《交流電機(jī)磁動(dòng)勢(shì)》課件

交流電機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)了解交流電機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)特性是設(shè)計(jì)和操作交流電機(jī)的關(guān)鍵。本節(jié)將深入探討交流電機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生原理和特點(diǎn)。學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握交流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)了解交流電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子的組成及其作用。理解三相和單相繞組的特點(diǎn)學(xué)習(xí)三相繞組和單相繞組的繞組形式及其產(chǎn)生磁場(chǎng)的原理。分析磁動(dòng)勢(shì)的特點(diǎn)掌握交流電機(jī)中磁動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生、時(shí)間和空間變化規(guī)律。計(jì)算磁性能指標(biāo)學(xué)會(huì)計(jì)算交流電機(jī)的電樞磁動(dòng)勢(shì)、鐵損等關(guān)鍵參數(shù)。交流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)交流電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。定子由鐵芯和繞組構(gòu)成，負(fù)責(zé)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子則由鐵芯和導(dǎo)體繞組或永磁體構(gòu)成，接受定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)并產(chǎn)生電磁力轉(zhuǎn)矩。兩部分通過(guò)空氣間隙連接,構(gòu)成了電機(jī)的磁路。不同結(jié)構(gòu)的交流電機(jī),其定子和轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)也有所不同。三相繞組的基本特點(diǎn)繞組結(jié)構(gòu)三相繞組由三組相互正交的單相繞組構(gòu)成，每相繞組之間相差120度電角。每相繞組包含許多串聯(lián)的線圈。磁場(chǎng)分布三相繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布呈現(xiàn)3個(gè)正弦波形的磁極，夾角相差120度。這種磁場(chǎng)分布使電機(jī)能夠產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。電壓波形三相繞組輸出的電壓呈現(xiàn)正弦波形,相電壓之間相差120度。這種電壓波形有利于產(chǎn)生平滑的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。單相繞組的基本特點(diǎn)極性簡(jiǎn)單單相繞組只有一個(gè)磁極對(duì)，結(jié)構(gòu)和制造都更加簡(jiǎn)單。磁場(chǎng)脈動(dòng)單相繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)隨時(shí)間呈現(xiàn)脈動(dòng)變化，不如三相繞組磁場(chǎng)平穩(wěn)。效率較低由于磁場(chǎng)脈動(dòng)和鐵心飽和的影響，單相電機(jī)的效率通常低于三相電機(jī)。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大單相電機(jī)的轉(zhuǎn)矩會(huì)產(chǎn)生較大的脈動(dòng)，從而增加機(jī)械振動(dòng)。三相繞組的產(chǎn)生磁動(dòng)勢(shì)1相位A產(chǎn)生沿x軸的磁動(dòng)勢(shì)2相位B產(chǎn)生沿y軸的磁動(dòng)勢(shì)3相位C產(chǎn)生沿z軸的磁動(dòng)勢(shì)4合成磁動(dòng)勢(shì)三相繞組的磁動(dòng)勢(shì)為三個(gè)相磁動(dòng)勢(shì)的矢量和5旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)三相繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)三相繞組通過(guò)三個(gè)相繞組構(gòu)成,每個(gè)相繞組在不同的時(shí)刻產(chǎn)生不同的磁動(dòng)勢(shì)。相位A、B、C三個(gè)相繞組分別產(chǎn)生沿x、y、z軸的磁動(dòng)勢(shì),這三個(gè)磁動(dòng)勢(shì)矢量相加即可得到三相繞組的合成磁動(dòng)勢(shì),形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。單相繞組的產(chǎn)生磁動(dòng)勢(shì)流過(guò)單相繞組的電流單相繞組中流過(guò)的電流會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁動(dòng)勢(shì)。這個(gè)磁動(dòng)勢(shì)會(huì)沿著繞組的軸線方向變化。磁場(chǎng)線的分布這種磁動(dòng)勢(shì)會(huì)在電機(jī)的空間中產(chǎn)生磁場(chǎng)線。磁場(chǎng)線會(huì)圍繞著繞組的軸線呈現(xiàn)閉合曲線。磁動(dòng)勢(shì)的方向變化當(dāng)電流隨時(shí)間變化時(shí),磁動(dòng)勢(shì)的方向也會(huì)隨之發(fā)生變化,產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。電壓和磁動(dòng)勢(shì)的關(guān)系電壓磁動(dòng)勢(shì)從圖中可以看出，電壓和磁動(dòng)勢(shì)之間存在著正比關(guān)系。隨著電壓的升高，磁動(dòng)勢(shì)也隨之上升。此關(guān)系符合電磁感應(yīng)的基本規(guī)律。磁動(dòng)勢(shì)的合成1分量的確定根據(jù)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和電磁原理,可以確定電機(jī)各部件的磁動(dòng)勢(shì)分量。2分量的矢量表示將各部件的磁動(dòng)勢(shì)分量用矢量來(lái)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,將各部件的磁動(dòng)勢(shì)分量合成為總的磁動(dòng)勢(shì)。磁動(dòng)勢(shì)的調(diào)制1空間調(diào)制通過(guò)繞組的布置來(lái)調(diào)節(jié)磁動(dòng)勢(shì)的空間分布2時(shí)間調(diào)制通過(guò)電流的波形調(diào)制來(lái)控制磁動(dòng)勢(shì)的時(shí)間變化3頻率調(diào)制通過(guò)調(diào)整電源頻率來(lái)改變磁動(dòng)勢(shì)的頻譜磁動(dòng)勢(shì)可以通過(guò)多種方式進(jìn)行調(diào)制,包括調(diào)整繞組布置、電流波形以及電源頻率等。這些調(diào)制手段可以有效地控制磁動(dòng)勢(shì)的空間分布、時(shí)間變化特性以及頻譜特性,從而滿足電機(jī)設(shè)計(jì)和控制的各種需求。磁動(dòng)勢(shì)的分布曲線電機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)分布曲線描述了磁動(dòng)勢(shì)沿電機(jī)空隙周向的分布情況。這一分布曲線反映了電機(jī)定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)在空間中的分布特征。合理設(shè)計(jì)繞組及電機(jī)結(jié)構(gòu)可以使磁動(dòng)勢(shì)分布曲線更加接近正弦波形,從而提高電機(jī)的性能和效率。分析磁動(dòng)勢(shì)分布曲線對(duì)于優(yōu)化電機(jī)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。磁動(dòng)勢(shì)的時(shí)間變化1交變磁動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間呈周期性變化2正弦磁動(dòng)勢(shì)具有正弦波形3頻率頻率取決于電機(jī)的極對(duì)數(shù)和轉(zhuǎn)速交流電機(jī)中的磁動(dòng)勢(shì)是隨時(shí)間呈周期性變化的,具有正弦波形特征。其頻率取決于電機(jī)的極對(duì)數(shù)和轉(zhuǎn)速,通常為50Hz或60Hz。這種時(shí)間變化特性是交流電機(jī)工作的基礎(chǔ)。磁動(dòng)勢(shì)的空間分布磁場(chǎng)三維分布電磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)呈現(xiàn)三維空間分布，磁力線密集分布在鐵芯附近。通過(guò)控制電流大小和鐵芯形狀可以調(diào)整磁場(chǎng)的空間分布。繞組磁場(chǎng)分布電機(jī)定子繞組通過(guò)產(chǎn)生交流電流來(lái)創(chuàng)造旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。每相繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)在空間中構(gòu)成不同方向的分量，最終合成為旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。磁場(chǎng)密度分布電機(jī)磁場(chǎng)的磁通密度在鐵芯內(nèi)部較高，在氣隙和外部環(huán)境中較低。這種分布特點(diǎn)可以提高電機(jī)的效率和轉(zhuǎn)矩。電樞磁動(dòng)勢(shì)電樞繞組的產(chǎn)生電樞繞組設(shè)置在電機(jī)定子上，由定子上的線圈組成。當(dāng)電樞繞組通電時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電樞磁動(dòng)勢(shì)。這種磁動(dòng)勢(shì)會(huì)與極對(duì)磁場(chǎng)磁動(dòng)勢(shì)相互作用，產(chǎn)生電磁力矩。電樞磁動(dòng)勢(shì)的性質(zhì)電樞磁動(dòng)勢(shì)是一個(gè)沿空間分布的磁動(dòng)勢(shì)波。它的大小和方向會(huì)隨著電樞電流的變化而變化。電樞磁動(dòng)勢(shì)的大小由電樞電流和繞組參數(shù)決定。磁極磁動(dòng)勢(shì)1磁極磁動(dòng)勢(shì)的定義磁極磁動(dòng)勢(shì)是由永磁體或電磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)。它是交流電機(jī)中起重要作用的一種磁動(dòng)勢(shì)。2磁極磁動(dòng)勢(shì)的特點(diǎn)磁極磁動(dòng)勢(shì)具有穩(wěn)定性和可控性的特點(diǎn),可以通過(guò)調(diào)整勵(lì)磁電流來(lái)調(diào)整磁場(chǎng)。3磁極磁動(dòng)勢(shì)的作用磁極磁動(dòng)勢(shì)是交流電機(jī)中形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的主要來(lái)源,是電樞磁動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的基礎(chǔ)。4磁極磁動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式磁極磁動(dòng)勢(shì)可以用余弦函數(shù)來(lái)表達(dá),并且幅值與勵(lì)磁電流成正比。磁動(dòng)勢(shì)的一般表達(dá)式精確描述磁動(dòng)勢(shì)可以用一般數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)描述。通過(guò)這個(gè)表達(dá)式可以完整地表示磁動(dòng)勢(shì)的時(shí)間變化和空間分布特性。核心因素磁動(dòng)勢(shì)的一般表達(dá)式包含繞組數(shù)、電流和空間角度等關(guān)鍵參數(shù),能全面反映磁動(dòng)勢(shì)的形成過(guò)程。應(yīng)用分析利用磁動(dòng)勢(shì)的一般表達(dá)式,可以深入分析電機(jī)運(yùn)行特性,為電機(jī)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供理論依據(jù)。推廣應(yīng)用這種磁動(dòng)勢(shì)表達(dá)式不僅適用于交流電機(jī),也可以推廣到其他電機(jī)類型,為電機(jī)理論研究提供共性依據(jù)。磁動(dòng)勢(shì)的空間諧波在交流電機(jī)中,磁動(dòng)勢(shì)并非完全正弦波形,存在著不同次諧波的疊加。這些空間諧波會(huì)對(duì)電機(jī)性能產(chǎn)生不利影響,需要通過(guò)優(yōu)化繞組設(shè)計(jì)和磁路結(jié)構(gòu)加以抑制。常見(jiàn)空間諧波產(chǎn)生原因影響1、3、5、7等奇次諧波三相繞組的不平衡及分布不均勻造成額外鐵損和熱量損耗2、4、6等偶次諧波繞組斜度、芯槽比不夠理想產(chǎn)生額外轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)通過(guò)精心設(shè)計(jì)繞組和優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu),可有效降低空間諧波含量,提高電機(jī)效率和性能。磁動(dòng)勢(shì)的時(shí)間諧波5050次諧波交流電機(jī)磁動(dòng)勢(shì)包含了眾多高次諧波成分20%20%損耗高次諧波會(huì)導(dǎo)致20%左右的額外鐵損55階諧波5階諧波是最主要的諧波成分之一交流電機(jī)中產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)并非正弦波形,而是由大量高次諧波疊加而成。這些高次諧波會(huì)導(dǎo)致額外的鐵損,降低電機(jī)的效率。5階諧波是其中最主要的一個(gè)諧波成分。工程師需要通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)盡量減小這些諧波對(duì)電機(jī)性能的影響。磁動(dòng)勢(shì)的損耗鐵心損耗交流電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中,磁場(chǎng)在鐵心內(nèi)部不斷變化,會(huì)產(chǎn)生渦流和磁滯損耗,這些都屬于鐵心損耗的一部分。銅損耗繞組中的電流會(huì)產(chǎn)生電阻損耗,這部分損耗被稱為銅損。銅損的大小與電流大小和繞組電阻值有關(guān)。額外損耗機(jī)械摩擦、通風(fēng)阻力以及額外的鐵心和銅損也會(huì)產(chǎn)生額外損耗,影響電機(jī)的整體效率。電磁轉(zhuǎn)矩1產(chǎn)生原理電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子之間存在著相互作用,產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)與電流相互作用,從而產(chǎn)生電磁力矩。2計(jì)算公式電磁轉(zhuǎn)矩等于定子磁動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)之積乘以一個(gè)系數(shù)。3影響因素電磁轉(zhuǎn)矩的大小受到電機(jī)結(jié)構(gòu)、飽和程度、電流頻率等多方面因素的影響。4調(diào)節(jié)方法通過(guò)調(diào)整電壓、頻率、電流等參數(shù),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的有效控制。電機(jī)鐵芯的磁飽和磁飽和現(xiàn)象在電機(jī)運(yùn)作過(guò)程中,鐵芯內(nèi)部的磁通密度會(huì)不斷增加,直至達(dá)到飽和狀態(tài)。此時(shí),磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加將不再導(dǎo)致磁通密度的明顯上升。磁飽和對(duì)性能的影響鐵芯磁飽和會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)、電磁轉(zhuǎn)矩和效率等性能指標(biāo)降低。因此需要在設(shè)計(jì)時(shí)合理考慮磁飽和的影響。防止磁飽和通過(guò)調(diào)整電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)、合理設(shè)計(jì)磁路、控制勵(lì)磁電流等措施,可以有效防止鐵芯過(guò)度飽和,提高電機(jī)性能。鐵心磁化特性非線性特性鐵心材料的磁化特性呈非線性關(guān)系,即磁通密度與磁場(chǎng)強(qiáng)度之間不是線性關(guān)系。飽和特性隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大,鐵心材料會(huì)達(dá)到磁飽和狀態(tài),此時(shí)磁通密度增加很小。滯后特性鐵心材料在磁化和退磁過(guò)程中存在磁滯現(xiàn)象,即磁通密度和磁場(chǎng)強(qiáng)度之間存在滯后。鐵損的計(jì)算不同類型的鐵損對(duì)電機(jī)運(yùn)行效率和發(fā)熱都有重大影響。準(zhǔn)確計(jì)算鐵損是設(shè)計(jì)和優(yōu)化電機(jī)的關(guān)鍵。通過(guò)測(cè)試和分析,可以得出各類鐵損的具體數(shù)值,為進(jìn)一步提高電機(jī)性能奠定基礎(chǔ)。轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)子電流的產(chǎn)生轉(zhuǎn)子繞組中的電流通過(guò)電磁感應(yīng)產(chǎn)生,它們隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)而變化,從而產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁動(dòng)勢(shì)。磁動(dòng)勢(shì)的特點(diǎn)轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)子電流密切相關(guān),其大小和方向隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和負(fù)載變化而變化。磁動(dòng)勢(shì)的作用轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)與定子磁動(dòng)勢(shì)的相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。這是交流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)。磁動(dòng)勢(shì)的分布轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)沿空氣隙周向分布,其分布形狀和大小依賴于轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)和工作狀態(tài)。定子磁動(dòng)勢(shì)三相定子繞組交流電機(jī)的定子繞組通常采用三相繞組布置,通過(guò)流經(jīng)繞組的交流電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁動(dòng)勢(shì)。定子磁動(dòng)勢(shì)波形定子磁動(dòng)勢(shì)由三相電流產(chǎn)生,具有正弦波形,隨時(shí)間和空間角度的變化而變化。定子磁動(dòng)勢(shì)矢量定子磁動(dòng)勢(shì)可用矢量表示,其大小和方向隨時(shí)間和空間角度的變化而變化。總磁動(dòng)勢(shì)矢量合成電機(jī)內(nèi)部的定子磁動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)通過(guò)矢量合成得到總磁動(dòng)勢(shì)。幅值變化隨著電機(jī)負(fù)載的變化,定子和轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)的幅值及相位也會(huì)發(fā)生變化。精確控制精細(xì)地控制總磁動(dòng)勢(shì)可以提高電機(jī)的效率和性能。溫度對(duì)磁性能的影響1熱膨脹溫度升高會(huì)導(dǎo)致材料體積的膨脹,從而改變磁路的幾何尺寸,影響磁性能。2晶格畸變溫度變化會(huì)引起晶格的熱膨脹和變形,進(jìn)而改變?cè)优帕?影響磁性能。3原子磁矩變化溫度升高會(huì)增加原子熱振動(dòng),減弱原子間的交換作用,降低磁性能。4鐵損增加溫度升高會(huì)導(dǎo)致渦流和滯回?fù)p耗增大,從而降低磁性能。結(jié)構(gòu)對(duì)磁性能的影響電機(jī)結(jié)構(gòu)差異不同類型的電機(jī)，如異步電機(jī)和同步電機(jī)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在差異。這些結(jié)構(gòu)上的差異會(huì)對(duì)電機(jī)的磁性能產(chǎn)生影響。材料選擇電機(jī)的鐵心和繞組材料的選擇也會(huì)影響其磁性能。不同材料具有不同的磁導(dǎo)率和磁滯損耗特性。結(jié)構(gòu)尺寸電機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸，如鐵芯厚度、槽大小等也會(huì)影響電機(jī)的磁場(chǎng)分布和磁飽和特性。散熱設(shè)計(jì)良好的散熱設(shè)計(jì)可以降低電機(jī)運(yùn)行溫度,從而提高電機(jī)的磁性能和整體性能。工作特點(diǎn)對(duì)磁性能的影響運(yùn)行條件電機(jī)的工作特點(diǎn),如運(yùn)行電壓、電流、轉(zhuǎn)速等,會(huì)影響電機(jī)鐵芯的磁性能和功耗。需要根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行分析和測(cè)試。材料選擇不同的鐵芯材料有不同的磁性能,在選型時(shí)需要綜合