第五章 異步電機

1、第五章 異步電機 圖5-01 熱電廠汽輪發(fā)電機組 圖5-02 水輪發(fā)電機組定子外殼 圖5-03 水輪發(fā)電機組轉子 圖5-04 熱電廠渦汽輪組 內容提要 交流電機主要包括異步電機和同步電機 兩大類；兩類電機結構上既具有共同之處， 又各有其自身特點。共同之處在于定子鐵心 和繞組，不同之處在于轉子結構和繞組。 本章主要討論異步電動機的結構、工作 原理、異步電動機的運行狀態(tài)、異步電動機 的機械特性、異步電動機的起動、制動和調 速等。 本章目錄 第一節(jié) 異步電動機的工作原理和結構 第二節(jié) 異步電動機的定子繞組 第三節(jié) 異步電動機定子磁動勢和磁場 第四節(jié) 異步電動機定子繞組的電動勢 第五節(jié) 異步電動機運行

2、的電磁過程 第六節(jié) 異步電動機等效電路和相量圖 第七節(jié) 異步電動機的功率和轉矩 第八節(jié) 異步電動機的工作特性 第九節(jié) 異步電動機的參數測定 第一節(jié) 異步電動機工作原理和結構 本節(jié)主要內容 一、異步電動機的主要用途和分類 二、異步電動機的主要結構 三、異步電動機的銘牌數據 四、異步電動機的工作原理 一、異步電動機的主要用途和分類 異步電動機的用途 三相異步電動機是應用最廣泛的一種電 動機，主要用作電動機拖動各種生產機械。 廠礦企業(yè)，交通工具，娛樂，科研，農業(yè)生 產，日常生活都離不開異步電動機。 異步電動機的優(yōu)點 結構簡單、容易制造、價格低廉、運行 可靠、堅固耐用、運行效率較高和具有適用 的工作特

3、征。 異步電動機的缺點異步電動機的缺點 功率因數較差。異步電動機運行時，必 須從電網里吸收滯后性的無功功率，它的功 率因數總是小于。 異步電動機運行時，定子繞組接到交流 電源上，轉子繞組自身短路，由于電磁感應 的關系，在轉子繞組中產生電動勢和電流， 從而產生電磁轉矩。所以異步電機又叫感應 電機。 異步電動機的類型 按定子相數分類按定子相數分類 單相異步電動機； 兩相異步電動機； 三相異步電動機 按轉子結構分類按轉子結構分類 鼠籠式異步電動機， 繞線式異步電動機 各種控制用電動機。各種控制用電動機。 二、異步電動機的主要結構 異步電動機在結構上也是由定子、轉子 和氣隙組成。 圖5-05 交流電動

4、機結構示意圖 1.異步電動機的定子 異步電動機的定子是由機座、定子鐵心 和定子繞組三個部分組成的。 定子鐵心定子鐵心 定子鐵心是異步電動機磁路的主要組成 部分，裝在機座里。為了降低定子鐵心的鐵 損耗，定子鐵心用用 0.5mm 厚的硅鋼片疊壓 而成的，在硅鋼片的兩面還應涂上絕緣漆。 如圖5-06和圖5-07所示。 圖5-06 交流電動機定子、轉子鐵心 定子繞組定子繞組 一般高壓大、中型容量的異步電動機定 子繞組常采用 Y 接，只有三根引出線。對中、 小容量低壓異步電動機，通常定子三相繞組 的六根出線頭都引出來，并根據實際運行需 要可接成 Y 形或形，如圖5-07所示。定子 繞組用絕緣的銅（或鋁）

5、導線繞成，嵌在定 子槽內，如圖5-08和圖5-09所示。 定子繞組聯(lián)接方式 圖5-07 定子繞組聯(lián)接方式 圖5-08 定子繞組成型線圈 圖5-09 三相交流定子繞組模型 其他部件其他部件 包括有機座，端蓋，風罩，銘牌等。 機座主要是為了固定與支撐定子鐵心。 如果是端蓋軸承電機，還要支撐電機的轉子 部分，因此，機座應有足夠的機械強度和剛 度；對中、小型異步電動機，通常用鑄鐵機 座；對大型電機，一般采用鋼板焊接機座， 整個機座和座式軸承都固定在同一底板上。 如圖5-10所示。 圖5-10 三相異步電動機定子機殼 2. 氣隙 異步電動機的氣隙比同容量直流電動機 的氣隙小得多，在中、小型異步電動機中，

6、 氣隙一般為0.21.5mm左右。 如圖所示5-11為定子鐵心和轉子鐵心之 間構成的氣隙。 圖5-11 三相異步電動機氣隙 3. 異步電動機的轉子 異步電動機的轉子是由轉子鐵心、轉子 繞組和轉軸組成的 。 轉子鐵心轉子鐵心 轉子鐵心是電動機磁路的一部分，一般 用厚度為0.5mm 左右的硅鋼片疊壓而成。鐵 心固定在轉軸或轉子支架上，整個轉子的外 表呈圓柱形。如圖5-12和5-13所示為籠型轉 子鐵心示意圖和實物圖。如圖5-14所示為轉 子鐵心沖片。如圖5-15所示為籠型轉子。 圖5-12 三相異步電動機籠型轉子鐵心 圖5-13 三相異步電動機轉子鐵心實物圖 圖5-14 三相異步電動機轉子鐵心沖片

7、 圖5-15 三相異步電動機籠型轉子實物 籠型轉子 轉子繞組轉子繞組 轉子繞組分為籠型和繞線型兩類。 籠型繞組是一個自己短路的繞組。在轉 子的每個槽里放上一根導體，在鐵心的兩端 用端環(huán)連接起來，形成一個短路的繞組。如 果把轉子鐵心拿掉，則可看出，剩下來的繞 組形狀像個松鼠籠子，如圖5-16所示，因此 又叫鼠籠轉子。導條的材料有用銅的，也有 用鋁的。 圖5-16 三相異步電動機籠型轉子繞組 繞線式轉子 繞組為三相對稱繞組，通過滑環(huán)與外串 電阻連接。如圖5-17所示為繞線式轉子鐵心 實物圖。如圖5-18所示為繞線式轉子。 特點特點 鼠籠式異步電動機結構簡單，堅固，成 本低，運行性能不如繞線式。 繞

8、線式異步電動機可通過外串電阻改善 電機的起動、調速等性能。 圖5-17 三相異步電動機繞線轉子鐵心 圖5-18 三相異步電動機繞線式轉子總成 三、異步電動機的銘牌數據 1.1.異步電動機的型號異步電動機的型號 電機產品的型號一般采用大寫印刷體的 漢語拼音字母和阿拉伯數字組成。其中漢語 拼音字母是根據電機的全名稱選擇有代表意 義的漢字，再用該漢字的第一個拼音字母組 成。例如 Y 系列三相異步電動機表示小型鼠 籠全封閉自冷式三相異步電動機。用于金屬 切削機床、通用機械、礦山機械、農業(yè)機械 等。也可用于拖動靜止負載或慣性負載較大 的機械，如壓縮機、傳送帶、錘擊機、粉碎 機、磨床、小型起重機、運輸機械

9、等。 JQ系列是高起動轉矩異步電動機，可用 在起動靜止負載或慣性負載較大的機械上。 JR系列是防護式三相繞線式異步電動機。 用于電源容量小、不能用同容量鼠籠式電動 機起動的生產機械。 JS系列是防護式三相鼠籠異步電動機。 2.異步電動機的額定值 額定功率額定功率PN：指電動機在額定運行時軸 上輸出的機械功率，單位是kw。 額定電壓額定電壓UN：指額定運行狀態(tài)下加在定 子繞組上的線電壓，單位為 V 。 額定電流額定電流 IN：指電動機在定子繞組上加 額定電壓、 軸上輸出額定功率時，定子繞組 中的線電流， 單位為 A。 額定頻率額定頻率 fN： 指我國規(guī)定工業(yè)用電的頻 率是50Hz。 額定轉速額定

10、轉速nN：指電動機定子加額定頻率 的額定電壓，且軸端輸出額定功率時電機的 轉速，單位為r/min。 額定功率因數額定功率因數 cosj jN： 指電動機定子加 額定負載時，定子邊的功率因數。 PN 與與U N 、 IN 之間的關系：之間的關系： NNNN NNNNN cosIU cosIUP j j jj 3 3 此外，在銘牌上還標明了絕緣等級與溫 升、工作方式、連接方法等。 對繞線式異步電動機還要標明轉子繞組 的接法、轉子繞組額定電動勢 E2N 和轉子的 額定電流I2N。其中 E2N 指定子施加額定電壓 時，轉子繞組的開路線電動勢 電壓與接線方式 當電動機銘牌上標明電壓電壓380/220V

11、V，接，接 法法 Y/ 時，如果電源線電壓為380V，則接 成 Y形；如果電源線電壓為220V時，則接成 形。 當電動機銘牌上標明電壓電壓380V380V，接法，接法 時，則只有這一種接法。但是在電動機起 動過程中，可以接成Y接，接在380V電源上 起動完畢，再恢復接法。 四、異步電動機的工作原理 直流電動機的基本工作原理是定子勵磁 繞組通過直流電流產生一個靜止的磁場，依 靠換向器選擇向處于磁極下的轉子繞組元件 提供直流電流，從而使其產生一種恒定方向 的電磁轉矩來實現(xiàn)電力拖動。 下面我們就來討論三相異步電動機如何 產生磁場？產生的是一種什么樣的磁場？又 如何在轉子上產生電磁轉矩？ 三相異步電動

12、機的工作原理就是三相定 子繞組通以三相交流電流產生旋轉磁場，該 旋轉磁場可在靜止的轉子繞組內感生交流電 流，進而產生電磁轉矩來實現(xiàn)拖動作用。 由此可見，旋轉磁場的產生對于三相異 步電動機來說是一個關鍵。這也是我們討論 三相異步電動機工作原理時必須首先要解決 的問題。 1. 旋轉磁場的產生 根據理論分析和實踐證明，在空間對稱 的三相繞組流過時間對稱的三相交流電流可 在鐵磁材料組成的磁路中產生極性和幅值大 小不變并以恒定轉速旋轉的磁場。 如圖5-18所示，AX、BY、CZ三個線圈 在空間彼此相隔120分布在定子內園的園周 上，構成了對稱三相繞組。 當對稱三相繞組接上三相電源，則在三 相繞組中產生時

13、間對稱的三相交流電流。 三相對稱繞組結構示意圖 旋轉磁場示意圖 圖5-19 三相對稱繞組產生二極旋轉磁場示意圖 240cos150sin 120cos30sin cos90sin tItIi tItIi tItIi mmC mmB mmA 若三相交流電流的瞬時表達式為 則三相交流電流隨時間變化的波形如圖5-20 所示。可以看出，三相交流電流是連續(xù)變化 的，且頻率為50Hz。 圖5-20 三相交流電流隨時間變化的波形圖 為了觀察對稱三相交流電流產生磁通的 情況，我們選擇六個特定時刻，它們是： t = 0 t = 60 t = 120 t = 180 t = 240 t = 300 與此同時，我們

14、規(guī)定：電流為正值時， 從線圈的首端流出，由線圈的末端流入；電 流為負值時，從線圈的末端流出，由線圈的 末端首入。這些時刻每相電流的大小和正負 分別如下： t = 0 t = 60 t = 120 iA = Im iA = Im /2 iA = -Im /2 iB = -Im /2 iB = Im /2 iB = Im iC = -Im /2 iC = -Im iC = -Im /2 t = 180 t = 240 t = 300 iA = - Im iA = - Im /2 iA = Im /2 iB = Im /2 iB = - Im /2 iB = - Im iC = Im /2 iC =

15、 Im iC = Im /2 根據右手螺旋定則，我們可以判斷出這 六個時刻三相繞組產生的合成磁場的方向和 幅值大小的規(guī)律，并由此可以推導出旋轉磁 場的轉速。如圖5-21所示。 方向：方向：依次也相隔60，與相序相同。 幅值：幅值：大小相等； 轉速：轉速：交流電流連續(xù)變化一個周期，合 成磁場也旋轉了一圈，即 n0 = 60 f1。我們稱 此為同步轉速。 圖5-21 三相交流電流產生旋轉磁場示意圖 多對極旋轉磁場的產生 異步電動機的三相繞組如按如圖5-22所 示排列，A、B、C三相繞組每相分別由兩個 線圈A1X1和A2X2、B1Y1和B2Y2、C1Z1和C2Z2 串聯(lián)組成，每個線圈跨距為四分之一圓

16、周。 同樣方法三相交流產生合成旋轉磁場。不過 該磁場為四極磁場，即有兩對極。并且每當 電流變化一個周波，該旋轉磁場僅轉半圈， 幅值和方向與前面相似，依此類推可得 n0= 60 f1/p 三相對稱繞組結構示意圖 旋轉磁場示意圖 圖5-22 三相對稱繞組產生四極旋轉磁場示意圖 2. 三相異步電動機工作原理 當三相異步電動機的對稱三相繞組接到 對稱的三相交流電源以后，即在定子和轉子 之間的氣隙中建立了以同步轉速為的旋轉磁 場。由于轉子繞組上的導條被該旋轉磁場切 割，轉子導條內產生感應電動勢，若旋轉磁 場逆時針方向旋轉，如圖5-23所示，根據右 手定則，可以判斷出上半部導條中的感應電 動勢方向均進入紙

17、面，下半部導條中的感應 電動勢方向從紙面出來。 圖5-23 三相異步電動機的工作原理 根據三相異步電動機結構特點，轉子導 條的兩端被短路，這樣不同極性下的兩組導 條因感應電動勢的方向相反就會形成閉合回 路，從而在轉子導條中產生感應電流，如果 不考慮該電流與電動勢的相位差，則電動勢 的瞬時方向就昌電流的瞬時方向。根據電磁 力定律，載流的轉子導條在磁場中必然會產 生電磁力。根據左手定則，該電磁力將會在 轉子上形成逆時針方向的電磁轉矩。 工作原理動畫演示 圖5-24 三相異步電動機工作原理動畫演示 有了電磁轉矩，轉子就會跟隨旋轉磁場 轉動起來，即轉動方向也是逆時針方向，其 轉速為 n 。如果轉子與生

18、產機械的轉動部分 相連，則轉子的電磁轉矩將克服負載轉矩而 作功，從而實現(xiàn)從電能到機械能的轉換。這 就是三相異步電動機的工作原理，如圖5-24 為工作原理的動畫演示過程。由于三相異步 電動機能量轉換過程的特點就是電磁感應， 故經常也稱為交流感應電動機。 第二節(jié) 異步電動機的定子繞組 我們知道，在交流異步電動機中要產生 旋轉磁場，并通過電磁感應可以進行能量轉 換，就必須要有交流繞組。交流繞組盡管形 式多樣，但其基本功能卻相同，即感應電動 勢、導通電流和產生電磁轉矩，所以交流繞 組的構成原則也基本相同。 由于三相雙層繞組能較好地滿足對交流 繞組的基本要求，所以現(xiàn)代動力用交流電動 機一般多采用三相雙層

19、繞組。 交流繞組的分類 按槽內層數分類按槽內層數分類 可分為單層繞組和雙層繞組。其中，單 層繞組又可分為鏈式、交叉式繞組和同心式 繞組；雙層繞組又可分為疊繞組和波繞組。 按相數分類按相數分類 可分為單相繞組、兩相繞組、三相繞組 及多相繞組。 按每極每相槽數分類按每極每相槽數分類 可分為整數槽繞組和分數槽繞組。 一、交流繞組的基本知識 1.1.電角度：電角度：在電機理論中，一對主磁極 所占有的空間為360電角度。 2.2.機械角度：機械角度：電機圓周在幾何上可分成 360 ，這個角度稱機械角度。很明顯，電角 度= p機械角度。 3.3.線圈：線圈：組成交流繞組的單元稱為線圈 而不是象直流電機稱為

20、元件。 Z p 360 p Z p D 22 4.4.槽距角：槽距角：相鄰兩槽間的距離用電角度 表示，稱為槽距角 。當定子槽數為 Z ，則 5.5.極距：極距：相鄰兩個磁極軸線之間沿定子 鐵心內表面的氣隙距離稱為極距 。當 D 為 定子內圓直徑時，則每極所占的槽數為 6.6.每極每相槽數：每極每相槽數：即每極下面每相所占 有的平均槽數，用 q 表示，當槽數為 Z ，極 對數為 p ，相數為 m 。則 pm Z q 2 q = 1的繞組稱為集中繞組， q 1的繞組稱為分布繞組。 7.7.線圈節(jié)距：線圈節(jié)距：一個線圈的兩個有效邊所 跨過定子內圓的表面距離稱為節(jié)距，用 y1表 示，一般以槽數為單位計

21、算。線圈節(jié)距等于 極距的繞組稱為整距繞組，線圈節(jié)距小于極 距的繞組稱為短距繞組，線圈節(jié)距大于極距 的繞組稱為長距繞組。 在交流電機中常用的繞組幾乎都是整距 繞組或短距繞組。 二、交流繞組的排列和聯(lián)接 根據異步電動機工作原理，對稱三相繞 組是由三個在空間互差 120電角度的三個獨 立繞組所組成，所以只要以給定的槽數和極 對數為依據，按照建立旋轉磁動勢及磁場的 要求，確定出一相的線圈在定子槽內的排列 以及線圈間的聯(lián)接方式，則對其余兩相繞組 按空間相差 120電角度的原則進行同樣的排 列和聯(lián)接，就可構成整個對稱三相繞組。 1.極距的計算 對于三相異步電動機，我們應該按照旋 轉磁動勢的要求來對稱地排列

22、三相繞組，因 此必須先根據給定的定子槽數和極對數確定 極距。 為了便于討論，給定電機的極數2p=4， 槽數Z=24，根據極距的計算公式，極距則應 為 = 6 。由于24個定子槽在定子內圓上是均 勻分布的，則該電機一個極距應跨過六個定 子槽。 2.線圈中電流的方向 對于組成交流繞組的各個線圈，其第一 節(jié)距一般約等于極距。也就是說，線圈的一 個邊在一個磁極下，另一個邊肯定在另一個 相鄰的磁極下，這樣以來，同一線圈兩個邊 的電流方向應是相反的。由于交流電機的磁 場在勻速旋轉，運動的磁極下所有的有效邊 應該不屬于同一個線圈。從異步電動機工作 原理可以看出，磁極軸線之間的一個極距下 所有邊的電流應該是同

23、一個方向。 圖5-25 兩極與四極磁動勢圖 當一個線圈的兩個邊通過方向相反的電 流時，所形成的磁動勢是一個以2為空間周 期的矩形波。如電機的極數為2，則整個定 子內圓有兩個極距，每個極距內放一個線圈 的邊，線圈的第一節(jié)距與極距相等，另一個 邊在另一個極距內，這樣產生的磁動勢為兩 極性的，如圖5-25所示。同時，圖中也展示 了當電機的磁場為四極時所建立四極磁動勢 波形。 3.相帶的概念 根據對稱的要求，每一相繞組在定子內 圓應占有相等的槽數。一般屬于每相的槽不 集中在一起，而是將其按極距對稱而均勻地 分組，每一個極距內有一個組，每一個組內 含有的槽數即為每極每相槽數。若 Z = 24， m =

24、3，2p = 4，則 q = 2。這種每個級距內屬 于同相的槽所占有的區(qū)域稱為相帶。 按照上述對磁極極性的分析結果，每個 繞組的所有相帶均需相隔一個極距。因為一 個極距為 180 電角度，而三相繞組在每個極 距內共有三個相帶，則每個相帶必為60電角 度，這樣排列的對稱三相繞組稱為60相帶繞 組。一般的三相異步電動機都采用這種60電 角度相帶的三相繞組。 4.定子槽展開圖 圖5-26 四極三相異步電動機相帶圖 三、三相單層繞組 每槽中只有一個線圈邊的三相交流繞組 稱為三相單層繞組，其線圈數為槽數的一半。 嵌放在槽內的部分稱為有效線圈邊，線圈邊 之間的連接部分稱為端部。三相單層繞組比 較適合于10

25、KW以下的小型交流異步電機。分 類：按照線圈形狀和端部連接方法的不同， 三相單層繞組主要可分為鏈式、同心式和交 叉式等型式。 圖5-27 四極鏈式三相單層繞組展開圖 圖5-28 四極交叉式三相單層繞組展開圖 圖5-29 四極同心式三相單層繞組展開圖 四、三相雙層繞組 每一槽分為上下兩層，線圈（元件）的 一個邊嵌在某槽的上層，另一邊安放在相隔 一定槽數的另一槽的下層的一種繞組結構。 雙層繞組的線圈結構和單層繞組相似，但由 于其一槽可安放兩個線圈邊，所以雙層繞組 的線圈數和槽數正好相等。根據雙層繞組線 圈形狀和連接規(guī)律，三相雙層繞組可分為疊 繞組和波繞組兩大類。下面僅介紹疊繞組。 疊繞組是指任何兩

26、個相鄰的線圈都是后 一個緊疊在另一個上面，故稱為疊繞組。 雙層疊繞組的主要優(yōu)點：雙層疊繞組的主要優(yōu)點： 1)可以靈活地選擇線圈節(jié)距來改善電動 勢和磁動勢波形； 2)各線圈節(jié)距、形狀相同，便于制造； 3)可以得到較多的并聯(lián)支路數； 4)可采用短距線圈以節(jié)約端部用銅。 雙層疊繞組的缺點：雙層疊繞組的缺點： 1)嵌線較困難，特別是一臺電機的最后 幾個線圈； 2)線圈組間連線較多，極數多時耗銅量 較大。一般10KW以上的中、小型同步電機和 異步電機及大型同步電機的定子繞組采用雙 層疊繞組。下面我們通過具體例子來說明疊 繞組的繞制方法。 3 34 36 2 pm Z q 9 4 36 2 p Z 例：例

27、：三相交流異步電動機槽數Z=36，極數為 2p =4，試繪制其三相雙層疊繞組展開圖。 解：解：首先計算極距、每極每相槽數 采用短距繞組即第一節(jié)距為y1= 8。 繪制繞組展開圖： 將同一磁極下屬于同一相帶的線圈依次 連成線圈組，則 A 相可得四個線圈組，分別 為1-2-3，10-11-12，19-20-21，28-29-30。同 理B、C兩相也各有4個線圈組。四個線圈組 的電動勢的大小相等，但同一相的兩個相帶 中的線圈組電動勢相位相反。如圖5-30所示 為其繞組展開圖。 圖5-30 四極疊式三相雙層繞組展開圖 第三節(jié) 定子繞組的磁動勢 我們知道，在三相異步電動機中，旋轉 磁場是由交流繞組通過三相

28、交流電流時產生 的磁動勢建立的。因此，我們必須分析定子 磁動勢和轉子磁動勢的分布及性質，這取決 于產生它們的電流的類型及電流的分布，而 氣隙磁通則不僅與磁動勢的分布有關，還和 所經過的磁路的性質和磁阻有關。在具體分 析時，我們將按照單個線圈、單相繞組、三 相繞組的順序，依次分析它們的磁動勢。 為了簡化分析，我們作出如下假設假設： 1)繞組中的電流是隨時間按正弦規(guī)律變 化，即只考慮繞組中的基波電流； 2)槽內電流集中在槽中心處； 3)轉子呈圓柱形，氣隙均勻； 4)鐵心不飽和，鐵心中磁壓降可忽略不 計，即認為磁動勢全部降落在氣隙上。 一、單相繞組的脈振磁動勢 線圈是組成單相繞組的基本單元，而單 相

29、繞組的磁動勢是由線圈的磁動勢合成的。 為此，我們先討論單一線圈通過交流電流時 所產生的磁動勢。 由于整距線圈的磁動勢比短距線圈的磁 動勢簡單，因此我們先來分析整距線圈的磁 動勢。 1.整距線圈的磁動勢 如圖5-31所示為一個整距線圈的磁動勢 產生圖。從圖中我們可以看到每條磁力線路 徑所包圍的電流都等于 Ny i ，其中 Ny為線圈 匝數， I 為導體中流過的電流。由于忽略了 鐵心上的磁壓降，所以總磁動勢 Ny i 可認為 是全部降落在兩段氣隙中，每段氣隙磁動勢 的大小為Ny i /2。 圖5-31 二極整距(y1=)線圈的磁動勢 a)整距線圈所建立的磁場分布 b)整距線圈磁動勢分布曲線 將(a

30、)予以展開，可得到圖(b)所示的磁 動勢波形圖。從圖中可以看到，整距線圈的 磁動勢在空間中的分布為一矩形波，其最大 幅值為 Nyi /2 。當線圈中的電流隨時間按正 弦規(guī)律變化時，矩形波的幅值也隨時間按照 正弦規(guī)律變化，頻率為交流電流的頻率。 我們把這種空間位置不變，而幅值隨時 間變化的磁動勢叫做脈振磁動勢。如圖5-32 所示。 圖5-32 不同瞬間的脈振磁動勢 則氣隙中的磁動勢為： tItIi ym sin2sin INxF yym 2 2 若線圈流過的電流為 其中，F(xiàn)cm為磁動勢的最大值 tFtINiNf ymyyy sinsin 2 2 2 1 以上分析的是一對極的情況。在多極交 流電機

31、中，可以只取一對極內的磁動勢來分 析，與兩極交流電機的磁動勢完全一樣，即 p 對極磁動勢分布波形僅是周期數增加為 p 倍而已。圖5-33所示為四極電機中交流電流 達到最大值時，兩個整距線圈磁動勢和磁場 的分布情況。 圖5-33 四極整距(y1=)線圈的磁動勢 a)整距線圈所建立的磁場分布 b)整距線圈磁動勢分布曲線 線圈組總是由相鄰槽內的 q 個線圈串聯(lián) 組成。如果把 q 個空間位置不同的矩形波相 加，合成波形成為階梯波，這將給分析帶來 困難。所以，為了便于分析，我們將矩形磁 動勢波形應用傅立葉級數對其進行分解，化 為正弦形的基波和一系列高次諧波，然后將 不同槽內的基波磁動勢和諧波磁動勢分別相

32、 加，由于正弦波磁動勢相加后仍為正弦波， 這樣就可簡化對磁動勢的分析。 將坐標原點取在線圈中心線上，橫坐標 取空間電角度 x ，用傅立葉級數對矩形波進 行分解，可得基波和一系列奇次諧波（因為 磁動勢為奇函數），如圖5-34所示。其中基 波和各奇次諧波磁動勢幅值按照傅立葉級數 求系數的方法得出，其計算如下： 2 sin 2 241 2 sin 41 cos)( 1 2 0 vIN v vF v xvxdFxF yym ymyv 圖5-34 2為周期的矩形波磁動勢傅氏變換 將基波和各奇次諧波的幅值計算出后， 就可得出磁動勢幅值的表達式為： )5cos 5 1 3cos 3 1 (cos9 . 0

33、cos3coscos 31 xxxIN vxFxFxFxF y yvyyym 其中Fy1= 0.9Ny I 為基波幅值，其它諧波幅值 為Fyv= Fy1/v。所以整距線圈磁動勢瞬時值的 表達式為： txxINtxf yy sin)3cos 3 1 (cos9 . 0， 整距線圈產生的磁動勢是一個在空間上 按矩形分布，幅值隨時間以電流頻率按正弦 規(guī)律變化的脈振波。 矩形磁動勢波形可以分解成在空間按正 弦分布的基波和一系列奇次諧波，各次諧波 均為同頻率的脈振波，對應的極對數pv=vp， 極距為v= /v。 第 v 次諧波的幅值Fyv=0.9NyI /v。 各次諧波都有一個波幅在線圈軸線上， 其正負

34、由sinv /2決定。 結論： 如前所述，交流電機的定子繞組是沿定 子內圓均勻分布的，一般有單層和雙層兩種 單層繞組一般是整距分布繞組，雙層繞組一 般是短距分布繞組。然而，無論是單層繞組 還是雙層繞組，線圈組的線圈相互之間僅隔 一個槽距角，并且是串聯(lián)的。下面我們將按 整距線圈整距線圈和短距線圈短距線圈兩種情況來分析線圈組 的磁動勢。 2.線圈組的磁動勢 1)整距線圈的磁動勢 如圖5-35(a)所示， 3 個線圈串聯(lián)成為線 圈組，由于相鄰的線圈在空間位置上相隔一 個槽距角 電角度，因而每個線圈產生的矩 形波磁動勢也相互移過一個 電角度。將 3 個線圈的磁動勢相加，就可得到整距線圈組 的磁動勢，如

35、圖中所示的階梯形波。對每個 線圈的矩形磁動勢波進行傅立葉級數分解， 可以看出，其中基波之間在空間上的位移角 也是 電角度。 圖5-35 整距線圈組的磁動勢 如圖(b)所示，把 q 個線圈的基波磁動勢 逐點相加，可求得基波合成磁動勢的最大幅 值Fq1。因為基波磁動勢在空間按正弦規(guī)律分 布，所以可以用空間矢量相加來代替波形圖 中磁動勢的逐點相加，如圖(c)所示。將這 q 個空間矢量相加，就可以得到一個線圈組的 基波磁動勢的幅值，即有 Fq1=Fy10+Fy1 +Fy1(q-1) 以上 q 個基波磁動勢矢量大小相等，方 向依次相差 電角度，聯(lián)接起來就構成了正 多邊形的一部分。設 R 為該多邊形的外接

36、圓 半徑，根據幾何理論，單個線圈的基波磁動 勢的幅值和 q 個整距線圈組的基波合成磁動 勢的幅值分別為 2 sin2 1 q RF q 2 sin2 1 RFy 11111 9 . 0 2sin 2sin qyqyyq IkqNkqF q FF 2sin 2sin 1 q q kq qyqyq IkN q kFF9 . 0 2sin 2sin q q kq 式中 為基波磁動勢分布系數。 同理，我們可推得整距線圈組高次諧波 磁動勢的幅值為 2)短距線圈組的磁動勢 對于短距線圈組，當節(jié)距縮短以后，對 合成磁動勢會產生一些影響。如圖5-36所示 為 q = 2， = 6，y1= 5的雙層短距疊繞組中

37、一 對磁極下同一相的兩個線圈組。 在分析單層繞組時已指出，線圈邊中流 過電流所形成的磁動勢與線圈邊中的電流方 向有關，而與線圈的聯(lián)接次序無關。由于線 圈是屬于同一個相的，所以所有線圈邊中的 電流相同。 圖5-36 短距線圈組的空間示意圖 實際上1、2號槽中的上層邊與6、7號槽 中的下層邊；7、8號槽中的上層邊與12、13 號槽（如果電機是兩極的，Z=12，則）中的 下層邊13號槽就是 1 號槽）的下層邊，它們 分別組成節(jié)距y1= 5的四個線圈。從形成磁動 勢的角度來說，我們可以將上層邊的1、2與 7、8；下層邊的12、13與6、7分別組成兩組 整距線圈組，而它們在空間相互之間的位移 為 e 電

38、角度。 圖5-37 短距線圈組的磁動勢 根據整距線圈組磁動勢的分析結論可得 出兩個整距線圈組各自的磁動勢基波，疊加 起來即可得到短距線圈組的磁動勢基波，若 把這兩個基波磁動勢用空間矢量表示，則這 兩個矢量的夾角正好等于兩個基波磁動勢在 空間的位移 e ，如圖(b)所示。 e 角正好是線 圈節(jié)距縮短的電角度，因而短距線圈組基波 磁動勢的最大幅值為： 11 1 q1q11 )2(9 . 0 2 y sin2 2 cos2 yqy kKIqN FFF e e 11 1 yy 1 1 2 sin y ky yq kFF2 2 cos 2 sin 1 e y ky 為諧波磁動勢的節(jié)距系數。 同理，短距線

39、圈組的高次諧波磁動勢的 幅值為 式中 ， 稱 從上述節(jié)距系數的表達式可以看出，當 y1= /時，因為 為奇數，代入得ky= 0， 即節(jié)距 y1比整距縮短 / 時，可消除 次諧 波磁動勢。例如要消除五次諧波磁動勢，可 將線圈節(jié)距選為4 /5，此時的 e 36 。所以 從消除和削弱磁動勢中某次諧波來說，采用 短距線圈組，這樣有利于改善電機繞組中的 磁動勢波形。 3)相繞組的磁動勢 綜合以上關于整距線圈組和短距線圈組 磁動勢的分析，我們可得出一個結論：繞組 由集中的改為分布的，其基波合成磁動勢應 乘以系數kq1，線圈由整距的改為短距的，基 波合成磁動勢也應乘以系數ky1；如果繞組由 集中整距的改為分

40、布短距的，則基波合成磁 動勢應乘以kq1ky1；同時其諧波合成磁動勢應 乘以kqky。 換句話說，由短距線圈組成的分布繞組 的基波合成磁動勢幅值等于具有相同匝數的 整距集中繞組的基波合成磁動勢的幅值乘以 系數 kq1ky1 。我們將分布系數 kq1 與節(jié)距系數 ky1之積稱為基波繞組系數，用kw1表示。即 kw1=kq1ky1 對于 次諧波，則有 kw=kq ky 雖然相繞組是由 q 個線圈的線圈組聯(lián)接 而成，但相繞組的磁動勢并不是整個相繞組 的安匝數，而是指每對極下該相繞組的合成 磁動勢，而相繞組的總安匝數是按極對數平 均分配的。所以，單相繞組基波合成磁動勢 的幅值是指相繞組在一對極下線圈中

41、的電流 所形成磁動勢的基波的幅值，諧波磁動勢的 幅值也是按一對極來考慮的。 y qN p N 2 對于每極每相槽數為 q 、極對數為 p 的 雙層短距繞組，每個線圈組有 q 個線圈，若 每個線圈的匝數為Ny，則一相繞組每對極下 線圈匝數為2qNy。當相繞組串聯(lián)總匝數為 N 時，則有 基波合成磁動勢的幅值和n次諧波合成 磁動勢的幅值分另別為 v Nyvqvv k vp IN kk vp IN F9 . 09 . 0 11111 9 . 02 wyqq k p IN kkFF tx v k v xk xkxk p IN txf wvw ww sin)cos 15 cos 5 1 3 cos 3 1

42、 cos(9 . 0),( 5 311 如果將空間坐標原點選取在相繞組的軸 線上，則單相繞組的磁動勢方程式為 f1+和f1-表示時刻 t ，磁動勢沿氣隙 圓周方向按正弦波分布，幅值為原脈振磁動 勢最大幅值的一半。 txFf sincos 11 11 11 )sin( 2 1 )sin( 2 1 ff xtFxtF 3.脈振磁動勢的分解 我們對單相繞組脈振磁動勢的基波表達 式進行變換 但是隨著時間的推移，這個在空間按正 弦波分布的磁動勢的位置卻發(fā)生了變化，而 幅值不變。我們來看以下幾種情況： 當t = 90、x = 0時，f1+和f1-均為正的 最大值，如圖所示。當t =180、x =90時，

43、f1+在空間上要沿著正方向旋轉90，而同時 f1-也要沿著負方向旋轉90， 但f1+和f1-均 為正的最大值，顯然此時的合成磁動勢為零， 如圖所示。 當t = 270、x =180時，f1+和 f1-均為 負的最大值，如圖所示。當t =0、x =90時， f1+在空間上要沿著負方向旋轉90，而同時 f1-也要沿著正方向旋轉90，但 f1+和f1- 均為負的最大值，顯然此時的合成磁動勢為 零，如圖5-38所示。 依次類推，可見，磁動勢波推移的角速 度與交流電流的角頻率相等。 圖5-38 脈振磁動勢的分解 1)單相繞組的磁動勢是空間位置固定、 幅值隨時間以電流的頻率按正弦規(guī)律變化的 脈振磁動勢。

44、2)脈振磁動勢可分解成空間基波和一系 列奇次諧波。基波和各次諧波為沿氣隙圓周 方向按正弦波分布的脈振磁動勢。 3)脈振磁動勢可分解為兩個轉速相等、 轉向相反的旋轉磁動勢，其幅值為原脈振磁 動勢最大幅值的一半。 結論 二、三相繞組產生的磁動勢 由于現(xiàn)代電力系統(tǒng)采用三相制，這樣無 論是同步電機還是異步電機大多采用三相繞 組，因此分析三相繞組的合成磁動勢是研究 交流電機的基礎。由于基波磁動勢對電機的 性能有決定性的影響，因此本節(jié)將首先分析 基波磁動勢。 三相繞組合成磁動勢的分析方法主要有 三種，即數學分析法、波形疊加法和空間矢 量法。本節(jié)將采用數學分析法和空間矢量法 來對三相繞組合成磁動勢的基波進行

45、分析。 1.數學分析法 三相電機的定子繞組一般采用對稱三相繞 組，即三相繞組在空間上互差120電角度，繞 組中三相電流在時間上也互差120電角度。這 樣，我們設通入三相電流所產生的磁動勢為 )240sin()240cos(),( )120sin()120cos(),( sincos),( 11 11 11 txFxtf txFxtf txFxtf C B A 圖5-39三相繞組磁動勢矢量示意圖 采用脈振磁動勢分解方法將每相脈振磁 動勢分解為兩個旋轉磁動勢，則有 )120sin( 2 )sin( 2 ),( )240sin( 2 )sin( 2 ),( )sin( 2 )sin( 2 ),( 1

46、1 1 11 1 11 1 xt F xt F xtf xt F xt F xtf xt F xt F xtf C B A 將上述三式相加，后三項代表的三個旋 轉磁動勢空間互差120，其和為零，于是三 相合成磁動勢的基波為 )sin()sin( 2 3 ),(),(),(),( 11 1111 xtFxtF xtfxtfxtfxtf cBA 式中F1 為三相合成的基波磁動勢幅值，即 111 35. 1 2 3 w k p IN FF 在合成磁動勢的表達式中， 為三相合 成磁動勢基波在相平面上旋轉的電角速度。 因為 = 2pf1，并考慮到電機的極對數為 p， 則三相合成磁動勢基波的轉速為： p

47、f p f n 11 1 60 2 260 如圖5-39所示為定子繞組接線方式和 產生磁動勢示意圖。 2.空間矢量法 用空間矢量法來分析三相繞組合成磁動 勢，即用空間矢量把一個脈振磁動勢分解為 兩個旋轉磁動勢，然后進行矢量相加，這個 方法比前面的數學分析法更直觀。 畫空間矢量圖時，只能畫出某一時刻旋 轉磁動勢的大小和位置。無論畫哪個時刻的 都可以，各矢量間的相對關系是不會變的。 如圖5-40和5-41所示為空間磁動勢矢量示意 圖。 例如畫t = 0的時刻。當t = 90時 A 相 電流達到正的最大值，A 相的兩個旋轉磁動 勢分量位于 A 相的相軸上?，F(xiàn)在 t = 0，它 們各自應從 A相的軸線

48、上后退90。由于ib 在 時間上經過210后才能達到最大值，因此 B 相的兩個旋轉磁動勢各自應從 B 相的軸線上 后退210。同理， ic 在時間上經過 330后才 能達到最大值，因此C 相的兩個旋轉磁動勢 分量各自應從C 相的軸線上后退330。 ACBA CBA FFFFF FFF 3 0 1 圖5-40 三相繞組磁動勢矢量疊加示意圖 再如畫t = 90的時刻，即A相電流達到 正的最大值， A 相的兩個旋轉磁動勢分量位 于 A 相的相軸上。 ib 在時間上經過120后才 能達到最大值，因此 B 相的兩個旋轉磁動勢 分量需經過 120后才能到達 B 軸，它們各自 應從 B 相的軸線上后退 12

49、0。 ic 在時間上經 過 240后才能達到最大值，因此 C 相的兩個 旋轉磁動勢分量需經過 240后才到達 C 軸， 它們各自應從C相的軸線上后退240。 ACBA CBA FFFFF FFF 3 0 1 圖5-41 三相繞組磁動勢矢量疊加示意圖 2.合成磁動勢的轉速，即同步轉速 111 35. 1 2 3 w K p IN FF min)/( 60 1 r p f n 結論 1.對稱三相繞組通過對稱三相電流時， 三相繞組基波合成磁動勢是一個在空間按正 弦分布、幅值恒定的圓形旋轉磁動勢，幅值 為每相基波脈振磁動勢最大幅值的3/2倍， 即 3.合成磁動勢的轉向取決于三相電流的 相序及三相繞組在

50、空間的排列。即合成磁動 勢是從流過超前電流相的繞組軸線轉向電流 滯后相的繞組軸線。改變電流相序即可改變 旋轉磁動勢的轉向。 4.旋轉磁動勢的瞬時位置視相繞組電流 大小而定，當某相電流達到正的最大值時， 合成磁動勢的正幅值就正好該相繞組軸線重 合。 第三節(jié) 異步電動機定子繞組的電動勢 在異步電動機中，一般定子繞組中的感 應電動勢應隨時間作正弦變化，這就要求電 機氣隙中磁場沿空間為正弦分布。為此，可 以采取各種結構參數使磁場盡可能接近正弦 波，例如從磁極形狀、氣隙大小等方面進行 考慮。 本節(jié)首先分析在正弦分布磁場下定子繞 組中的感應電動勢。我們首先分析一個導體 內的感應電動勢的大小，然后再分析整個

51、定 子繞組的感應電動勢。 當氣隙磁場的磁通密度Bd 在空間按正弦 波分布時，設其最大磁密為B1m，即 Bd = B1msint 當導體切割氣隙磁場時有 tEtlvBlvBe mcmc d sinsin 111 1 2 60 2 fn p v 一、導體的感應電動勢 故導體感應電動勢的有效值為 式中 代入上式可得一個導體內的電動勢為 mmav BxdxBB 1 0 1 2 sin 1 lBav 1 11111 22. 2 2 2 ffEc 因為正弦波磁通密度的平均值為 每極磁通為 lBf lvBE E m mmc 11 11 c1 2 22 1.1.整距線圈的感應電動勢整距線圈的感應電動勢 如圖5

52、-42所示為y1= 的單匝整距線圈感 應電動勢產生示意圖。當旋轉磁場旋轉時， 單匝線圈切割在氣隙中呈正弦分布的磁場。 雖然單匝線圈的兩個有效邊在旋轉磁場中的 不同磁極下，但其空間位置相同，因此，其 感應電動勢的瞬時值大小相等而方向相反， 故單匝整距線圈的感應電動勢為 二、單個線圈的感應電動勢 111)( 2 1 cccyc EEEE 圖5-42 整距線圈組的磁動勢 其有效值為 1111 1 44. 422 2 ff EE cc 11 44. 4fNENE ycyy 線圈一般由導體繞成，只有當 Ny=1 時 才稱為單匝線圈。那么，一個匝數為 Ny 的 整距線圈其感應電動勢的有效值則為 2.短距線

53、圈的感應電動勢 如圖5-43所示為 y1 的整距線圈在磁場 中產生感應電動勢示意圖。從圖中可看出， 短距線圈的兩個有效邊在旋轉磁場中的不同 磁極下，其空間位置不同，從而導致其一個 有效邊的感應電動勢瞬時值和另一個有效邊 有一個相位差，該相位差已在分析磁動勢時 給出。 e 1 1 y 圖5-43 短距線圈的磁動勢 111)( 44. 4 2 cos 11 e fkNEE yyyyyy 所以根據矢量計算方法，短距線圈的感 應電動勢的有效值為 式中ky1為線圈的節(jié)距系數，其大小為 2 sin 2 cos 1 1 ey ky 很明顯，對于短距線圈來說，不管其第 一節(jié)距大于極距還是小于極距，其節(jié)距系數

54、總是小于 1 。 我們知道，交流電機的相繞組是由均勻 分布的相同的線圈去組成線圈組，再由線圈 組聯(lián)接而成。在雙層繞組中，每個磁極下 q 個線圈串聯(lián)組成線圈組。在單層繞組中，每 對極下的 q 個線圈串聯(lián)組成線圈組。雖然有 些繞組在形式上由不同節(jié)距的線圈組成線圈 組，但實質上，由于線圈邊聯(lián)接次序對于相 電動勢來說是無關的，這些不同節(jié)距的線圈 組可轉化等效為整距線圈組。 三、線圈組的電動勢 線圈組中每個線圈的匝數相等，節(jié)距也 相同。由于在圓周表面上均勻分布，它們在 空間上依次相差一個槽距角 ，因此旋轉磁 場在每個線圈中產生感應電動勢的大小、波 形均相同，只在相位上依次相差 電角度， 故線圈組的總電動

55、勢應為 q 個線圈感應電動 勢的相量和，即 10 1111 qEEEE yyyq 1111 2 sin 2 sin qyyq KqE q q qEE 2 sin 2 sin 1 q q kq 有效值相等、相位依次相差 電角度的 q 個感應電動勢相量相加如圖5-44所示，從 而可以得出線圈組感應電動勢的有效值為 式中 為繞組的分布系數。 圖5-44 整距線圈組的磁動勢 整個線圈組電動勢的有效值為 式中 kw1= ky1kq1稱為繞組系數，用于因短距 和分布引起線圈組電動勢減小的程度。 111 11111 44. 4 44. 4 wy yqyq kfqN kkfqNE 我們知道在交流電機中，每相繞

56、組由 k 個（單層繞組）或2k個（雙層繞組）線圈組 串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)組成。這些線圈在結構 上相同，在磁場中的位置相對應，所以各線 圈組的電動勢大小相等、相位相同，將各線 圈組串聯(lián)，則整個相繞組為一條支路，則相 感應電動勢就是各線圈組感應電動勢之和， 如并聯(lián)聯(lián)接，相繞組為多支路，則每條支路 的感應電動勢就是相感應電動勢。 四、相繞組感應電動勢 y qN a k N 111111 11111 44. 4 44. 4 ww y wyq kNfkf a kqN kfqN a k E a k E 對單層繞組來說，每個相繞組有 k 個線 圈組， a 個并聯(lián)支路數，若線圈匝數為Ny， 則每個相繞組串聯(lián)的匝

57、數為 故單層繞組相電動勢的有效值為 y qN a k N 2 111111 11111 2 44. 4 44. 4 22 ww y wyq kNfkf a kqN kfqN a k E a k E 對雙層繞組來說，每個相繞組有2k個線 圈組， a 個并聯(lián)支路數，若線圈匝數為Ny， 則每個相繞組串聯(lián)的匝數為 故雙層繞組相電動勢的有效值為 在得到對稱的三相繞組的相感應電動勢 后，根據交流電機的繞組星形或三角形接法， 則可計算出其線電動勢。 上述計算公式是交流電機中交流繞組感 應電動勢有效值的普遍公式，是電機與拖動 這門課程的重要公式之一。 五、感應電動勢中的高次諧波 1.1.非正弦分布磁場下的諧波

58、電動勢非正弦分布磁場下的諧波電動勢 在交流電機中，磁場是難以成為正弦波 分布的，磁極磁場沿電機電樞表面可能呈平 頂波形甚至馬鞍波形，如圖5-45所示。它不 僅對稱于橫軸，而且和磁極中心線對稱。應 用傅立葉級數將其分解可得到基波和一系列 奇次諧波，圖中分別畫出了其第3和第5次諧 波。由于基波和高次諧波都是空間波，所以 磁密波也為空間波。 圖5-45 繞組的高次諧波磁動勢波形示意圖 對于第 次諧波磁場，其極對數為基波 的 倍，而極距則為基波的 1/ 。諧波磁場 隨轉子旋轉而形成旋轉磁場，其轉速與基波 相同，均為轉子的轉速 。因此諧波磁場在 定子繞組中感應電動勢的頻率為 1 6060 vf vpnn

59、p f vv v 則 次諧波電動勢的有效值為 fNkE w 44. 4 lBlB mm 122 式中 次諧波的每極磁通量為 Bm是次諧波磁通密度的幅值。 計算出各次諧波電動勢的有效值之后， 則相電動勢的有效值應為 .)()(1 . 2 1 52 1 3 1 5 2 3 2 1 2 E E E E E EEEE 由于磁極磁場非正弦分布所引起的電機 定子繞組電動勢的高次諧波，會產生如下許 多不良的影響， 1.使電機電動勢波形變壞； 2.使電機本身的附加損耗增加，效率降 低，溫升增高； 3.使電機產生附加損耗和附加轉矩，影 響其運行性能。 2.諧波電動勢的削弱方法 為盡量減少上述問題產生，工程中采取

60、 如下方法來盡量削弱電動勢中的高次諧波， 使電動勢波形接近于正弦。 1)使氣隙磁場沿電樞表面的分布盡量接 近正弦波形。 2)用三相對稱繞組的聯(lián)結來消除線電動 勢中的3次及其倍數次奇次諧波電動勢。 3)用短距繞組來削弱高次諧波電動勢。 4)采用分布繞組削弱高次諧波電動勢。 5)采用斜槽削弱齒諧波電動勢。 第五節(jié) 異步電動機運行的電磁過程 本節(jié)主要內容： 一、磁動勢 二、磁動勢平衡 三、感應電動勢 四、基本方程式 一、磁動勢 正方向的規(guī)定正方向的規(guī)定 如圖5-46所示的箭頭指向，均表示各量 的正方向，磁動勢、磁通和磁感應強度都是 從定子出來而進入轉子的方向為它們的正方 向。 定子、轉子空間坐標軸的