《交流电机磁动势》课件

交流电机的磁动势了解交流电机的磁动势特性是设计和操作交流电机的关键。本节将深入探讨交流电机的磁动势产生原理和特点。学习目标掌握交流电机的基本结构了解交流电机的定子和转子的组成及其作用。理解三相和单相绕组的特点学习三相绕组和单相绕组的绕组形式及其产生磁场的原理。分析磁动势的特点掌握交流电机中磁动势的产生、时间和空间变化规律。计算磁性能指标学会计算交流电机的电枢磁动势、铁损等关键参数。交流电机的基本结构交流电机由定子和转子两大部分组成。定子由铁芯和绕组构成，负责产生旋转磁场。转子则由铁芯和导体绕组或永磁体构成，接受定子产生的磁场并产生电磁力转矩。两部分通过空气间隙连接,构成了电机的磁路。不同结构的交流电机,其定子和转子的设计也有所不同。三相绕组的基本特点绕组结构三相绕组由三组相互正交的单相绕组构成，每相绕组之间相差120度电角。每相绕组包含许多串联的线圈。磁场分布三相绕组产生的磁场分布呈现3个正弦波形的磁极，夹角相差120度。这种磁场分布使电机能够产生旋转的磁场。电压波形三相绕组输出的电压呈现正弦波形,相电压之间相差120度。这种电压波形有利于产生平滑的旋转磁场。单相绕组的基本特点极性简单单相绕组只有一个磁极对，结构和制造都更加简单。磁场脉动单相绕组产生的磁场随时间呈现脉动变化，不如三相绕组磁场平稳。效率较低由于磁场脉动和铁心饱和的影响，单相电机的效率通常低于三相电机。转矩脉动大单相电机的转矩会产生较大的脉动，从而增加机械振动。三相绕组的产生磁动势1相位A产生沿x轴的磁动势2相位B产生沿y轴的磁动势3相位C产生沿z轴的磁动势4合成磁动势三相绕组的磁动势为三个相磁动势的矢量和5旋转磁场三相绕组产生的磁动势形成一个旋转磁场三相绕组通过三个相绕组构成,每个相绕组在不同的时刻产生不同的磁动势。相位A、B、C三个相绕组分别产生沿x、y、z轴的磁动势,这三个磁动势矢量相加即可得到三相绕组的合成磁动势,形成一个旋转磁场。单相绕组的产生磁动势流过单相绕组的电流单相绕组中流过的电流会产生一个磁动势。这个磁动势会沿着绕组的轴线方向变化。磁场线的分布这种磁动势会在电机的空间中产生磁场线。磁场线会围绕着绕组的轴线呈现闭合曲线。磁动势的方向变化当电流随时间变化时,磁动势的方向也会随之发生变化,产生一个旋转的磁场。电压和磁动势的关系电压磁动势从图中可以看出，电压和磁动势之间存在着正比关系。随着电压的升高，磁动势也随之上升。此关系符合电磁感应的基本规律。磁动势的合成1分量的确定根据电机的结构和电磁原理,可以确定电机各部件的磁动势分量。2分量的矢量表示将各部件的磁动势分量用矢量来表示,有利于分量的加和。3分量的合成利用矢量加法的原理,将各部件的磁动势分量合成为总的磁动势。磁动势的调制1空间调制通过绕组的布置来调节磁动势的空间分布2时间调制通过电流的波形调制来控制磁动势的时间变化3频率调制通过调整电源频率来改变磁动势的频谱磁动势可以通过多种方式进行调制,包括调整绕组布置、电流波形以及电源频率等。这些调制手段可以有效地控制磁动势的空间分布、时间变化特性以及频谱特性,从而满足电机设计和控制的各种需求。磁动势的分布曲线电机的磁动势分布曲线描述了磁动势沿电机空隙周向的分布情况。这一分布曲线反映了电机定子绕组产生的磁场在空间中的分布特征。合理设计绕组及电机结构可以使磁动势分布曲线更加接近正弦波形,从而提高电机的性能和效率。分析磁动势分布曲线对于优化电机设计至关重要。磁动势的时间变化1交变磁动势随时间呈周期性变化2正弦磁动势具有正弦波形3频率频率取决于电机的极对数和转速交流电机中的磁动势是随时间呈周期性变化的,具有正弦波形特征。其频率取决于电机的极对数和转速,通常为50Hz或60Hz。这种时间变化特性是交流电机工作的基础。磁动势的空间分布磁场三维分布电磁铁产生的磁场呈现三维空间分布，磁力线密集分布在铁芯附近。通过控制电流大小和铁芯形状可以调整磁场的空间分布。绕组磁场分布电机定子绕组通过产生交流电流来创造旋转磁场。每相绕组产生的磁场会在空间中构成不同方向的分量，最终合成为旋转的磁场。磁场密度分布电机磁场的磁通密度在铁芯内部较高，在气隙和外部环境中较低。这种分布特点可以提高电机的效率和转矩。电枢磁动势电枢绕组的产生电枢绕组设置在电机定子上，由定子上的线圈组成。当电枢绕组通电时，就会产生电枢磁动势。这种磁动势会与极对磁场磁动势相互作用，产生电磁力矩。电枢磁动势的性质电枢磁动势是一个沿空间分布的磁动势波。它的大小和方向会随着电枢电流的变化而变化。电枢磁动势的大小由电枢电流和绕组参数决定。磁极磁动势1磁极磁动势的定义磁极磁动势是由永磁体或电磁铁产生的磁场所产生的磁动势。它是交流电机中起重要作用的一种磁动势。2磁极磁动势的特点磁极磁动势具有稳定性和可控性的特点,可以通过调整励磁电流来调整磁场。3磁极磁动势的作用磁极磁动势是交流电机中形成旋转磁场的主要来源,是电枢磁动势和转矩产生的基础。4磁极磁动势的表达式磁极磁动势可以用余弦函数来表达,并且幅值与励磁电流成正比。磁动势的一般表达式精确描述磁动势可以用一般数学表达式来描述。通过这个表达式可以完整地表示磁动势的时间变化和空间分布特性。核心因素磁动势的一般表达式包含绕组数、电流和空间角度等关键参数,能全面反映磁动势的形成过程。应用分析利用磁动势的一般表达式,可以深入分析电机运行特性,为电机设计和性能优化提供理论依据。推广应用这种磁动势表达式不仅适用于交流电机,也可以推广到其他电机类型,为电机理论研究提供共性依据。磁动势的空间谐波在交流电机中,磁动势并非完全正弦波形,存在着不同次谐波的叠加。这些空间谐波会对电机性能产生不利影响,需要通过优化绕组设计和磁路结构加以抑制。常见空间谐波产生原因影响1、3、5、7等奇次谐波三相绕组的不平衡及分布不均匀造成额外铁损和热量损耗2、4、6等偶次谐波绕组斜度、芯槽比不够理想产生额外转矩脉动通过精心设计绕组和优化电机结构,可有效降低空间谐波含量,提高电机效率和性能。磁动势的时间谐波5050次谐波交流电机磁动势包含了众多高次谐波成分20%20%损耗高次谐波会导致20%左右的额外铁损55阶谐波5阶谐波是最主要的谐波成分之一交流电机中产生的磁动势并非正弦波形,而是由大量高次谐波叠加而成。这些高次谐波会导致额外的铁损,降低电机的效率。5阶谐波是其中最主要的一个谐波成分。工程师需要通过优化设计来尽量减小这些谐波对电机性能的影响。磁动势的损耗铁心损耗交流电机在运行过程中,磁场在铁心内部不断变化,会产生涡流和磁滞损耗,这些都属于铁心损耗的一部分。铜损耗绕组中的电流会产生电阻损耗,这部分损耗被称为铜损。铜损的大小与电流大小和绕组电阻值有关。额外损耗机械摩擦、通风阻力以及额外的铁心和铜损也会产生额外损耗,影响电机的整体效率。电磁转矩1产生原理电机的定子和转子之间存在着相互作用,产生的磁动势与电流相互作用,从而产生电磁力矩。2计算公式电磁转矩等于定子磁动势与转子磁动势之积乘以一个系数。3影响因素电磁转矩的大小受到电机结构、饱和程度、电流频率等多方面因素的影响。4调节方法通过调整电压、频率、电流等参数,可以实现对电磁转矩的有效控制。电机铁芯的磁饱和磁饱和现象在电机运作过程中,铁芯内部的磁通密度会不断增加,直至达到饱和状态。此时,磁场强度的增加将不再导致磁通密度的明显上升。磁饱和对性能的影响铁芯磁饱和会导致电机的磁动势、电磁转矩和效率等性能指标降低。因此需要在设计时合理考虑磁饱和的影响。防止磁饱和通过调整电机结构参数、合理设计磁路、控制励磁电流等措施,可以有效防止铁芯过度饱和,提高电机性能。铁心磁化特性非线性特性铁心材料的磁化特性呈非线性关系,即磁通密度与磁场强度之间不是线性关系。饱和特性随着磁场强度的增大,铁心材料会达到磁饱和状态,此时磁通密度增加很小。滞后特性铁心材料在磁化和退磁过程中存在磁滞现象,即磁通密度和磁场强度之间存在滞后。铁损的计算不同类型的铁损对电机运行效率和发热都有重大影响。准确计算铁损是设计和优化电机的关键。通过测试和分析,可以得出各类铁损的具体数值,为进一步提高电机性能奠定基础。转子磁动势转子电流的产生转子绕组中的电流通过电磁感应产生,它们随转子转动而变化,从而产生一个旋转的磁动势。磁动势的特点转子磁动势与转子绕组和转子电流密切相关,其大小和方向随转子转速和负载变化而变化。磁动势的作用转子磁动势与定子磁动势的相互作用产生电磁转矩,驱动电机转动。这是交流电机运转的基础。磁动势的分布转子磁动势沿空气隙周向分布,其分布形状和大小依赖于转子绕组结构和工作状态。定子磁动势三相定子绕组交流电机的定子绕组通常采用三相绕组布置,通过流经绕组的交流电流产生旋转的磁动势。定子磁动势波形定子磁动势由三相电流产生,具有正弦波形,随时间和空间角度的变化而变化。定子磁动势矢量定子磁动势可用矢量表示,其大小和方向随时间和空间角度的变化而变化。总磁动势矢量合成电机内部的定子磁动势和转子磁动势通过矢量合成得到总磁动势。幅值变化随着电机负载的变化,定子和转子磁动势的幅值及相位也会发生变化。精确控制精细地控制总磁动势可以提高电机的效率和性能。温度对磁性能的影响1热膨胀温度升高会导致材料体积的膨胀,从而改变磁路的几何尺寸,影响磁性能。2晶格畸变温度变化会引起晶格的热膨胀和变形,进而改变原子排列,影响磁性能。3原子磁矩变化温度升高会增加原子热振动,减弱原子间的交换作用,降低磁性能。4铁损增加温度升高会导致涡流和滞回损耗增大,从而降低磁性能。结构对磁性能的影响电机结构差异不同类型的电机，如异步电机和同步电机，其内部结构存在差异。这些结构上的差异会对电机的磁性能产生影响。材料选择电机的铁心和绕组材料的选择也会影响其磁性能。不同材料具有不同的磁导率和磁滞损耗特性。结构尺寸电机的结构尺寸，如铁芯厚度、槽大小等也会影响电机的磁场分布和磁饱和特性。散热设计良好的散热设计可以降低电机运行温度,从而提高电机的磁性能和整体性能。工作特点对磁性能的影响运行条件电机的工作特点,如运行电压、电流、转速等,会影响电机铁芯的磁性能和功耗。需要根据实际工况进行分析和测试。材料选择不同的铁芯材料有不同的磁性能,在选型时需要综合