第2章_交流电机基础

电机学
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2.1交流电机的基本工作原理和定子结构 2.1.2三相异步电动机的基本工作原理 在正常情况下，异步电动机转子 n1 N fem E2 转速n达不到旋转磁场的同步转速n1， I2 电动机的转速n总是略小于同步转速n1， n 即与旋转磁场异步转动，所以称为异 ~ T 步电动机，由于异步电动机转子中的 fem n1 S 电流是感应产生的，故又可称为感应 图2-2 三相异步电动机工作原理示意图 电动机。
y
为了缩短端接部分以节省有色金属，并
且改善感应电动势波形及磁动势空间分布， 电机中常用短距线圈，即y<t 。
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2.1交流电机的基本工作原理和定子结构 2.1.3交流电机定子结构 电角度 一个圆周是360°或2p弧度，是指空间角度或称机械角 度。一对磁极由N到S再到N变化一周，相应的用360°电角度
普通高等教育“十二五”电气信息类规划教材
北
电机学
陈亚爱 周京华编著
方
工 业 大 学
李正熙主审
本课程的章节和内容

绪 论
第1章
第2章 第3章 第4章 第5章
变压器
交流电机基础 感应电机 同步电机 直流电机
第6章
风力发电机
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第2章 交流电机基础
电机学
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2.1交流电机的基本工作原理和定子结构
2.1.1三相同步电机的基本工作原理
同步电动机由定子和转子组成， 其工作原理示意图如图2-1所示，定、 ~ ~ 转子之间有气隙，定子内嵌互差120° 的三相对称绕组AX、BY、CZ，将定 子三相对称绕组接入三相对称交流电， 会产生圆形旋转磁场，转子上装有励 磁绕组，通入直流电后，能建立恒定 磁场。
由于空气隙的磁阻远远大于定、转子铁心中磁阻，可认 为磁动势全部降落在两个气隙上，即作用在每个空气隙的磁 动势为全部磁动势的一半（iNy/2）磁动势波形为矩形波。
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2.2旋转磁动势 2.2.1单相脉振磁动势
fy
矩形波磁动势用傅立叶级数分解得：
A
X
A
t
N yi 4 1 1 f (a ) (cos a cos 3a cos 5a ) 2 p 3 5
fem
n1 1
N
E2 2 I2 2
~
n
T S fem n1
图2-2 三相异步电动机工作原理示意图
转子与旋转磁场之间存在相对运动，若将旋转磁场看作静 止磁场，则转子上半部分导体是顺时针切割静止磁场的，根据 电磁感应定律，转子导体内产生感应电动势，用右手定则判定 其方向如图2-2所示，转子上半部分导体中的感应电动势方向是 指向纸面的，下半部分导体中感应电动势方向从纸面指向外。
fy
X
A
t
对周期性变化的矩形波分布的磁动势，用傅氏级数进行 谐波分析，可分解成为：
f y (a , t )
C cosa cos t
1,3,5 1

（2-5）
式中v=1，3，5…为谐波系数，系数Cv为
2 p Cv IN y sin v p 2 2 14
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（2-6）
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2.1交流电机的基本工作原理和定子结构
2.1.2三相异步电动机的基本工作原理 异步电动机由定子和转子组成， 如图2-2所示，定、转子之间有气隙， 定子上内嵌互差120°的三相对称绕组 AX、BY、CZ，将定子三相对称绕组 接入三相对称交流电，会产生圆形旋 转磁场，设磁场以同步转速n1逆时针 方向旋转切割转子导体。
以每槽占180°/ mq电角度，显然，两者是一致的。
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2.1交流电机的基本工作原理和定子结构 2.1.3交流电机定子结构 相带 相带就是每相绕组在一个极距中所占有的区域，以电角 度来表示。 三相对称绕组在槽中的安排顺序为A-Z-B-X-C-Y-A，彼 此互差60°电角度，这就是60°相带绕组。 60°相带绕组就是每极距内属于每相的电角度为60°， 对应的槽数为q，一个极距为180°电角度，所以每极距内有 三个相带。一般的三相异步电动机中都采用这种60°相带的 三相绕组。
绕组分类：单层绕组和双层绕组。
绕组应用：单层绕组一般用在10kW以下的电机，双层短距
绕组用在较大容量的电机中。
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2.1交流电机的基本工作原理和定子结构 2.1.3交流电机定子结构 异步机的定子由定子铁心、定子绕组和基座三部分组成。
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2.1交流电机的基本工作原理和定子结构 2.1.3交流电机定子结构
电机为什么能旋转？
旋转磁场
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2.1交流电机的基本工作原理和定子结构
2.1.1三相同步电机的基本工作原理
同步电机运行时，其转速n1与定子绕组中电网频率f1之间 有着严格的关系，即 60 f1 n1 （2-1） p 式中，p为电机的极对数，n1为同步电机转子的转速，也是气 隙旋转磁场的转速。 同步电机主要用作发电机，现代电力系统的电能基本上 是同步发电机生产的，但同步电机同样可作为电动机运行拖 动生产机械，尤其适用于大功率生产机械的场合，这里先主 要介绍三相同步电动机。
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2.2旋转磁动势 2.2.1单相脉振磁动势 单相绕组AX是匝数为Ny的整距线圈，在AX中通入单相 交流电，会产生磁动势，如图2-3a所示。
展开
fy fy
切开
A
X
a
a）剖面图
A
0
X
A
at
b）展开图
图2-3 整距线圈产生的磁动势
现把直角坐标放入电动机定子内表面，设绕组AX的轴 线A与定子内表面的交点为坐标原点，将电动机展开如图 23b所示，横坐标表示空间电角度a，纵坐标表示线圈磁动势fy 。
定子冲片
定子线圈
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2.1交流电机的基本工作原理和定子结构 2.1.3交流电机定子结构
铁心和机座
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2.1交流电机的基本工作原理和定子结构 2.1.3交流电机定子结构 线圈
线圈
绕组通常由外敷绝缘的铜线或铝线(例 如漆包电磁线)绕制成一定形状的线圈组成。
线圈嵌放在定子铁心内圆周所开的槽中，
本章内容
2.1 交流电机的基本工作原理和定子结构 2.2 旋转磁动势 2.3 交流绕组的感应电动势
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本章教学基本要求
1.了解交流电机的基本工作原理、基本结构。 2. 理解旋转磁场的概念、圆形旋转磁动势的特性和产生条件。
3.掌握交流绕组感应电动势的表达式，了解分布和短距绕组 对消除高次谐波电动势的作用。
4
（2-7）
2 Fy1 IN y 0.9 IN y 为基波磁动势最大幅值。 p 2
有效边
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2.1交流电机的基本工作原理和定子结构 2.1.3交流电机定子结构 极距、整距线圈及短距线圈 交流电机的磁场有一定的极对数，每一 磁极所占定子内圆周的距离称为极距。极距
t
一般也用槽数表示，例如定子槽数z=36，极
对数p=2，则极距t=z/2p=9。线圈节距y=t， 称为整距线圈。
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2.1交流电机的基本工作原理和定子结构 2.1.2三相异步电动机的基本工作原理
fem
n1 1
N
E2 2 I2 2
~
n
T
S
fem n1
图2-2 三相异步电动机工作原理示意图
转子导体是闭合回路，在感应电 动势的作用下，转子导体内产生电流 I2，方向与感应电动势方向一致。根 据电磁力定律，转子的载流导体在旋 转磁场中要受电磁力作用，其方向由 左手定则确定，如图所示转子上半部 分导体受力fem向左，下半部分导体受 力fem向右，转子在这对力偶的作用下 产生逆时针方向的电磁转矩T，从而使 转子以转速n逆时针旋转。
槽数
式中，m为相数。
z q 2 pm
（2-2）
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2.1交流电机的基本工作原理和定子结构 2.1.3交流电机定子结构 槽距角ac 相邻两槽之间所占有的电角度称槽距角，则有
ac
p 360 180 或a c z mq
（2-3）
上述第一式的物理意义是定子内圆周有z个槽，共含有电 角度为p×360°，则每槽占p×360°/ z 电角度；第二式的物 理意义是每极所含有电角度为180°，为mq个槽所占有，所
或2p电弧度表示。
如果电机在定子上只有一对磁极，那么在360°空间角 度上磁极电角度也是360°。若电机定子上有两对磁极，即 p=2，则在360°空间角度上磁极电角度却有2× 360°=720 ° 电角度。换句话说，就是一个极距对应的电角度总是180°。 因此 电角度=p ×机械角
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A
Y
n1 1
S N
C
+
n1 1 -
X
S N
n1 B
Z n1
负载
图2-1 三相同步电动机工作原理示意图
工作时定子输入三相交流电，产生旋转磁场，设为逆时针 方向旋转，如图2-1所示，转子输入直流励磁电流，产生固定磁 极，则旋转磁场的磁极将转子的异性磁极吸引，使转子与旋转 磁场同速旋转，这就是同步电动机的基本工作原理。
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2.2旋转磁动势 2.2.1单相脉振磁动势
f y (a , t ) C cosa cos t
1,3,5 1
fy
基波磁动势
Fym p Fy5 2 0 p 2