交流电机旋转磁场的教学研究
交流电机旋转磁场的教学研究
机内能量转换有重要 的作用 －。旋转磁场是 电机 １ ］
（） ３ 哪一相电流最 大， 磁场 幅值就在该相 电流
线 圈的轴线 上 ；
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
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 ， 总结 出旋转磁场的规律。这种研究 ） 归纳 ￣ｉ 练促进 了学生对交流电机旋转磁场理论 的理解 。 Ｉ Ｉ 关键词 ： 交流 电机 ； 旋转磁场 ； 电磁场计算
第３卷 ３
第 ５期 Leabharlann 电气电子教学学报 Ｊ ＵＲＮＡＬ ０ Ｅ Ｏ Ｆ ＥＥ
Ｖ０． ３ Ｎｏ ５ １３ ． ０ｃ ． ０ １ ｔ２ １
２１ ０ １年 １ Ｏ月
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 １０ ４ ） ０ ０４
，
ｓｕｄ ｎ ｓ ｃ ｌｕ ａｅ ｔ ｅ ｔ ｅ ｔ ａｃ ｌ ｔ ｈ
，
ｉ ｄ ｏ ｉ ｄ ｎ ｓａ ｄ ａ ａ ｙ ｅ ｔ ｅ ｃ ａ ａ ｔ ｒ ｉ ｆｒ ｔｔ ｇ ｅｉ ｆ ｌ ｆ ｌ ｆＡＣ ｗ ｎ ｉ ｇ ｎ ｎ ｌｓ ｈ ｈ ｒ ｃｅ ｉｔ ｓ ｏ ｏａ ｉ ｇ ｍａ ｎ ｔ ｅｄ，ｐ ｌ ｔ ｅ ｄ ａ ｄ ｍｕ ｔ． ｏｅ ｆ ｌ ｅ ｓｃ ｎ ｃｉ ｕ ｓ ｅ ｆ ｌ ｎ ｌ ｐ ｌ ｅｄ ａ ｉ ｉ ｉ
三相异步电动机中旋转磁场的产生机理同步转速和转差率
三相异步电动机中旋转磁场的产生机理同步转速和转差率Title: 三相异步电动机中旋转磁场的产生机理、同步转速与转差率Introduction:三相异步电动机是工业中广泛应用的一种电动机，它的工作原理基于旋转磁场的产生和同步转速与转差率的关系。
在本篇文章中，我们将深入探讨三相异步电动机的工作原理、旋转磁场的产生机理以及同步转速和转差率对其性能的影响。
1. 三相异步电动机的工作原理三相异步电动机是利用交流电的三相对称性来驱动的一种电动机。
它由定子和转子两部分组成。
定子上的三个线圈分别与来自三相电源的电流相连，形成一个旋转磁场。
转子上的绕组通过电磁感应作用与旋转磁场发生相互作用，从而产生力矩并实现转动。
2. 旋转磁场的产生机理旋转磁场是三相异步电动机能够正常运行的重要因素。
它由三个相位的电流在定子线圈中产生的磁场叠加形成。
三相电流的相序和大小决定了旋转磁场的方向和强度。
通过合理调节三相电流的相位和大小，可以使得旋转磁场的速度与理想的同步转速相匹配。
3. 同步转速和转差率的定义同步转速是指当三相异步电动机与理想的旋转磁场同步运行时，转子的旋转速度。
它与电源的频率和极对数有关。
同步转速的计算公式为：同步转速 = 120 * 频率 / 极对数。
转差率是指实际转速与同步转速之间的差异。
转差率的大小反映了三相异步电动机运行时的性能稳定程度。
4. 同步转速和转差率的影响因素同步转速和转差率对于三相异步电动机的性能至关重要。
电源的频率决定了同步转速的大小，通过控制电源的频率可以调节同步转速。
极对数的选择也会影响同步转速的大小。
更多的极对数意味着更低的同步转速。
转差率的大小直接关系到三相异步电动机的负载承受能力和运行效率。
5. 个人观点与理解三相异步电动机作为工业领域中最常见的电动机之一，在实际应用中发挥着重要作用。
通过了解旋转磁场的产生机理，我们可以更好地理解该电动机的运行原理。
同步转速和转差率则提供了评估其性能的重要指标。
第06章-交流电机的旋转磁场理论
-11-
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。
-13-
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
-8-
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。
电机第十一章交流电机绕组的磁动势和气隙磁场
线圈 2，上层边 2→下层边 2`。 2`与 1 位于相邻槽。
短距线圈的磁动势波形
把上层边 1、2 看成一个单层整距 线圈，产生的磁动
转子 定子
势为 F
2`
F
把下层边 1`、2`
看成一个单层整距线圈，
产生的磁动势为 F
y1 1
1`
fk iN K
2
F
X
X
短距线圈的磁动势最
方波磁动
势分解为
余弦基波 余弦三次谐波
余弦五次谐波
余弦基波→一相分布绕组 q 个线圈磁动 势可用矢量叠加，三相绕组磁动势也可用矢 量叠加。
三相基波
三相磁动势 三相谐波
合成总的磁动势
① 为什么方波磁动势要用傅氏级数展开？
用傅氏级数把方波磁动势分解为基波和各次谐波。
y1
f km
·
f k1m
4
60
2f p 2n1
60
速度为：
60 f n1 p
通常称为同步转速
6、当某相电流达到最大值时，三相合成基波 旋转磁动势的正幅值正好位于该相绕组的轴 线处。
t 0
A
fC fB f A fA
f B
B fC
C
t 120
A
fC fB f A
f B
B
•
0
磁动势由定子 → 气隙→转 子为正值。 磁动势由转子 →气隙→ 定子为负值。
•
f ()
0
2
转子
定子
1 2 NKi
1、单层整距线圈的磁动势波形为方波
~
22
f ( )
fk
三相交流电产生的旋转磁场
三相交流电产生的旋转磁场Three-phase Rotating Magnetic Field应用最广泛的电动机就是三相交流电动机，三相交流电动机是用三相交流电产生的旋转磁场来带动电机转子旋转的。
三相交流电由A、B、C三相组成，按每个交流周期360度算，每相间距120度，下面是三相交流电波形图，黄色为A相波形，绿色为B相波形，红色为C相波形，我国使用的三相交流电频率是50赫兹。
图1--三相交流电波形图三相交流电通过三相绕组来产生旋转磁场，三相绕组由三个嵌在电动机定子铁芯上的线圈组成，下面是一个三相交流电动机模型的定子，在定子内圆有6个嵌线槽，分别嵌有A、B、C三相线圈，三个线圈按120度分布，黄色线框AX是A相线圈，绿色线框BY是B相线圈，红色线框CZ是C相线圈。
线框的A、B、C端为线圈入端，X、Y、Z端为线圈出端。
图2--三相绕组示意图在三个线圈通上三相交流电后，在定子铁芯中间会形成一个旋转磁场，下图展示三相交流电与旋转磁场的动画截图。
在A相线圈端口输入的是A相电流IA，在端口有箭头标明电流的方向；在B相线圈端口输入的是B相电流IB，在端口有箭头标明电流的方向；在C相线圈端口输入的是C相电流IC，在端口有箭头标明电流的方向。
在定子铁芯中间有A相电流形成的黄色磁场箭头，其长度代表磁场强度，指向为磁场的方向；同样绿色与红色箭头分别代表B相与C相的磁场强度与方向；紫蓝色的箭头是A、B、C三相的合成磁场，其长度代表磁场强度，指向为磁场的方向。
在动画中可看到三相电流的变化、三相磁场的变化及合成的旋转磁场。
这里展示五幅截图，以A相起点为0度，图3是0度时的截图：图3--三相交流电与旋转磁场动画截图（0度）图4是105度时的截图：图4--三相交流电与旋转磁场动画截图（105度）图5是180度的截图：：图5--三相交流电与旋转磁场动画截图（180度）图6是255度的截图：图6--三相交流电与旋转磁场动画截图（225度）图7是300度的截图：图7--三相交流电与旋转磁场动画截图（300度）交流电每变化一周磁场旋转一周，输入的三相交流电是50赫兹，产生的旋转磁场是每秒50周。
交流电机的旋转磁场
3 收稿日期:2000-01-06交流电机的旋转磁场马树元(广西大学物理系,广西 南宁 530004) 摘 要 用矢量分解和合成的方法阐明三相交流电机旋转磁场的产生,进而解释两组绕组旋转磁场及单相电机的起动问题。
关键词 交流电机;绕组;旋转磁场中图分类号:TM301 文献标识码:A 文章编号:1003-7551(2000)01-0027-03旋转磁场是交流电机的一个基本问题。
大多数《电工学》教材[1,2]在讲述三相异步电机旋转磁场的形成时,都是画出电机定子三相绕组及电流波形的示意图,利用右手螺旋定则给出几个瞬间合成磁场的方向,籍以解释旋转磁场的形成。
这种讲法比较笼统,难以解释合成磁场的转向和幅值等问题。
有些《电机学》教科书在引入空间电角度的概念后,用解析法导出基波磁势的方程[3]。
这种讲法用到的数学工具较多,在《电工学》中讲授有一定困难。
利用矢量分解和合成的方法可以清楚地说明旋转磁场的形成,学生也容易理解接受。
以p =1(二极)电机为例。
1 单相脉动磁场的分解图1 单相脉动磁场的分解事实上,每相绕组中通过正弦交流电时,就产生在空间按正弦分布且随时间按正弦变化的脉动磁场。
考察沿绕组轴线的磁场,它在空间保持固定位置,大小按正弦规律变化。
这个脉动磁场可分解为两个大小为脉动磁场幅值B m 的一半,旋转速度等于电源的角频率ω,旋转方向相反的旋转磁场。
证明如下:如图1所示,令脉动磁场B →的方向为y 方向,设电流瞬时值满足i =I m sin (ωt )(1)则B =B m sin (ωt )(2)在t 时刻,顺时针旋转的旋转磁场B ′→与x 轴的夹角为π-ωt ,逆时针旋转的旋转磁场B ″→与x轴的夹角为ωt ,B ′=B ″=12B m 。
由图可见,其合成磁场亦沿y 方向且大小等于B =B ′m sin (π-ωt )+B ″m sin (ωt )=B m sin (ωt )(3)可见B ′→和B ″→的矢量叠加就是B →。
电机与电气控制教案第二章.三相异步电动机
教案授课日期9.14 授课班级12中机授课课时 2课时授课形式讲授授课章节名称2.1 三相异步电动机的基本结构2.2 三相异步电动机的基本原理使用教具投影仪教学目的1.掌握电动机旋转磁场是如何产生的2.掌握三相异步电动机的转动原理3.掌握转差率的概念教学重点旋转磁场的产生和转动原理教学难点同上更新、补充、删减课外作业1.旋转磁场是如何产生的？2.电动机的同步转速和异步转速概念3.什么是转差率，在电动机正常运行的时候转差率是多少？教学后记三相交流异步电动机是怎么转动起来的？为什么给电动机通上电就能使他转起来？这节课结合电磁学的相关知识来学习三相异步电动机的基本原理，但首先要熟悉电磁方面的厂家知识、定律。
授课主要内容或板书设计2.1三相异步电动机的工作原理2.2.1旋转磁场的产生2.2.2三线异步电动机的工作过程课堂教学安排教学过程主要教学内容及步骤组织教学复习提问新授此处学生较为难理解，对学生理论知识的支撑要求较高。
点名，整顿纪律1.变压器常见的故障有哪些？2.三相变压器连接方式的区别和特点。
2.2 三相异步电动机的工作原理2.2.1旋转磁场的产生下面用简单、形象的图解法来分析旋转磁场的形成，以加深对三相交流绕组旋转磁场的理解。
(1)用图解法分析旋转磁场的步骤绘出对称三相交流电流的波形；选定几个瞬时，并将各瞬时电流的实际方向标示在三相绕组中；根据右手螺旋定则，确定各瞬间合成磁通势的方向；观察各瞬时合成磁通势的方向，能形象地看到磁场在旋转。
(2)过程分析图4.7为用图解法分析旋转磁场的电机绕组结构图。
图中交流电机的定子上安放着对称的三相绕组U1-U2、V1-V2、W1-W2。
三相对称交流电流的波形如图4.8所示。
假定电流从绕组首端流入为正，流出为负；末端流出为正，流入为负。
电流的流入端用符号表示，流出端用符号⊙表示。
对称三相交流电流通入讲授合成磁场时必须先让学生掌握楞次定律、电磁感应定律和右手螺旋定则对称三相绕组时，便产生一个旋转磁场。
定子旋转磁场的旋转速度和转子的旋转速度
定子旋转磁场的旋转速度和转子的旋转速度1.引言1.1 概述概述在电机领域中，定子旋转磁场的旋转速度和转子的旋转速度是两个重要的概念。
定子旋转磁场的旋转速度是指在交变电压的作用下，电机定子上所产生的磁场绕着定子的旋转速度。
而转子的旋转速度则是指电机转子在电磁力的作用下，绕着轴心旋转的速度。
在电机的运行过程中，定子旋转磁场的旋转速度和转子的旋转速度密切相关。
定子旋转磁场的旋转速度直接影响到电机的运行效果和性能，而转子的旋转速度则决定了电机的输出功率和转动力矩。
本文将分别从定子旋转磁场的旋转速度和转子的旋转速度两个方面进行详细探讨。
首先，我们将介绍定子旋转磁场的概念和原理，解释其形成和旋转的机制。
接着，我们将探讨定子旋转磁场的旋转速度受到哪些因素的影响，以及这些因素对电机性能的影响。
然后，我们将介绍转子旋转速度的定义和测量方法，以及转子旋转速度所受到的影响因素。
最后，我们将总结定子旋转磁场的旋转速度与转子的旋转速度之间的关系，并得出结论。
通过深入研究定子旋转磁场的旋转速度和转子的旋转速度，我们可以更好地理解电机的工作原理和性能特点，为电机的设计和应用提供参考和指导。
同时，对于电机相关领域的研究和发展也具有一定的指导意义。
接下来的章节中，我们将对定子旋转磁场的旋转速度和转子的旋转速度进行详细的探讨和分析。
1.2文章结构文章结构部分的内容可以包括以下内容：1.2 文章结构本篇文章主要分为引言、正文和结论三个部分。
具体的结构如下：引言部分包括概述、文章结构和目的三个小节。
首先，我们将概述定子旋转磁场的旋转速度和转子的旋转速度的重要性和应用领域。
其次，我们将介绍文章的整体结构，以便读者更好地理解文章的内容和逻辑。
最后，我们明确本文的目的，即研究定子旋转磁场的旋转速度与转子的旋转速度之间的关系。
正文部分主要包括定子旋转磁场的旋转速度和转子的旋转速度两个小节。
在定子旋转磁场的旋转速度部分，我们将首先介绍定子旋转磁场的概念和原理，解释定子旋转磁场是如何形成和作用于转子的。
交流发电机产生交流电的基本原理
交流发电机产生交流电的基本原理一、引言交流发电机是一种将机械能转化为电能的设备，它产生的电信号是交流电。
交流发电机的基本原理是通过旋转磁场感应导体内的电动势，从而产生电流。
本文将详细介绍交流发电机产生交流电的基本原理。
二、磁场和磁通量磁场是一种物理量，它描述了空间中磁力的存在和作用。
在磁场中，有一个重要的概念叫做磁通量，它表示通过一个平面或曲面的总磁场量。
单位为韦伯（Wb），符号为Φ。
三、法拉第定律法拉第定律是描述变化磁通量与感应电动势之间关系的物理定律。
根据法拉第定律，当导体内部被感应出来的磁通量发生变化时，就会在导体两端产生感应电动势。
四、交流发电机结构交流发电机由转子和定子两部分组成。
转子上有一组永久磁铁或者通过外部激励形成的旋转磁场，在定子上布置了若干个线圈，并且每个线圈都包裹在铁芯中。
五、感应电动势的产生当交流发电机的转子旋转时，它的永久磁铁或旋转磁场会在定子上产生变化的磁通量。
根据法拉第定律，这些变化的磁通量就会在定子线圈内产生感应电动势。
由于交流发电机是通过旋转磁场来产生电能的，所以它产生的电信号是交流电。
六、三相交流发电机三相交流发电机是一种常见的交流发电机类型。
它由三组线圈和三个相间120度的旋转磁场组成。
当转子旋转时，每个线圈都会在不同时间段内处于不同位置，从而使得每个线圈都能够感应到不同大小和方向的磁通量。
因此，三相交流发电机可以产生稳定且平滑的交流电。
七、总结本文详细介绍了交流发电机产生交流电的基本原理。
通过对磁场和磁通量、法拉第定律、交流发电机结构以及感应电动势等方面进行解释，我们可以更好地理解交流发电机如何将机械能转化为电能，并产生交流电信号。
交流电机的工作原理详解
交流电机的工作原理详解
交流电机是一种基于电磁感应原理而工作的电机，电流和电压在其回路中相互交替变化，从而转化为机械能。
以下是交流电机的工作原理详解：
一、电磁感应原理
电磁感应原理是交流电机工作的基础。
当导体在磁场中移动时，其内部会产生电流，此时可以将电能转化为机械能。
因此，交流电机的关键在于产生转动磁场，以便引起转子内的感应电流。
二、转子和定子
交流电机包含两个主要构造部分：定子和转子。
定子是由一系列线圈相互交错而成，每个线圈都与一个单独的相位关联。
转子一般采用导体材料制成，并固定在轴上。
三、旋转磁场
旋转磁场是各个线圈中电流的相对相位导致的。
在交流电源中，电流和电压的方向不断交替变化，因此在定子中的各条线圈中电流的极性也在不断变化。
这样就产生了一种不断变化的磁场，也就是所谓的旋转磁场。
四、感应电流
当旋转磁场与转子中的导体相遇时，由于磁场的变化，导体中就会产生感应电流。
这种感应电流导致了转子中的磁场与之相互作用，最终
导致转子产生一个扭矩以及运动。
五、转动力矩
由于定子中的三相线圈感应出了一个旋转磁场，因此，每一次转子中
的导体移动会感受到一个旋转磁场，导致转子内部产生一个旋转力矩。
这样的旋转力矩将导致转子一直运动下去，直到电机失去电源。
以上是交流电机工作原理的详细解释。
可以看出，交流电机是基于电
磁感应原理而工作，并且在产生旋转磁场的同时产生旋转力矩，最终
将电能转化为机械能。
三相交流电产生旋转磁场原理
三相交流电产生旋转磁场原理
三相交流电产生旋转磁场的原理是由三个相位的交流电流所引起的。
三相交流电由三个相位的正弦电流组成，每个相位的电流相位相差120度。
这三个相位的电流在空间上形成一个磁场，其中磁场的矢量随着时间的变
化而旋转，从而形成了一个旋转磁场。
在了解三相交流电产生旋转磁场的原理之前，我们先来了解一下磁场
的基本原理和电流的作用。
磁场是由电流产生的，当电流通过导线时，会生成一个环绕导线的磁场。
磁场的强度和方向主要由电流的大小和方向决定，具体符合右手螺旋
规则。
当这三个相位电流通过三个电机绕组时，每个电机绕组都会产生一个
磁场。
由于这三个相位电流的相位差，这三个磁场也存在相位差。
当电机绕组中的电流变化时，即电流的方向和大小发生变化，磁场也
跟随变化。
由于每个相位电流的正弦波形状的特性，电流变化导致所产生
的磁场随时间的变化也是正弦波形状。
这样，这三个磁场的变化会形成一个旋转磁场，具体环绕电机绕组。
这是因为不同的磁场在不同的时间点处于不同的相位，它们的合成将导致
一个旋转的磁场。
这个旋转的磁场进一步传递给电机的转子，使得转子在磁场的作用下
也出现旋转。
这样，通过在不同的相位电流的作用下，电机的转子会以一
定的速度旋转。
三相交流电产生旋转磁场的原理是基于对不同相位电流和磁场的合理组合。
这种组合使得磁场按照一定的速度旋转，从而产生旋转磁场。
这个旋转磁场进一步作用于电机的转子，使得转子旋转，并实现了动力传输和功效的实现。
旋转磁场
教案副页 授课内容
组织形式
精心整理
ω
t=0o
时，定子绕组中产生的磁场空间分布：
对应正弦交流电波形 图，让学生来分析此时各
上图中，p=2。当正弦交流电完成一个周期的变化时，
每一对磁极只转过半个圆周，相对于 P=1 时，转速减半。
由此可以看出转速与磁极对数成反比。
即 ns
60 f1 p
小结：
导体中的电流方向，再用 安培定则来判定这时磁场 的方向和极性。在学生分 析时及时给与他们提醒、 补充和鼓励、表扬。 导出公式后可让学生分 别计算 p=1,p=2,p=3,p=4 时
/分）
少转，导出计算公式。
极对数（P）的概念：
对照接线图和剖面图和
此种接法下，合成磁场只有一对磁极，则极对数为 1。 波形图说明磁极对数和绕
iA
A
组的关系。
iC C
iB
A
Y
iA
N
Z
A
Z
X
Y
B
X A'
C
iC
B
S
Z'
X'
C'
X
Y' Y
Z
B'
C 即：ห้องสมุดไป่ตู้=1
B
当每相定子绕组由两部分组成时，如下图：
iB
页脚内容
旋转磁场的形成、方向与相序的关系和转速。
教学难点
多级旋转磁场的定子绕组空间分布。
教具 多媒体教学课件，电动机模型，条形磁铁，支架，可自由转动的小磁针
1．利用实验及多媒体课件演示，不仅优化了教学节奏，而且增强了教学的直 观性，从而使学生达到深刻理解的目的。
电机学课件第11章旋转电机交流绕组的电势和磁势
端部漏磁通：匝联绕组端部的漏磁通
谐波漏磁通：谐波磁势会产生谐波磁通。电机正常运转时，谐波磁通 不会产生有用的转矩。尽管谐波磁通也能同时匝链定子和转子绕组， 也将其归入漏磁通。
漏电抗:漏磁通在定子绕组中感应漏磁电势,用漏抗压降表示: E1 jX1I1
转子绕组通过电流时，也会有漏磁通。对应的漏抗电势: E2jX2I2
三、影响漏电抗大小的因素
漏电抗对电机的性能有很大的影响。
电抗公式:
X2 fL2 fN 2 fNN i2 fN 2
i
i m m
即 电流频率、绕阻匝数、漏磁路的磁阻是决定漏磁通大小的主要因素。
比如，槽口宽则槽口漏磁通小；匝数多时，则端部漏磁通增大较多。
第11章 旋转电机交流绕组的电势和磁势
内容提要
❖旋转磁场是交流电机工作的基础。 ❖在交流电机理论中有两种旋转磁场：
(1)机械旋转磁场（二极机械旋转磁场，四极机械旋转磁场） (2)电气旋转磁场（二极电气旋转磁场，四极电气旋转磁场）
❖通过原动机拖动磁极旋转可以产生机械旋转磁场。 ❖三相对称的交流绕组通入三相对称的交流电流时会在电机的气隙空间 产生电气旋转磁场。 ❖两种旋转磁场尽管产生的机理不相同，但在交流绕组中形成电磁感 应的效果是一样的。 ❖交流绕组处于旋转磁场中，并切割旋转磁场，产生感应电势。
总串联匝数
N1
2 pqN y a
双层绕组要考虑到短距系数: E p 4 .4 4 f1 N 1 k q k y 1 4 .4 4 f1 N 1 k w 1
绕组系数：kw1= ky kq
5.本节小结：
❖正弦分布的以转速n1旋转的旋转磁场，在三相对称交流绕组中会感应 出三相对称交流电势。 ❖感应电势的波形与磁场分布波形相同，为正弦波。 ❖感应电势的频率为 f = pn/60（Hz） ❖每相电势的大小为 Ep1 =4.44 f N1Φ1Kw1 ❖绕组系数:kw1= ky kq, kq= sin(qα/2) / (q sinα/2) ,ky= cosβ/2
交流发电机的旋转原理解析
交流发电机的旋转原理解析做为柴油发电机组的电力部分发电机，常用的交流发电机有两种：三相异步发电机和单相交流发电机。
第一种多用在工业上，而第二种多用在民用电器上。
一、三相异步发电机的旋转原理三相异步发电机要旋转起来的先决条件是具有一个旋转磁场，三相异步发电机的定子绕组就是用来产生旋转磁场的。
我们知道，但相电源相与相之间的电压在相位上是相差120度的，三相异步发电机定子中的三个绕组在空间方位上也互差120度，这样，当在定子绕组中通入三相电源时，定子绕组就会产生一个旋转磁场，其产生的过程如图1所示。
图中分四个时刻来描述旋转磁场的产生过程。
电流每变化一个周期，旋转磁场在空间旋转一周，即旋转磁场的旋转速度与电流的变化是同步的。
旋转磁场的转速为：n=60f/P式中f为电源频率、P是磁场的磁极对数、n的单位是：每分钟转数。
根据此式我们知道，发电机的转速与磁极数和使用电源的频率有关，为此，控制交流发电机的转速有两种方法：1、改变磁极法；2、变频法。
以往多用第一种方法，现在则利用变频技术实现对交流发电机的无级变速控制。
观察图1还可发现，旋转磁场的旋转方向与绕组中电流的相序有关。
相序A、B、C顺时针排列，磁场顺时针方向旋转，若把三根电源线中的任意两根对调，例如将B相电流通入C相绕组中，C相电流通入B相绕组中，则相序变为：C、B、A，则磁场必然逆时针方向旋转。
利用这一特性我们可很方便地改变三相发电机的旋转方向。
定子绕组产生旋转磁场后，转子导条（鼠笼条）将切割旋转磁场的磁力线而产生感应电流，转子导条中的电流又与旋转磁场相互作用产生电磁力，电磁力产生的电磁转矩驱动转子沿旋转磁场方向以n1的转速旋转起来。
一般情况下，发电机的实际转速n1低于旋转磁场的转速n。
因为假设n=n1，则转子导条与旋转磁场就没有相对运动，就不会切割磁力线，也就不会产生电磁转矩，所以转子的转速n1必然小于n。
为此我们称三相发电机为异步发电机。
二、单相交流发电机的旋转原理单相交流发电机只有一个绕组，转子是鼠笼式的。
电机学-交流绕组电动势与磁动势
Ec1
y1 90
2E1k p1
4.44 fk p1Φ1
3、多匝线圈电动势 EC1(Nc 1) 4.44 fN ckp1Φ1
33
第三章 交流电机的绕组及其电动势与磁动势
3.3.3线圈组电动势和分布因数
Ec3 Eq1
αα
Ec1 Ec2 Ec3
E c 2
q α
αα
E c1
R
Eq1
电动势相量图
q=3的线圈组
为了使每个线圈 获得最大的电动 势，线圈的节距
应接近极距
1234567 8
A
X
10
第三章 交流电机的绕组及其电动势与磁动势
3.2.2交流绕组的基本概念
5、槽距角
相邻两槽之间的电角度为槽距角(α)
＝ p 360
Q
6、每极每相槽数
Q为定子槽数
每一个磁极下每一相绕组所占的平均槽数称为每极每相槽数(q)
f pn 60
单位为Hz。
7
第三章 交流电机的绕组及其电动势与磁动势
3.2.2交流绕组的基本概念
2、极距
相邻两个磁极轴线之间沿定子内圆周的距离称为极距
用电角度表示 为180
Y S C×
X
C× S×
Y
B× N
Z
用槽数表示 用长度表示
Q
2p
D
2p
A
×X A
A
Z
Y
×
ZN B
N×
B
×S
×
C
X
Q为定子槽数
双层有叠绕组，波绕组
6
第三章 交流电机的绕组及其电动势与磁动势
3.2.2交流绕组的基本概念
1、电角度
交流电机旋转磁场的教学研究
交流电机旋转磁场的教学研究刘瑞芳【期刊名称】《电气电子教学学报》【年(卷),期】2011(033)005【摘要】In the course of Electrical Machinery, the rotating magnetic fieldis an important concept in AC machines theory. Good comprehension of it is helpful for students in learning the succeeding knowledge. However, the magnetic 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 magn etic field theory.%“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。
旋转磁场中的磁势矢量
作者： 周学平
作者机构： 丽水师专物理科
出版物刊名： 丽水学院学报
页码： 13-18页
主题词： 磁势;旋转磁场;矢量方向;《电工学》;矢量图;绕组线圈;空间方位;垂直关系;空间方向;相量图
摘要：<正> “旋转磁场”是交流电机中最基本最主要的一个概念 我们采用的电工教材是华南师范学院的《电工学》,书中对《均匀旋转磁场》的阐述有讨论的必要。
例如,在下册67页上,绕组线圈:D1——D4,D2——D5,及D3——D6的平面与磁势矢量图上fA、fB、fC的方向关系是垂直关系,如图（1）所示。
矢是图上各磁势矢量方向似乎是个空间方向,似乎是按线圈平面轴线的空间方位来确定的。
矢量图。
基于复平面的交流电机旋转矢量方程及其教学应用
基于复平面的交流电机旋转矢量方程及其教学应用陈小元;彭亦稰【摘要】为了更形象地说明交流电机定子旋转磁场的形成机理,基于复平面建立单元交流电机的时空统一矢量方程,详细讲解交流电机旋转矢量的数学推导过程,解析电压、电流及磁链等旋转矢量的物理意义,并以异步电动机和永磁同步电机为例,利用基于复平面的交流电机旋转矢量方程深入浅出地讲解交流电机的工作原理.%In order to illustrate the formation mechanism of the magnetic field of the rotating stators for AC-motors, the time-space unified rotation vector equations are proposed based on the complex plane in this paper. The mathematical derivation process of the rotating-vectors for the AC-motors such as voltage, current and flux linkage is analyzed in detail, and the physical significance of the rotating vectors is explained. Using the proposed rotating vector equations for the induction motor and the permanent magnet synchronous motor as examples, the working principle of the AC motors can be illustrated in simpler but more comprehensible ways.【期刊名称】《丽水学院学报》【年(卷),期】2015(037)005【总页数】4页(P107-110)【关键词】交流电机;复平面;时空统一;能量守恒;旋转矢量【作者】陈小元;彭亦稰【作者单位】丽水学院工程与设计学院,浙江丽水323000;丽水学院工程与设计学院,浙江丽水323000【正文语种】中文【中图分类】G642;TM351异步电动机和同步电动机等交流电机是电机类课程教学的重点内容，其在电动汽车等驱动领域具有重要的应用价值[1-7]。
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第33卷第5期2011年10月电气电子教学学报JOURNAL OF EEEVol．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 MachinesLIU 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 calculation0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Im 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38第5期刘瑞芳：交流电机旋转磁场的教学研究磁场的磁力线图。
从图中可以看出随着通电时刻的改变，电流产生的磁场轴线的位置始终在A 相绕组的轴线上。
随着电流大小的变化，磁场的大小会发生变化，从相应的色板图上可以获得磁场大小的信息。
通过以上计算，学生可以总结出，只有一相通交流电时，会产生在空间上看轴线固定不动，从时间上看其瞬时值不断随电流而交变，在正负值之间的脉振的磁场。
脉振的频率取决于电流的频率。
图3单相交流电产生脉振磁场2．3多对极电机的磁场分析为了让学生理解电机极对数变化对磁场的影响，设计了下面的计算环节：建立三相四极电机模型，电机结构参数与前相同，定子上均布12个线圈。
计算一个通电周期内，不同时刻下的磁场的变化规律，画出磁力线分布图，分析旋转磁场的转速与极数的关系。
图4为两对极电机在不同时刻下的磁场分布。
从图中可以看出，所形成的磁场为四极磁场。
比较图4中的四个图，可以看出当通电时间一个周期，磁场轴线转过180度机械角度。
对于一对极电机，电流变化一个周期，磁场转过360度机械角度，旋转磁场转速为n =60f （转/分）。
当极对数为2时，旋转磁场的转速为n =60f /2。
以此类推，可以总结出旋转磁场转速n 与极对数P 的关系为n =60f /p。
图4两对极电机的磁场分布3研究性训练的体会在本专题的研究性训练时，教师需要为学生介绍电磁场有限元计算基本理论，讲解电磁场数值计算软件的使用方法。
对学生在应用软件方面遇到的一些困难，例如建立电机几何模型，对材料的分配，激励的设置等，教师要进行积极的指导。
在电机各相绕组槽号的分配上，有部分学生理解错误。
如果绕组分配错误，会在场图上反映出来。
教师要帮助学生对错误的场图进行分析，查找原因，促使学生理解绕组槽号分配的规律。
此外，教师应当让学生自己设计一些新的研究专题。
例如在三相对称绕组中通过不对称三相电流时，旋转磁场的分布规律是什么？让学生对椭圆形旋转磁场有的特点有一定的认识。
当电机定子绕组为星形接法时，一相断线，磁场会是如何变化？让学生思考脉振磁场产生的条件。
当两相对称绕组流过两相对称电流时，产生的磁场会如何变化？让学生总结出圆形旋转磁场产生的条件。
学生通过对这类问题的思考和仿真计算，对交流电机的旋转磁场理论会有深刻的领会。
4结语为了帮助学生理解旋转磁场这一概念，笔者设计了利用电磁场数值计算软件来分析交流电机旋转磁场研究性训练专题。
学生应用电磁场数值计算软件，建立三相交流电机的简单模型，分析电机通以三相对称交流电流时，形成的磁场分布，改变通电顺序，磁场的变化规律；以及单相通电时的磁场的规律，多对极电机旋转磁场的变化规律。
我们总结出旋转磁场转向随电流相序的关系，转速与频率的关系，以及磁场幅值所占位置的规律。
这类研究性训练还可以应用到直流电机电枢反应和同步电机电枢反应等知识点的教学研究中，以便帮助学生理解电机中的电磁场分布。