交流电机的感应电动势和旋转磁场

第1节 三相交流电机的基本工作原理
4.1.2 三相同步发电机的工作原理
假设转子励磁电流建立的气隙磁场在转子表面正弦分布。坐 标取在转子上，原点位于极间，α为距离原点的电角度，此 处气隙磁密为 b B1sin 。设t=0时A相导体在极间，转子 旋转的角频率为ω，则时间t时，α=ωt，A相导体感应电动 势为 e A vlB1sint 2E1sint (4-3） e b
第2节 三相交流绕组
4.2.1 交流绕组的构成原则和分类 交流电机交流绕组的种类很多，可按相数、槽内绕组层数、 每极下每相槽数和绕法来分类。 从相数分，绕组可分为单相和多相绕组； 按槽内层数分，有单层、双层和单双层混合绕组； 按每极下每相所占的槽数等于整数或分数，分为整数槽和分 数槽绕组； 按线圈连接时的绕法分，双层绕组又分为叠绕组和波绕组， 单层绕组又分为链式、交叉式和同心式。
B
第1节 三相交流电机的基本工作原理
4.1.2 三相同步发电机的工作原理
A N n1 S X T C Y
作为发电机，原动机拖动转子旋转，定子 感生交流电动势，此电动势和频率为 Z e b vl (4-1） n1 p f1 (4-2） 60 式中，bδ——导体所在处的气隙磁密； B v——导体与气隙磁密的相对线速度； l——线圈导体的轴向长度； P——电机的极对数； n——转子磁极的转速； f1——定子感应电动势频率。 可见，当电机的极对数、转速为一定时， 电机发出的交流电动势的频率也是一定的。
10 36 11 N 35 12 34 33 13 n 32 14 S 1 S 31 15 30 16 29 17 N 18 28 19 27 26 20 21 2223 24 25 6 5 4 3 87 2 9 1 τ
第2节 三相交流绕组
4.2.2 交流绕组的基本知识 5）槽距角α 相邻两个槽之间的电角度称为槽距角α。 因为定子槽在定子内圆上是均匀分布的，所以若定子槽数为Q， 电机极对数为p，则 p 360 (4-8） Q
n1 A F Y n
F X
C
第1节 三相交流电机的基本工作原理
4.1.1 三相感应电动机的工作原理
Z
p=1时，电流变化一次，旋转磁场转过 一周。 ns 60 f1 如果在定子铁芯上放置p套三相绕组， 每套绕组占据的定子内圆1/p，将属于 同相的线圈串联或并联，即成为2p极三 相感应电动机。三相绕组流入三相对称 电流时所建立的合成磁场，仍然是一个 旋转磁场，不过当电流变化一次，旋转 磁场仅转过1/p转。由此可知旋转磁场 的转速为 60 f1 ns (4-5） p
4.1.1 三相感应电动机的工作原理
三相感应电动机结构 三个完全相同的线圈空间彼此互隔1200， 分布在定子铁芯内圆的圆周上，构成了 三相对称定子绕组。当三相对称绕组接 Z 上三相对称电源时，在绕组中将流过三 相对称电流。 若各相电流的瞬时表达式为 B i A I m sin t iB I m sin t 120
第2节 三相交流绕组
4.2.2 交流绕组的基本知识 3）线圈节距 一个线圈的两个有效边之间所跨过的距离称为线圈的节距y1。 节距一般用线圈跨过的槽数来表示。 为使每个线圈获得尽可能大的电动势或磁动势，节距y1应等 于或接近于极距τ。 y1=τ的绕组称为整距绕组，常用; y1<τ的绕组称为短距绕组，常用; 6 5 4 3 部 部 y1>τ的绕组称为长距绕组，不用。 端 端 87 2 9 1 τ
※知识点
1．三相交流电机绕组的结构原理
2．三相交流电机绕组的感应电动势 3．正弦电流下三相交流电机绕组的磁动势和旋转磁场
※学习要求
1．具备三相交流电机绕组的结构特点和原理分析能力 2．具备三相交流电机绕组展开图的绘制能力 3．具备三相交流电机绕组感应电动势的分析计算能力
第1节 三相交流电机的基本工作原理
B X
F
C
Z2 B1 X1 C1 Y1
A1
Y2 C2 X2 B2
A2
Z1
第1节 三相交流电机的基本工作原理
4.1.2 三相同步发电机的工作原理
A N n1 S X T C Y
最简单的两极三相同步发电机模型
三个完全相同的线圈空间彼此互隔1200，Z 分布在定子铁芯内圆的圆周上，构成了 定子三相对称绕组； 转子磁极上套装着直流励磁绕组。转子 励磁绕组通入励磁直流，在电机内建立 恒定两极磁场，其主磁通穿过气隙同时 铰链定子绕组。
δ A
bδ eA
B1 α 0 定子 N
E1 1800 3600 ωt
v
τ
第1节 三相交流电机的基本工作原理
4.1.2 三相同步发电机的工作原理
A Z n1 B S X N T C Y
由于定子三相绕组在空间依次滞后电角 度，因此和相导体感应电动势为
eB 2E1sin t - 120
eC 可见，三相同步发电机中，正弦分布的 转子气隙磁场随着转子旋转时，在定子 三相对称绕组中感应三相对称正弦电动 势。如果定子绕组外加三相对称负载， 发电机将提供三相对称正弦电流。
第2节 三相交流绕组
4.2.2 交流绕组的基本知识 1）线圈 线圈也称绕组元件，是构成绕组的最基本的元件，它可由一 匝或多匝串联而成； 多个线圈连接成一组就称为线圈组； 由多个线圈或线圈组按照一定的规律连接在一起就形成一相 绕组，三相交流电机定子有三相绕组。
端
有 效 边
部
y1
端
部
y1
端
部
端
部
叠绕组线圈 波绕组线圈 叠绕组线圈 波绕组线圈
iC I m sin t 120
n1 A F Y n
F X
C
第1节 三相交流电机的基本工作原理
4.1.1 三相感应电动机的工作原理 当三相对称电流通过三相对称绕组时，必然产生一个大小不 A A A 变，转速一定的旋转磁场。
Z Y Z Y Z Y
B
C
B
C
B
C
i A I m sin t iB I m sin t 120
Y
Z
F
Y n
第2节 三相交流绕组
4.2.1 交流绕组的构成原则和分类 交流绕组的构成主要基于运行和设计制造两方面的考虑。 定子绕组必须保证它通入三相交流电流以后，其旋转磁场具 有一定的极数、大小、在空间的分布波形以及由该旋转磁场 在绕组中感应的电势也是对称的。 交流绕组的型式各异，但构成原则却基本相同，具体要求是： 1）合成电动势和合成磁动势的波形力求接近正弦波，数量上 力求获得较大的基波电动势和基波磁动势，并要求电动势和 磁动势中的谐波分量应尽可能小； 2）对三相绕组，各相的电动势和磁动势必须对称，电阻、电 抗要平衡； 3）绕组的铜耗要小，用铜量要省。 4）绝缘性能要可靠，机械强度、散热条件要好、制造、维修 要方便。
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第1节 三相交流电机的基本工作原理
4.1.2 三相同步发电机的工作原理
A Z n1 B S X N T C Y
外力持续作功，克服作用在转子上 的阻力转矩，保持转子转速 n1 不变， 则在定子侧就能得到持续的频率为
f1 的交流电能提供给负载，电机将
机械能转换为电能。 n1 p 60 f1 f1 ns 60 p 此电机转子转速 n1 和定子电流产生 的旋转磁场转速 ns 相同，因此称为 同步发电机。
第四章 交流电机的感应电动势和旋转磁场
本章内容 第1节 第2节 第3节 三相交流电机的基本工作原理 三相交流绕组 正弦磁场下交流绕组的的感应电动势
第4节
第5节 第6节
交流绕组中的高次谐波电动势
通有正弦电流时单相绕组的磁动势 通有正弦电流时三相绕组的磁动势
思考题与习题
第四章 交流电机的感应电动势和旋转磁场
n1 A F Y n
B X
F
C
Z2 B1 X1 C1 Y1
A1
Y2 C2 X2 B2
A2
Z1
第1节 三相交流电机的基本工作原理
4.1.1 三相感应电动机的工作原理
Z n1 A F Y n
感应电动机的转子转速恒小于旋转磁场 转速，因为只有这样，转子绕组才能 “切割”产生感应电动势和感应电流， 从而产生电磁转矩，使电动机旋转。 可见 n<ns 是感应电动机工作的必要条 件。由于感应电动机的转速与旋转磁场 转速不同步，因此又称为异步电动机。
n1 A F Y n
B X
F
C
Z2 B1 X1 C1 Y1
A1
Y2 C2 X2 B2
A2
Z1
第1节 三相交流电机的基本工作原理
4.1.1 三相感应电动机的工作原理
Z
在电机的气隙中形成的空间旋转磁场转 速只取决于电源的频率和电机的极对数， 因此把这个转速称为交流电机的同步转 60 f1 速： ns p 旋转磁场切割转子导体，在转子导体中 产生感应电动势并在闭合的转子导体中 形成感应电流。 有电流流过的转子导体将在旋转磁场中 受电磁力并在转子轴上形成电磁转矩， 其作用方向与旋转磁场方向一致，拖着 转子顺着旋转磁场的旋转方向旋转，将 输入的电能变成旋转的机械能。
叠绕组线圈
波绕组线圈
第2节 三相交流绕组
4.2.2 交流绕组的基本知识 2）极距 两个相邻磁极轴线之间沿定子铁芯内表面的距离称为极距τ， 极距一般用每个极面下所占的槽数来表示。定子槽数为Q，磁 Q 极对数为p，则 (4-6) 2p
10 36 11 N 35 12 34 33 13 n 32 14 S 1 S 31 15 30 16 29 17 N 18 28 19 27 26 20 21 2223 24 25 6 5 4 3 7 8 2 9 1 τ
第1节 三相交流电机的基本工作原理
同步发电机和感应电动机，两类交流电机虽然转子结构、励 磁方式和运行特性有很大区别，但定子结构相同，电机内部 发生的电磁现象和机电能量转换的原理基本上相同。 定子三相绕组和电磁旋转理论是两类交流电机共同的理论。
A Z n1 B S X N T C
B X F C n1 A
iC I m sin t 120
t 0
Z
X
A
t 2
Y Z
X
A
t
Y
X
B
C
B X t 2
C
t X3 2
第1节 三相交流电机的基本工作原理
4.1.1 三相感应电动机的工作原理 流入三相定子绕组的电流是按A→B→C的 相序达到最大值的，产生旋转磁场的旋转 方向也是从A相绕组轴线转向B相绕组轴线， 再转向C相绕组轴线的，即按A→B→C的顺 Z 序旋转，与三相交流电的变化顺序一致。 结论：在三相定子绕组空间排序不变的条 件下，旋转磁场的转向取决于三相电流的 B 相序，即从电流超前相转向电流滞后相。 若要改变旋转磁场的方向，只需将三相电 源进线中的任意两相对调即可。
第四章 交流电机的感应电动势和旋转磁场
交流电机可分为同步电机和异步电机两大类，其中感应电 机是一种最主要的异步电机。
两类电机的转子结构、工作原理、励磁方式和性能虽有所 不同，但是定子中所发生的电磁过程以及机电能量转换的 机理和条件却是相同的，可以采用统一的理论来研究。
本章首先简述三相同步发电机和三相感应电动机的基本工 作原理，之后重点将研究交流绕组的连接规律，正弦磁场 下交流绕组的感应电动势，感应电动势中的高次谐波，通 有正弦电流时单相绕组的磁动势，通有对称三相电流时三 相绕组的磁动势，以及不对称或非正弦电流下三相绕组的 磁动势。
2E1sint - 240
(4-4）
第1节 三相交流电机的基本工作原理
4.1.2 三相同步发电机的工作原理
A N n1 T S X C Y
定子外加三相对称负载，三相绕组中将 流过频率为 f1 的对称三相电流，并在电 Z 机气隙中产生转速为 ns 的正向旋转磁场。
定子绕组中感应电动势在时间上滞后于 转子磁场在绕组中产生的磁通，因此定 子电流产生的磁场在空间滞后于转子磁 场。 两个磁场之间将产生电磁力的作用，转 子受的电磁转矩是阻力转矩。
有 效 边 y1 y1
10 36 11 N 35 12 34 33 13 n 1 32 14 S S 31 15 30 16 29 17 N 18 28 19 27 26 20 21 2223 24 25
端
部
端
部
叠绕组线圈
波绕组线圈
第2节 三相交流绕组
4.2.2 交流绕组的基本知识 4）机械角度和电角度 电动机圆周在几何上分成3600，这称为机械角度。从电磁观 点来看，若电动机的极对数为p，则经过一对磁极，磁场变化 一周，相当于电角度3600。因此，电动机圆周按电角度计算 就有p〓3600，即 电角度=p〓机械角度 (4-7）