交流电机旋转磁场的教学研究

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

较抽象，学生对这一概念的理解是较困难。如果在本知识点的教学中，设计研究性训练教学环节，让学生利用电磁场有限元数值计算软件，对交流电机的电磁场进行分析计算来深入理解旋转磁场的性质，就可帮助学生真正的建立起旋转磁场的概念。

本次研究性训练中应用Anosoft公司的电磁场数值计算软件Maxwell SV（学生版）进行电磁场的求解［3］。学生在先修课程“工程电磁场”中，已经对该软件有初步的了解和掌握。通过本次研究性训练可以使学生把电磁场理论知识应用到“电机学”的学习中，用形象的磁力线分布来认识抽象的旋转磁场。在应用软件的过程中通过电机的二维建模可以使学生对电机的结构、绕组的分布有直观的认识。这一专题的研究也可以促进学生对电磁场知识的回顾和理解。

1旋转磁场分析方案设计

电机的分析过程如下：首先根据电机的结构尺寸数据，画出电机截面图模型；然后确定电机材料属性，有限元计算的边界和激励源参数，最后设定求解参数，并设置求解器，进行有限元网格剖分，有限元网格可以是自适应剖分和手动剖分；开始有限元计算；最后进行后处理［4］。

在本次研究性训练中，要通过对一台三相交流电机的电磁场进行分析计算，让学生自己归纳出旋转磁场的规律。在这一训练中，通过计算交流电机在一个周期中不同通电时刻电机磁场的分布，总结出随时间推移气隙磁场在空间旋转的规律；从改变电流相序引起旋转磁场转向改变这一现象理解磁场转向与电机电流相序的关系；分析电机通单相交流电产生磁场，明确脉振磁场与旋转磁场的不同；分析多对极电机的旋转磁场，明确旋转磁场转速与电机极数、电流频率的关系。

一个简单的两极三相交流电机基本参数如下：定子外径120mm，定子内径90mm，转子外径80mm，定子内表面上均布6个导体，导体直径为4mm，转子无齿槽，为光滑转子。定子转子铁心材料为铁，其相对磁导率为3000（为简单起见，采用线性磁化曲线），定子导体为铜。

定子绕组通以三相交流电，相序为A-B-C，其中

电流幅值I

m 为500A，频率f为50Hz。

2旋转磁场的计算与结果分析

2．1电流相序对旋转磁场影响的分析

针对这个专题，让学生进行下述的计算。先令

电流相序为A-B-C，在一个通电周期内选取六个时

刻，计算各相电流的瞬时值，给各绕组分配相应的

电流值。计算每个时刻下磁场的分布，画出磁力线

分布图。指出磁场旋转的方向，磁场幅值位置的变

化规律。然后改变通电相序，为A-C-B，在一个通电

周期内选取六个时刻，计算每个时刻下磁场的分

布，指出磁场旋转的转向。比较电流在正反两种相

序下旋转磁场的转向的变化。

通过这一环节的训练，学生会了解到三相交流

绕组通以对称三相交流电流时，会产生旋转磁场，

如图1所示。图中为在相序为A-B-C时一个通电周

期内交流电机磁场的变化情况，旋转磁场的方向是

逆时针方向。当哪一相电流最大，旋转磁场的轴向

就在哪一相绕组的轴线上

。

图1电流正序时的一个周期内磁场的变化

图2为在负序电流（即相序为A-C-B）时一个通

电周期内交流电机磁场的变化情况，旋转磁场的方

向是顺时针方向。

经过上述的计算，学生可以掌握旋转磁场的特

点。通过比较两种相序下的旋转磁场变化规律，可

以直观的总结出改变电流相序可以改变旋转磁场

的方向

。

图2电流负序时的一个周期内磁场的变化

2．2单相交流电产生脉振磁场的分析

为了帮助学生了解脉振磁场特点，设计了下面

的计算方案。令A相通有交流电流，而另外两相电

流为零，计算一个周期内不同时刻下电磁场的分

布，画出磁力线。比较各个时刻下的场图分布，指

出磁场的轴线的位置，以及磁场大小的变化规律。

图3为只有A相通电，一个周期内四个时刻下

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第5期刘瑞芳：交流电机旋转磁场的教学研究