% U N时的人为特性；（5）当磁通为80%额定值时的人为特性。
并作出其机械特性图。
5-4 一台他励电动机数据如下：P N=21千瓦,U N=220伏,I N=112安,n N=950转/分（1）若负载转矩为0.8T N时，求电动机转速；（2）若负载转矩为0.8T N时，在电枢电路中串联30%R N附加电阻，求电阻接入瞬间和转入新的稳态时的转速、电枢电流和电磁转矩；（3）若将电枢电压降低至额定电压的20%，磁通为额定磁通的70%，求额定负载时电机的转速。
5-5一直流电动机有下列数据：U N=220伏,I N=40安,n N=1000转/分，电枢电路总电阻R a=0.5欧，当电压降到180伏，负载为额定负载时，求：（1）电机接成他励时（励磁电流不变）的转速和电枢电流；（2）电机接成并励时（励磁电流随电压正比变化）的转速和电枢电流（设铁心不饱和）。
5-6他励电动机铭牌数据：P N=2.5千瓦，U N=220伏，I N=12.5安，n N=1500转/分，R a=0.8欧。
（1）运行中在n=1200转/分时使系统转入能耗制动停车，问保证起始制动电流为2I N时，电枢应串入多大电阻？如电枢不接入制动电阻，则制动电流为多大？（2）若负载转矩为位能转矩，要求在T2=0.9T N时保证电机以120转/分的转速能耗制动稳速下放重物，问所需制动电阻为多大？（3）绘出上述两种情况的机械特性。
电机与拖动基础答案(第四版)6-12章
图 6.1 6.4 交流电机电枢绕组的导体感应电动势有效值的大小与什么有关？与导体 在某瞬间的相对位置有无关系？ 答 根据一根导体基波电动势有效值的计算公式 Φ 可以知道， 它与交流频率 及气隙每极基波磁通量 Φ 的大小成正比，与导体在某瞬 间的相对位置无关。 6.5 六极交流电机电枢绕组有 54 槽，一个线圈的两个边分别在第 1 槽和第 8 槽， 这两个边的电动势相位相差多少？两个相邻的线圈的电动势相位相差多少？画 出基波电动势相量图，并在相量图上计算合成电动势，从而算出绕组短距系数 和分布系数。 答 电机的槽距角为 α 空间电角 度。一个线圈的两个边分别放在第 1 槽和第 8 槽，相距 7 个槽，节距 α 空间电角度)，因此，这两个边的电动势相
ww 学 生 w. dx 必 sb 备 b.c 网 om
大
(5)
最大幅值为 F 的两极脉振磁通势，空间正弦分布，每秒钟脉振 50 次。可
以把该磁通势看成由两个旋转磁通势 和 的合成磁通势：旋转磁 通势幅值 和 的大小为，转向，转速为 极数为，每个瞬间 与 的位置相距脉振磁通势 F·的距离（电角度）. (6) 三相对称绕组通入电流为 ω ω ω 。合成磁通势的性质是, 转向是从 绕组轴线转向转向。若 f=ω π 电机是六极的，磁通势转速 为 。当 ω 瞬间，磁通势最大幅值在轴线处。 (7) 某交流电机电枢只有两相对称绕组，通入两相电流。若两相电流大小相等， 相位差 电机中产生的磁通势性质是。若两相电流大小相等，相位差 磁通势性质是。若两相电流大小不等，相位差 磁通势性质 为。在两相电流相位相同的条件下，不论各自电流大小如何，磁通势的性质为. (8) 某交流电机两相电枢绕组是对称的，极数为 2。通入的电流 领 ，合成磁通势的转向便是先经绕组轴线转 电角度后到绕 先 组轴线,转速表达式为 (9) 某三相交流电机电枢通上三相交流电后，磁通势顺时针旋转，对调其中的 两根引出线后，再接到电源上，磁通势为时针转向，转速变。 (10) 某两相绕组通入两相电流后磁通势顺时针旋转，对调其中一相的两引出线 再接电源，磁通势为时针旋转，转速变。 答 (1) 9.66; π 脉振； 两极，50 次； 12F，相反，3000, 2，相等； 旋转磁通势， 、C、 相绕组； 圆形旋转磁通势，椭圆形旋转磁通势，椭圆形旋转磁通势，脉振磁通势；
对电机进行的电磁场分析
c os5
Fy5 cost cos 5
分布元件组的脉振磁势
1 多相绕组的脉振磁势
设一个元件组由q个整距元件组成。相邻两元件之间相差一个槽距角 ，因此元件、 的矩形磁势波在空间位置上也彼此位移电角 。q个矩形波叠加起来为一阶梯波.
R
Fq1
q
Fq1
2R sin
q
2
Fy1 2Rsin2
Fq1 2Rsinq2
谐波磁通势的绕组系数
kdp kd k p <1
只要设计得合适，就能够大大削弱各次谐波磁通势，使得 磁势的输出波形更接近正弦波。
二 三相电枢绕组产生的磁通势
取A相绕组的轴线处作为空间坐标的原点，并以正相序方向作为x的正方 向；同时选择A相电流达到最大值的瞬间为时间的起始点。
A、B、C三个相的基波磁通势表达式为：
f A1 F1 cos t cos
Y
fB1 F1 cos t 120o cos 120o
A
f
fC1 F1 cos t 240o cos 240o
O
Z
coscos 1cos( )cos( )
2
C
X
x
B
三相绕组的基波合成磁动势
f A1 F1 cost cos
1 2
四 同步电动机
1 同步电动机的基本工作原理 2 同步电动机的主要结构 3 同步电动机的电磁关系 4 交流绕组的磁势 5 同步电动机的功率及转矩
§1 同步电动机的基本工作原理
一、三相同步电动机原理
三相同步电动机属于一种交流电机。
它的定子由三相对称绕组组成。当通入三相对称电流时，产生旋转磁
⒉ 电枢电流I 滞后于励磁反电动势E0 一个锐角时的电枢反应
电枢绕组
2 下左右两图，电枢中有感应电动势吗？
有电流吗？有安培力吗？方向如何？该力 产生的电磁转矩方向如何？与转速方向相 同吗？ 3 下左，右图有电磁转矩吗？方向如何？ 转速有可能趋于平稳（匀速）吗？
T
以他励分析
1 外力拖动—产生感生电动势—产生电流—产生安培力—产生电磁转矩（与
外力平衡）
有效边在下层边，另一个有效边必须在上层边。槽数Z 磁极数2 p
(槽）
❖ 电机中每个磁极所占的电枢周长方向的长度值。
电枢的周长 D
磁极数2 p
(m)
6.节距（槽数）
第一节矩y1，如图; 第二节矩y2，如图; 合成节矩y，如图。
叠绕组：y = y1 - y2
单波绕组的规律是相邻联接的两个元件的形状恰似波浪形。
叠绕组
波绕组
叠绕组：y = y1 - y2 单叠右行 y = + 1 ；单叠左行 y = - 1
波绕组：y = y1 + y2
以16槽为例
电
枢
绕
N
S
组
展
开
图
_
A+
B
单波绕组展开图如下：a) 部分展开
结论 ❖ 1.所有的直流电机的电枢绕组总是自成闭路。 ❖ 2.对于单叠绕组来说，支路数（2a）= 磁极数(2p)
元，称为元件。
第一节距（y1）：元件的跨距（一个元件边到另一个元件
边的距离，常用所跨的槽数表示）称为第一节距,其值经
常等于或者接近一个极距τ。
y1
换向器节距（yc）：上层元件边与下层元件边所连接的两
个换向片之间的距离称为换向器节距。
❖ 三、叠绕组和波绕组的规律叠绕组波绕组
单叠绕组的规律是相邻联接的两个元件互相交错地重叠。多 相邻元件依次串联，同时每个元件的引线端依次焊接到相 邻的换向片上最后形成闭合回路。
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v
1, 3, 5
1 1 系数Cv为： C v iN y sinv 2 v 2 把v=1,3,5,…以及 i 2 Icos t 带入上式得： 4
41 41 1 Fy ( , t ) 2 IN y cos tcos( )2 IN y cos tcos(3 ) 2 2 3 41 1 2 IN y cos tcos(5 ) 2 5 f y1 f y 3 f y 5
（2）当 t / 2 时，磁通势最小，即 Fy 0 （3）当 t 时，磁通势为负的最大，即 Fy Fym ( 2 / 2)N y I 同样在N极下面也有同样的规律。因此，整距线圈通以正 弦交流电时所产生的磁通势任何瞬时在空间分布为矩形波，其
波形幅值随电流交变而变化，这样的磁通势为脉振磁通势。
一、整距线圈的磁通势
X2
N
A2
fY
S
A1
fy
X1
S
2
·0
A1
1 iN 2 y
X1 2
A
2
·2
X2
3 A1
·
N 如图为四极电机绕组以及某瞬时流过电流产生的磁通势沿圆周 方向空间分布。矩形分布的脉振磁通势表达式为： 1 1 f y iN y 2 IN y cos t
由Nyi=2Fy，因此 Fy=Nyi/2。同一线圈两线圈边左右产生的磁通 势方向相反，周期为2π。
展开方向
设把电动机沿A绕组轴线剖开并展平，得到矩形波磁通势。
磁压降，则线圈磁通势完全降落在一条磁路的两个相同气隙上。
S
定子 转子
fY
A
fy
X
2
A
·
1 Fy = IN y 2
0
2
X
3 2
·
A
转转
1 ; Fyv Fy1 v
一、整距线圈的磁通势
当设 cos t 1 时用傅立叶级数展开矩形波，可得一系列谐波。 而高次谐波的次数越高，幅值越小。除了基波外一般只考虑3、 5、7、9次谐波。
把以2τ 为周期的 矩形磁动势波用 傅氏级数分解
一、整距线圈的磁通势
（2）基波及各次谐波磁通势的极对数
第17讲 交流电机单相绕组的 磁通势
一、整距线圈的磁通势
二、短距线圈的磁通势 三、分布线圈的磁通势 四、分布短距对气隙磁通势的影响 五、单相绕组磁通势
不同介质中的磁通势（磁压降）
如右图所示的系统，其中铁芯截面积A=100cm2，磁导率μc=2000 μ0，铁芯的平均长 度=(长+宽)*2-气隙长度=2*(40+30)-0.2=139.8cm，线圈匝数N=200，通入电流I=12A。 确定铁芯和气隙中的磁动势F（也称作磁压降）：
一、整距线圈的磁通势
fy1为基波磁通势，有
f y1 41 2 IN y cos tcos( ) Fy1cos tcos( ) 2
fy3为三次谐波磁通势，有
f y3
41 1 1 2 IN y cos tcos(3 ) Fy 3cos tcos(3 )= Fy1cos tcos(3 ) 2 3 3
一、整距线圈的磁通势
j
fY
I
I
j
fY
j
fY
30
60
·
0
·
·
0
·
I
·
0
·
(a) t 0
2 2 1 1 3 f y iN y 2 IN y cos t 2 2 2 2 2 2
0
一、整距线圈的磁通势
脉振磁通势：空载间位置固定，幅值随时间在正、负最大值
之间交变的磁通势。
一、整距线圈的磁通势
3、磁通势的展开
用傅立叶级数展开矩形波，可得一系列谐波，该矩形波仅含有 奇次波。
Fy5为五次谐波磁通势，有
f y5 41 1 1 2 IN y cos tcos(5 ) Fy 5cos tcos(5 )= Fy1cos tcos(5 ) 2 5 5
此外，还有七次、九次等高次谐波。 下面分析基波及各次谐波磁通势的特点 （1）基波及各次谐波磁通势的最大幅值 1 1 由上面可以看出： Fy 3 Fy1; Fy 5 Fy1; 3 5
基波磁通势的极对数与原矩形波磁通势的极对数相同，三 次谐波磁通势的极对数是基波的三倍；五次谐波磁通势的极对 数是基波的五倍，以此类推。
（3）基波及各次谐波磁通势幅值随时间变化的关系
他们的幅值都随时间按电流的变化规律而变化，在时间上，都
当电流随时间按余弦规律变化时，不论基波还是谐波磁通势，
为脉振波。
下面给出了不同瞬间整距线圈的电流和它产生的矩形波脉 振磁通势及其基波脉振磁通势。
一、整距线圈的磁通势
1、线圈通以直流电时
假设线圈A通直流电，其值为I。由全电流定律得:
Hdl i N
展开方向
y
i
铁心磁力线的分布是以线圈的中心为轴对称分布，如下图。
定子
1 Fy = IN y 2
S
fY
A
转子
fy
Xபைடு நூலகம்
2
A
·
0
2
X
3 2
·
A
转转
转转
0
N
一、整距线圈的磁通势
因为与空气隙相比，铁心磁阻要小得多，忽略定、转子铁心的
Hdl i N
y
i
F=NI=200*12=2400(安匝) Fcore=621.6（安匝） Fgap=1778.4(安匝)
一、整距线圈的磁通势
磁通势：指的是绕组里的全电流或安培数。
注意：交流绕组的磁通势分析要考虑以下几个方面的问题： 1、绕组在定子空间的所在位置，也就是该绕组电流在空间 的分布，即电流在空间分布问题。 2、绕组流过的电流在时间上是如何变化的？不同时刻大小 不一样，在同一空间，随时间不同，磁通势也不一样。 即交流绕组产生的磁通势即是空间函数，又是时间函数。
转转
0
N
一、整距线圈的磁通势
2、线圈通以交流电时
假设线圈A通电按余弦变化：i 2 Icost S极下面各气隙磁通势均为：f y 分析：
1 1 2 N y i N y 2 Icost N y Icost 2 2 2
（1）当 t 0 时，磁通势为正的最大值，即 Fy Fym ( 2 / 2)N y I