电机及拖动基础第2版 汤天浩第03章.电机的基本结构与工作原理

-1-,第3章 电机的基本结构与工作原理,电机及拖动基础（第2版）,3.1 模型电机的结构,3.2 感应电动势的产生,3.3 电磁转矩的产生,3.4 电机的能量损耗与发热,3.5 电机的研究内容与分析步骤,-2-,引 言 各种电机虽然结构不一、样式繁多，但其遵循的基本原理都是相同的，即法拉第电磁感应定律。本章将摒弃电机的具体结构，从一个最基本的模型电机入手，分析和讨论电机的共性问题，为后续各章奠定理论基础。,第3章 电机的基本结构与工作原理,-3-,3.1 模型电机的结构 无论哪种电机都是由定子和转子两部分组成，定子是固定不动的，转子是运动的，它们之间隔着一层薄薄的气隙。在定子和转子上分别按需要安装若干线圈绕组，其目的是在气隙中产生磁场。往往要求气隙磁场按一定的形式分布，例如正弦分布磁场。,第3章 电机的基本结构与工作原理,-4-,为了能够得到其他形式的分布磁场和磁动势，可以增加线圈个数并按一定的规律放置。例如：在上述线圈周围放置若干线圈，由此产生的磁动势如图3-2所示，其波形是梯形波，线圈越多越接近一个正弦波。在实际电机中就是通过这种办法来得到所需要的磁场分布。,第3章 电机的基本结构与工作原理,-5-,由此可见，我们可以用一个简单的两极电机作为电机的物理模型，通过对电机模型的分析，学习和掌握电机的基本原理。为不失一般性，设原型电机如图3-3a所示，在定子和转子上各设置一组绕组，构成一个两极电机，各绕组线圈的分布使其产生的磁场按正弦分布。,第3章 电机的基本结构与工作原理,-6-,为分析方便，特作如下假定： 1）忽略各绕组的漏磁和齿槽等影响。 2）忽略凸极影响，认为气隙均匀。 3）忽略高次谐波影响，认为气隙磁场沿电枢表面正弦分布。 4）忽略磁饱和以及其他非线性效应。 这样， 可将图3-3a的原型电机用图3-3b所示的电机物理模型来表示，图中，定子绕组s产生的磁动势沿s轴方向，转子绕组r产生的磁动势沿r 轴方向， r 轴与s 轴相差 角， 转子以恒定的角速度 旋转。因此，角位移 =t。,第3章 电机的基本结构与工作原理,-7-,3.2 感应电动势的产生 在图3-3的原型电机中，现假定在转子绕组中通以电流产生一个正弦分布磁场， 同时转子在外力拖动下以恒定的角速度 旋转，由于受转子磁场变化的影响， 将在定子绕组中产生感应电动势。如图3-4所示，转子磁通 在定子磁轴上感应的磁链为,根据电磁感应定律,第3章 电机的基本结构与工作原理,（3-1）,-8-,再由 = t，上式可写成,上式表示了旋转电机电动势的通用计算公式，利用该公式可推导出具体电机的电动势，如同步电机、异步电机或直流电机。 如果保持励磁磁通恒定，则d/dt = 0，这样，电机产生的感应电动势为,上式可以用来计算恒定励磁电机的电动势，比如他励直流电动机。,第3章 电机的基本结构与工作原理,（3-2）,（3-3）,-9-,3.3 电磁转矩的产生 有两种方法可以计算电磁转矩Te， 一种方法是从电路的角度，通过计算定子和转子的电感储能来求出；另一种方法是从磁场的角度，先由定子与转子的合成磁动势求出磁场储能，再计算出Te 。现采用第二种方法，在如图3-3所示的电机模型中，设定子绕组产生定子磁动势Fs，转子绕组产生转子磁动势Fr，合成磁动势为Fsr ，其矢量关系如图3-5所示。,第3章 电机的基本结构与工作原理,-10-,由余弦定理可知合成矢量 Fsr 的大小为,现设定子与转子间的气隙均匀，宽度为g，由式（1-16），电机的气隙磁场强度的峰值Hpk为,假定气隙磁场沿气隙圆周为正弦分布，可设气隙磁场强度为,第3章 电机的基本结构与工作原理,（3-4）,（3-5）,（3-6）,-11-,根据磁共能与气隙磁场的关系，有,将式（3-5）代入式（3-7），可得气隙磁场的磁共能为,根据机电能量转换原理，可得两极电机的电磁转矩公式,第3章 电机的基本结构与工作原理,（3-7）,（3-8）,（3-9）,-12-,可把上式建立的两极电机转矩计算公式推广到多极电机，设电机有np个磁极，则其产生的电磁转矩为,（3-10）,再由图3-5的磁动势矢量关系，可得,将上面两式分别代入式（3-10），可得到分别由定子或转子计算电磁转矩的公式,（3-13）,（3-14）,第3章 电机的基本结构与工作原理,-13-,上两式是在电机具有均匀气隙磁场的条件下推导出来的， 现将这个结果推广到一般电机。对于凸机电机， 其气隙磁场仅存在于电机磁极部分，设每个磁极的表面积为Sp，如果电机有2np个磁极，则在每个磁极下气隙的面积为 ，如果忽略电机的磁饱和， 并假定气隙磁场按正弦分布， 则每极下的平均磁通密度Bav为,（3-15）,由此，每极的合成磁通为 sr = BavSp ，即,（3-16）,第3章 电机的基本结构与工作原理,-14-,将上式代入式（3-14）就可得到电机电磁转矩计算的一般化公式,（3-17）,式中的负号表示电磁转矩的作用方向是使电机定子与转子磁场趋于一致，在实际电磁转矩计算时可以去除负号，即,第3章 电机的基本结构与工作原理,（3-18）,-15-,本节以一个两极电机为模型，讨论了电机的基本原理、电动势和电磁转矩的产生机理及计算方法。这种原理与方法可以应用和推广到各种类型的多极电机。 此外，如果在图3-3所示的电机模型中引入一个d、q 坐标系，就可以很方便地建立起电机的“统一模型”。这样就可以用统一模型来表示和描述一般电机，而各种电机，比如：直流电机、交流同步电机和异步电机只是其中的一种特例。这部分内容可参 考有关的著作和文献3-5。,第3章 电机的基本结构与工作原理,-16-,3.4 电机的能量损耗与发热 3.4.1 电机的损耗与效率 电机进行能量转换时总是要有能量损耗，能量损耗将引起电机发热和效率降低。一般来说，电机的能量损耗可分为两大类： 1. 机械损耗 由电机的运动部件的机械磨擦和空气阻力产生的损耗，这来损耗与电机的机械构造和转速有关。 2. 电气损耗 主要包括导体损耗、电刷损耗和铁耗等。 （1）导体损耗 是由于电机的线圈电阻产生的损耗，有时又称为铜耗，通常在电机的定子和转子上都会产生铜耗；,第3章 电机的基本结构与工作原理,-17-,（2）电刷损耗 是由于电刷的接触电压降引起的能量损耗，因只有在直流电机中安装电刷，所以电刷损耗仅仅出现在直流电机中； （3）铁耗 是由于电机铁磁材料的磁滞效应和涡流产生的一种损耗，主要取决于磁通密度、转速和铁磁材料的特性。 对于变压器等静止的设备来说，其能量损耗只有电气损耗部分。图3-6表示了电机的能量传递和损耗过程。,第3章 电机的基本结构与工作原理,-18-,根据上述分析，电机的效率可表示为,（3-20）,式中，p 电机的功率损耗，且有,（3-21）,pCu 电机的铜耗； pFe 电机的铁耗； pm 电机的机械损耗。,第3章 电机的基本结构与工作原理,-19-,3.4.2 电机的发热与温升 电机的能量损耗最终都要转换成热能散发掉，这会引起电机的温度上升。电机温度升高的过程是一个热过渡过程，称之为发热，通常把电机温度高出环境温度的值称为温升。一个典型的电机发热过程如图3-7a所示。 同样，电机停止运行或减少负载时温度会下降，电机冷却过程是一个按指数规律下降的曲线（图3-7b）。,第3章 电机的基本结构与工作原理,一阶过渡过程,-20-,3.5 电机的的研究内容与分析步骤 无论何种电机， 无论其结构形式和应用场合，都是以磁场作为耦合场的机电能量转换装置，具有共同的理论基础。这些理论包括：法拉第电磁感应定律、基尔霍夫定律、安培环路定律、牛顿定律和能量守恒原理等物理学知识。在这些基本理论基础上，采用何种方法和工具进行电机的理论分析和应用设计是十分重要的。 3.5.1 研究内容 目前，电机的研究内容大致可以分为电路分析、机电能量分析和计算机仿真分析，其核心是分析电机耦合磁场对电气系统和机械系统的作用和反作用。,第3章 电机的基本结构与工作原理,-21-,1. 电路分析 电路分析主要从电机的物理结构角度出发，研究和分析电机的电磁关系，应用电路和磁路理论建立电机的电路方程，应用牛顿定律建立电机的运动方程， 以描述电机的物理行为和运行特性。特别是等效电路方法是其有效的分析手段，成为电机研究分析的主要工具。 电路分析方法的优点是，电机结构明晰、物理概念清楚、分析研究手段成熟。因此，得到广泛的应用，大部分教材都采用这种方法。但是，电路分析方法的缺点是：该方法需要根据电机绕组来建立电磁方程，因而依赖于电机结构，缺乏通用性；而且由于电机绕组的复杂性，使得建模和分析比较复杂，初学者不易掌握。,第3章 电机的基本结构与工作原理,-22-,2机电能量分析 机电能量分析主要从机电能量转换角度出发，以耦合磁场为中心，分析研究电机耦合磁场中的能量转换过程，以此建立电机的基本电磁关系，推导出电机方程，比如：感应电动势方程、转矩方程和运动方程等。 机电能量分析方法的优点是，无须考虑电机的构造、绕组的参数和连接等物理性质，因而易于分析推导；而且可得到与电路分析方法相同的电机数学模型， 便于理论分析研究和初学者掌握。 该方法的不足之处在于： 物理概念不及电路分析方法清晰，理论研究与实际电机构造分离，不利于对电机的感性认识和实际使用。,第3章 电机的基本结构与工作原理,-23-,3计算机仿真分析 计算机仿真分析方法是近年来发展迅猛的一种新技术，可借助于强大的计算机工具，进行电机建模、理论分析和仿真试验。该方法目前有两种主要功能： 1）从场的角度出发，以微观方式研究电机，主要采用有限元法分析电机的磁场分布。该方法的优点是：能够较为逼真地模拟电机的磁场分布、电磁反应和磁通合成等现象，有助于研究分析电机结构、材料和参数对电机性能的影响。 2）从路的角度出发，以宏观方式研究电机，主要采用电路和磁路分析方法建立电机方程，再通过计算机数值计算和仿真试验进行电机的稳态和动态分析。该方法的优点是：能够较为逼真的描述电机的运行特性和揭示电机的运动规律。,第3章 电机的基本结构与工作原理,-24-,3.5.2 分析步骤 电机分析和研究的一般步骤为： 1）描述和分析电机内部的磁场分布和磁动势关系，建立电机的物理模型。 2）根据电机物理模型建立电机的等效电路。 3）应用基尔霍夫定律、电磁感应定律、安培环路定律、牛顿定律和能量守恒原理等物理定律建立电机的数学模型，包括：电机的电压方程、电动势方程、转矩方程、功率方程和运动方程等。 4）求解电机方程，得到电机的运行特性和性能，进行电机稳态和动态分析。,第3章 电机的基本结构与工作原理,-25-,3.5.3 电机的稳态性能和动态性能 电机的运行状态通常分为稳态和动态两种： 1）稳态是指电机工作在发电机方式时，在恒定的外力作用下稳定运行；或工作在电动机方式时，由恒定的电源供电并以恒定转速稳定运行。电机处于稳态的共同特征是其工作点各主要参数，比如：磁通、转速和转矩等保持不变。 2）动态是指电机从一个稳定的工作状态过渡到另一个稳态的过渡过程，比如：电机的起动过程、停车过程、制动过程等。电机处于动态的共同特征是在过渡过程中电机的主要参数表现为时间的函数，即随时间而变化。但当电机运行到新的稳态时，其过渡过程结束，因此电机的动态过程又可称为暂态过程。,第3章 电机的基