第十一章交流電樞繞組的磁動(dòng)勢

第十一章交流電樞繞組的磁動(dòng)勢第1頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四認(rèn)識交流電機(jī)的電樞（定子）磁場1從實(shí)例看電樞磁場在能量轉(zhuǎn)換中的作用從同步電動(dòng)機(jī)模型理解電樞磁場在能量轉(zhuǎn)換中的作用：電樞的旋轉(zhuǎn)磁場的磁極代替手動(dòng)磁鐵的驅(qū)動(dòng)作用。第2頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四1從實(shí)例看電樞磁場在能量轉(zhuǎn)換中的作用電樞的旋轉(zhuǎn)磁場的磁極代替手動(dòng)磁鐵的驅(qū)動(dòng)作用。第3頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四從同步發(fā)電機(jī)能量轉(zhuǎn)換關(guān)系理解電樞磁場在能量轉(zhuǎn)換中的作用同步發(fā)電機(jī)示意圖:從轉(zhuǎn)子可以輸入數(shù)十萬千瓦機(jī)械功率，但是轉(zhuǎn)子不會超速，也是因?yàn)槎ㄗ颖砻嬗械刃Т艠O的阻力第4頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四2交流電樞繞組磁動(dòng)勢問題的知識結(jié)構(gòu)目的：學(xué)會如何分析對稱三相繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場，認(rèn)識其特點(diǎn)；方法：從氣隙磁動(dòng)勢入手進(jìn)行分析；過程：一個(gè)載流線圈（集中整距繞組）的磁場與磁勢；一相繞組電流的磁勢；三相繞組流過對稱三相電流的磁勢；第5頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四§11-1單層集中整距繞組的一相磁動(dòng)勢交流電機(jī)模型圖（A相集中繞組）第6頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四1電樞單一線圈的磁路、磁極與磁力線分布（1）帶氣隙載流鐵心線圈的磁路與磁極：特點(diǎn)：假設(shè)通入直流電流，磁路在鐵心范圍內(nèi)，氣隙兩側(cè)為N,S極NS1）電樞單一線圈的磁路與磁極第7頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四（2）磁路與磁極：從鐵心線圈到定子鐵心NS特點(diǎn)：平行氣隙變?yōu)閳A形空間，磁路仍在鐵心范圍內(nèi)；左側(cè)氣隙兩側(cè)為N,S極，右側(cè)鐵心內(nèi)圓為N,S極。NS第8頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四（2）磁路與磁極：從鐵心線圈到定子鐵心SN特點(diǎn)：外圓與槽形由方變圓，磁路仍在鐵心范圍內(nèi)；鐵心內(nèi)圓仍為N,S極。NS第9頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四2）電樞單一線圈的磁力線分布假設(shè)線圈中通入直流電流后所產(chǎn)生的磁場分布的特點(diǎn)：磁力線沿定子圓周均勻分布。（用數(shù)值計(jì)算方法得到）第10頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四2線圈磁動(dòng)勢的空間分布在定子內(nèi)圓表面建立空間圓弧坐標(biāo)，以A相繞組軸線與定子內(nèi)圓表面交點(diǎn)作為原點(diǎn)，坐標(biāo)用電角度α表示。把氣隙圓周展成直線，橫坐標(biāo)表示沿氣隙圓周的圓弧長。第11頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四第12頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四3定子內(nèi)圓氣隙磁動(dòng)勢分布鐵心磁壓降忽略不計(jì)，則線圈磁動(dòng)勢消耗在兩段氣隙上。每段氣隙的磁勢為線圈磁勢的一半。（前頁）

上述表達(dá)式磁勢正負(fù)符號的規(guī)定：結(jié)論：載流線圈所產(chǎn)生的氣隙磁勢沿定子內(nèi)圓分布是矩形波，在導(dǎo)體處，氣隙磁勢發(fā)生突變。磁力線出定子進(jìn)氣隙為正（N極為正）。第13頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四用傅里葉級數(shù)分解矩形波磁動(dòng)勢如何處理矩形波磁勢？為了得到所有繞組中電流共同產(chǎn)生的磁勢與磁場。兩個(gè)方法：各繞組矩形波磁勢相加，或諧波分析后基波與各次諧波分別相加。仿照研究電勢的方法，對矩形波磁勢作傅里葉級數(shù)分解，得到在氣隙空間分布的正弦變化的基波磁勢與諧波磁勢。第14頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四矩形波磁勢的基波與諧波（分解）第15頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四磁勢基波與諧波的物理意義是對磁場空間波形進(jìn)行的諧波分析基波與諧波物理意義同上一章轉(zhuǎn)子磁場，但是現(xiàn)在由電樞電流產(chǎn)生。圖中基波2極，五次諧波10極。注意2極基波與2極矩形波的異同第16頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四結(jié)論:1.基波磁動(dòng)勢的幅值是矩形波磁動(dòng)式幅值fk的4/π倍；諧波磁動(dòng)勢幅值為基波幅值的1/ν倍。磁勢基波與諧波的輻值與波長2.基波磁動(dòng)勢波長與原矩形波波長一樣，磁極對數(shù)亦相同（極距相同）；諧波的波長為基波的1/ν，極對數(shù)為基極波的ν倍。第17頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四4線圈中通入交變電流產(chǎn)生脈振磁動(dòng)勢第18頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四當(dāng)線圈電流交變時(shí)，磁勢沿氣隙分布仍是矩形，但幅值隨時(shí)間按余弦規(guī)律變化，也就是說整個(gè)磁勢波發(fā)生脈振。A相電流表達(dá)式A相脈振磁勢基波表達(dá)式（參見前面第3頁）第19頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四單線圈脈振磁場分解示意圖第20頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四A相脈振磁勢諧波表達(dá)式（參見前面第3頁）結(jié)論：1）單個(gè)線圈當(dāng)通入交流電流時(shí)產(chǎn)生在空間按矩形波分布、位置固定、波幅的大小和正負(fù)隨時(shí)間變化的脈振磁勢。2）線圈磁勢除包含基波磁勢外，還包含有3、5、7等諧波磁勢分量。3）基波與各次諧波脈振磁勢隨時(shí)間脈振的角頻率相等，均等于電流的角頻率。第21頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四A相脈振磁勢幅值當(dāng)繞組具有P對極時(shí)A相脈振磁勢幅值注意：此處用N1，不是NK第22頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四圖中，繞組具有兩對極，每對極仍然只有一個(gè)線圈，磁力線回路包圍的安匝數(shù)與一對極情況相同。習(xí)慣用電樞繞組一相串聯(lián)匝數(shù)N1計(jì)算磁勢，于是得到P對極一相脈振磁勢幅值第23頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四B相脈振磁勢：根據(jù)+B軸線位置，理解空間函數(shù)關(guān)系

B相電流建立的磁場的磁極與對稱軸iB

iB

B相磁勢空間分布波形

與磁勢表達(dá)式對應(yīng)的磁場、磁極：C相脈振磁勢表達(dá)式第24頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四A、B、C三相繞組的脈振磁勢各自位置不變，正負(fù)交替地脈振。在相互錯(cuò)開三分之一周期的不同時(shí)刻分別達(dá)到其最大值。思考：三者的合成磁場有何特點(diǎn)？其最大值所在位置是固定的，還是變化的？第25頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四說明：三相繞組在空間對稱分布；三相電流為對稱、正弦交變；

§11-2單層集中整距繞組的三相磁動(dòng)勢第26頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四

問題：三相合成磁場的旋轉(zhuǎn)磁場如何表達(dá)？其空間波形、幅值、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、參考位置如何確定?為了回答這些問題，需要首先找到產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的三相合成磁勢的特點(diǎn)第27頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四1形成旋轉(zhuǎn)磁場的機(jī)理分析1）對稱分布的三個(gè)繞組輪流施加直流電流第28頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四1形成旋轉(zhuǎn)磁場的機(jī)理分析1）對稱分布的三個(gè)繞組輪流施加直流電流對稱分布的三個(gè)繞組輪流施加直流電流，產(chǎn)生具有一定旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的步進(jìn)磁場第29頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四2）對稱三相繞組輪流施加對稱三相電流A相電流最大時(shí)產(chǎn)生的磁場此刻C相電流產(chǎn)生磁場此刻B相電流產(chǎn)生磁場第30頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四第31頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四A相電流最大瞬間各相電流的磁場及其合成磁場+AA相電流的磁場C相電流的磁場+A3相電流的合成磁場B相電流的磁場第32頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四A相電流最大時(shí)，合成磁場軸線與+A軸重合+A+A第33頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四B相電流最大時(shí)，合成磁場軸線與+B軸重合+B+CC相電流最大時(shí)，合成磁場軸線與+C軸重合第34頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四a)、b)與c)三個(gè)圖中，A、B、C三相電流依次達(dá)最大；合成磁場軸線依次與他們的軸線重合。+Aa)+Bb)+Cc)第35頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四2三相合成基波磁動(dòng)勢三個(gè)脈振基波磁動(dòng)勢表達(dá)式A相B相C相第36頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四2三相合成基波磁動(dòng)勢1)三相合成基波磁動(dòng)勢表達(dá)式第37頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四合成基波磁動(dòng)勢幅值得，三相合成基波磁動(dòng)勢表達(dá)式：第38頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四2）三相合成基波磁動(dòng)勢分析（1）根據(jù)該磁動(dòng)勢產(chǎn)生的磁密表達(dá)式分析三相對稱繞組通入三相對稱的電流，所產(chǎn)生的合成磁場為一個(gè)沿空間按正弦規(guī)律分布、波幅恒定的旋轉(zhuǎn)磁場。第39頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四a合成磁場磁密沿空間按正弦規(guī)律分布、波幅恒定。波幅所在位置隨時(shí)間變化是定子內(nèi)圓圓周坐標(biāo))。第40頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四（2）直接根據(jù)磁動(dòng)勢表達(dá)式分析第41頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四3）從數(shù)學(xué)表達(dá)式分析三相合成基波磁動(dòng)勢特點(diǎn)a）空間波形---旋轉(zhuǎn)的正弦波，極數(shù)同繞組極數(shù)；b）正弦波磁勢幅值恒定；c）轉(zhuǎn)向：+A+B+C，順相序轉(zhuǎn)向；d）特定時(shí)刻位置：某相電流達(dá)到最大時(shí)，合成磁場軸線與該相繞組軸線重合；第42頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四e）轉(zhuǎn)速根據(jù)幅值所在位置隨時(shí)間的變化可以得到用電角度表示的轉(zhuǎn)速：用機(jī)械角表示的轉(zhuǎn)速:用每分鐘轉(zhuǎn)過的圈數(shù)表示的轉(zhuǎn)速同步速：第43頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四3三相合成諧波磁動(dòng)勢

2）5次諧波磁動(dòng)勢轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速：與基波方向相反，轉(zhuǎn)速等于基波的五分之一1）3次諧波合成磁動(dòng)勢為零第44頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四拓展：根據(jù)頻率公式分析不管基波磁場還是諧波磁場在電樞繞組中感應(yīng)電勢的頻率都為相同頻率（50Hz!）。3）7次諧波磁動(dòng)勢轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速：與基波方向相同，轉(zhuǎn)速等于基波的七分之一第45頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四§11-3三相雙層分布短距繞組的磁動(dòng)勢

1三相雙層分布短距繞組的基波磁動(dòng)勢

第46頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四

2三相雙層分布短距繞組的諧波磁動(dòng)勢

說明：諧波次數(shù)：5，7，11，13…‘6k+1’次正轉(zhuǎn)；‘6k-1’次反轉(zhuǎn)。

第47頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四兩槽單線圈磁力線分布1)兩槽單線圈磁場空間分布為矩形波，含有大量諧波。

3圖示說明分布、短距繞組的物理意義

第48頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四6槽三相電機(jī)磁力線分布2)6槽三相電機(jī)磁場空間分布為階梯波，也含有大量諧波。第49頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四54槽短距分布繞組磁力線分布3)54槽短距分布繞組磁場空間分布近似為正弦波，僅僅含有少量諧波。第50頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四5）合成磁動(dòng)勢中除包含基波磁動(dòng)勢分量外，還包含5、7、11等一系列奇數(shù)次諧波磁動(dòng)勢分量。4三相繞組合成磁動(dòng)勢的特點(diǎn)總結(jié)1）在三相對稱繞組中，通入三相對稱電流時(shí)，所產(chǎn)生的合成基波磁動(dòng)勢是沿空間正弦分布、波幅恒定的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢，磁場的極數(shù)與繞組的極數(shù)相同。2）轉(zhuǎn)向總是從電流的超前相轉(zhuǎn)到滯后相。3）旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為:4）哪一相電流達(dá)到最大值，合成基波磁場的正波幅一定位于該相繞組的軸線處。第51頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四§11-4

空間正弦分布磁場的表示3函數(shù)表達(dá)式：1磁極及磁力線表示：2波形表達(dá)式：第52頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四4空間正弦分布磁勢（磁場）的矢量表示1）空間正弦分布磁場的表示方法（1）空間正弦分布磁場的磁極與磁力線圖中磁場的磁極與非均勻分布的磁力線表示磁場在空間正弦分布，屬于A相電流產(chǎn)生的矩形波磁場的基波分量。第53頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四（2）空間正弦分布磁場的空間矢量表示C）與磁力線分布的關(guān)系：在對稱軸上，與磁力線同方向；A）空間矢量長度=正弦波幅值；B）與+A軸夾角=正波幅所在圓周電角度；空間矢量表示方法：第54頁，共59頁，2023年，2月20日，星期四2）正弦分布磁場的空間矢量表示示例第55頁，共59頁，2023年，2月20日，