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
27页1、-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
2、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
3、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
4、,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,-1
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