第06章－交流电机的旋转磁场理论

-1-第六章交流电机的旋转磁场理论电机与拖动基础（第3版）第一节电枢绕组的磁动势第二节旋转磁场的形成和特点第三节交流电机的主磁通和漏磁通-2-引言

交流电机包括异步电机和同步电机两大类，虽然这两类电机的运行性能有很大不同，但它们在定子电枢绕组结构及旋转磁场基本理论方面有着许多共同的地方，所以在分别介绍异步电机和同步电机原理之前，先就三相交流电机的共性问题进行分析。第六章交流电机的旋转磁场理论-3-第一节电枢绕组的磁动势第六章交流电机的旋转磁场理论

一、交流电机的电枢绕组交流电机的定子是由硅钢片叠压而成的，在定子铁心内圆周上冲有若干定子槽，三相电枢绕组嵌放在定子槽中。三相电枢绕组是对称分布的，它们匝数相等，在空间互差120

电角度。-4-电机绕组示意图第六章交流电机的旋转磁场理论-5-

二、单相电枢绕组的磁动势这里以整距集中绕组为例来说明单相电枢绕组磁动势的性质。如图6-2a所示是一台两极电机的示意图，

按照右手螺旋定则，磁场的方向如图中箭头所示。显然，磁场的强弱取决于定子线圈的匝数N和线圈中电流i的乘积Ni，即磁动势FA。第六章交流电机的旋转磁场理论-6-

由第一章所述的电磁感应原理，可以认为磁动势FA全部消耗在两段气隙上，即任一磁力线在每段气隙上所消耗的磁动势都是。把图6-2a展开后便得到图6-2b所示的磁动势分布，这是一个矩形波，其高度为第六章交流电机的旋转磁场理论假如线圈中的电流i是稳恒电流，其数值和方向恒定不变，那么矩形波磁动势的高度也将恒定不变。而实际上交流电机电枢绕组中流过的是交变电流，其电流的大小和方向都是随时间而变化的，因此矩形波磁动势的高度也将随时间而变化。设线圈电流为（6-1）（6-2）其中，矩形波磁动势的幅值，I为线圈电流有效值。-7-

上式说明，任何瞬间单相电枢绕组的磁动势在空间以矩形波分布，矩形波的高度随时间按正弦规律变化。这种在空间位置固定，而大小随时间变化的磁动势称为脉振磁动势。对图6-2b所示的矩形波磁动势进行傅立叶分析，可以得到相应的基波分量第六章交流电机的旋转磁场理论（6-3）其中，x表示定子内表面的圆周距离，极距τ表示相邻极间的圆周距离。上式可进一步写为（6-4）其中，磁动势基波分量的幅值。-8-

三、三相电枢绕组的磁动势通过合理布置定子槽中的三相电枢绕组，可以有效减小气隙中的磁动势谐波。认为每相电枢绕组产生的磁动势在空间是正弦分布的，并且三相磁动势在空间互差120

电角度，那么根据式（6-4），三相电枢绕组的磁动势可分别写成第六章交流电机的旋转磁场理论（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。-9-第二节旋转磁场的形成和特点一、三相电枢绕组的合成磁动势根据三角函数的积化和差公式，式（6-5）可以写为第六章交流电机的旋转磁场理论（6-6）将上式中三相定子绕组磁动势相加，得到合成磁动势（6-7）其中，合成磁动势的幅值。-10-

图6-3说明是一个幅值恒定、正弦分布的行波。由于又表示三相电枢绕组基波合成磁动势沿气隙圆周的空间分布，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第六章交流电机的旋转磁场理论（6-8）

称为同步速度，相应的波长为（6-9）-11-

根据对式（6-7）的分析，从式（6-6）可以看出，定子A、B、C三相绕组的磁动势均可以分解为两个大小相等、转向相反的旋转磁动势。正向旋转的磁动势相位相同，其合成磁动势的幅值是每相正转磁动势幅值的3倍，而反向旋转的磁动势相位互差120

，其合成磁动势为零。

第六章交流电机的旋转磁场理论（6-6）-12-

一个三相对称绕组通入三相对称电流时，所产生的一定是个圆形的旋转磁场。这个概念不仅可以用上面的数学手段来证明，还可以进一步用图6-4来解释。图中假定：正值电流从绕组的首端流入而从尾端留出，负值电流从绕组的尾端流入而从首端流出。设三相电流为第六章交流电机的旋转磁场理论（6-10）-13-

由图可见三相电枢绕组的合成磁动势是一个旋转行波。

第六章交流电机的旋转磁场理论-14-

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。

2）根据旋转磁场的行波性质以及式（6-7），可以知道旋转磁场的电角速度为第六章交流电机的旋转磁场理论（6-11）ω1的单位为rad/s，f1为电源频率。设电机极对数为np，则旋转磁场的机械转速为（6-12）n1的单位为r/min。上式表明，旋转磁场的转速n1仅与电源频率f1和电机极对数np有关，称为同步转速。

-15-第六章交流电机的旋转磁场理论极对数与电角度的基本概念-16-第六章交流电机的旋转磁场理论-17-3）从图6-4可见，旋转磁场的旋转方向是从电流超前的相转向电流滞后的相，即合成磁动势的轴线是从A相转到B相，再从B相转到C相。因此要改变旋转磁场的方向，只要改变电枢绕组的相序即可，也就是将连接到电源的三相绕组的3根接线中的任意2根对调就可以了。

4）从图6-4还可以看出，当某相电流达到最大时，旋转磁动势的波幅刚好转到该相绕组的中心线上。第六章交流电机的旋转磁场理论-18-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，所以相应的主磁通实际上是与定、转子绕组同时相交链的，这也是判断主磁通的重要依据。第六章交流电机的旋转磁场理论

主磁通又称为气隙磁通，交流电机就是依靠气隙磁通来实现定、转子之间的能量转换的。图6-5所示是一台四极交流电机的主磁通分布情况，主磁通经过的路径为：气隙→定子齿→定子轭→定子齿→气隙→转子齿→转子轭→转子齿→气隙，这与直流电机相类似。第六章交流电机的旋转磁场理论-20-

二、漏磁通交流电机定子绕组除产生主磁通外，还产生与定子绕组相交链而不与转子绕组相交链的磁通，称为定子漏磁通，用

s

表示。定子漏磁通按磁通路径可分为3类：（1）槽漏磁通：由一侧槽壁横越至另一侧槽壁的漏磁通，如图6-6a所示；（2）端部漏磁通：交链于绕组端部的漏磁通，如图6-6b所示；（3）谐波漏磁通：当定子绕组通入三相交流电时，在气隙中除产生基波旋转磁场外，还产生一系列高次谐波旋转磁场，以及相应的高次谐波磁通。这些谐波磁通虽然同时交链定、转子绕组，但一般不利于电机的正常运行，所以把它们作为漏磁通处理。第六章交流电机的旋转磁场理论-21-第六章交流电机的旋转磁场理论-22-如果转子绕组中有电流通过，也会在气隙中建立基波旋转磁动势，这时主磁通将由定、转子基波磁动势联合产生。当然，转子电流也会产生只与转子绕组相交链而不与定子绕组相交链的磁通，称为转子漏磁通，用

r

表示。

由于漏磁通不能同时与定、转子绕组相交链，因此它们虽然也能在两个绕组中感应电动势，影响电机的电磁过程，但却不直接参与定、转子之间的机电能量转换。第六章交流电机的旋转磁场理论-23-小结

本章从单相电枢绕组的脉振磁动势