电机理论与分析

1、电机概述及其作用

电能是能量的一种形式，与其他形式的能量相比，它具有明显的优越性：适用于大量生产、集中管理、远距离传输和自动控制。电机就是一种将电能与机械能相互转换的电磁机械装置。

电机一般有两种应用形式： 第一种是把机械能转换为电能，称之为发电机，它通过原动机先把各类一次能源蕴藏的能量转换为机械能，然后再把机械能转换为电能，最后经输电、配电网络送往城市各工矿企业、家庭等各种用电场合；

第二种是把电能转换为机械能，称之为电动机，它用来驱动各种用途的生产机械和其他装置，以满足不同的要求。

电动机根据应用场合的要求和电源的不同，可分为直流电动机、交流感应电动机（交流异步电动机）和交流同步电动机。

另外，运用电磁感应原理工作的变压器和控制电机也属于电机的类别。变压器是将一种交流电压、电流转换成同频率的另一种交流电压、电流的静止电器。控制电机的主要职能是在电气机械系统中进行调节、放大和控制电机是随着生产力的发展而发展的。

反过来，电机的发展又促进了社会生产力的不断提高。从19世纪末起，电动机就逐渐代替蒸汽机作为拖动生产机械的原动机。近一个世纪来，电机的基本结构似乎并没有大的变化，但是电机的类型却有了很大发展，在运行性能、经济指标等方面也都有了很大的改进和提高，而且随着自动控制系统和计算装置的发展，在一般旋转电机的理论基础上又发展出许多种高可靠性、高精度、快速响应的控制电机，成为电机学科的一个独立分支。

随着科学技术的快速发展和人民生活水平的不断提高，各类电机在工业自动化和人们的生活工作中正起着越来越大的作用。电机作为机电能量转换的重要装置，是电气传动的基础部件，其耗电量占据了全部用电量的60%以上，对国民经济、能源利用、环境保护和人民生活质量的提高都起着十分重要的作用。电机作为一个动力驱动源应用十分广泛，在世界各国的经济发展中占据着越来越重要的地位，这一产业为牵引许多工业国经济发展的腾飞发挥着重要作用。它不仅是工业设备的动力，同时也是实现生活现代化的动力。电机质量和先进程度同样也是反映一个国家自动化水平的指标，电机质量决定着人们的生活质量和国家的工业化水平。

总之，在电力工业中，发电机是生产电能的主要设备；变压器是变电站输、配电线路中对电压进行变换的主要设备；在机械、冶金、纺织、煤炭、石油、化工、交通运输和家用电器等行业中，电动机是各种生产机械的主要动力设备；在国防和民用的各种自动控制系统中，控制电机是重要和不可缺少的元件。因此，电机在国民经济的各个领域中起着极其重要的作用。

2、直流电机简介

常用的直流电机有以下几种： 第一，最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行设备制造方便，价格低廉。但缺点是效率低、机械特性软、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。

第二，三十年代末，出现了发电机-电动机(也称为旋转变流组)，配合采用磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如有较宽的调速范围(十比一至数十比一)、较小的转速变化率和调速平滑等，特别是当电动机减速时，可以通过发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，这样，一方面可得到平滑的制动特性，另一方

面又可减少能量的损耗，提高效率。但发电机、电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积大，维修困难等。

第三，自出现汞弧变流器后，利用汞弧变流器代替上述发电机、电动机系统，使调速性能指标又进一步提高。特别是它的系统快速响应性是发电机、电动机系统不能比拟的。但是汞弧变流器仍存在一些缺点:维修还是不太方便，特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。

第四，1957年世界上出现了第一只晶闸管，与其它变流元件相比，晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力。由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。晶闸管变流装置的放大倍数在10000以上，比机组(放大倍数10)高1000倍，比汞弧变流器(放大倍数1000)高10倍;在响应快速性上，机组是秒级，而晶闸管变流装置为毫秒级。

从20世纪80年代中后期起，以晶闸管整流装置取代了以往的直流发电机电动机组及水银整流装置，使直流电气传动完成一次大的跃进。同时，控制电路也实现了高度集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大，直流调速技术不断发展。

直流电动机具有很多优点：过载能力强、启动转矩大、制动转矩大；直流电动机虽不像交流电动机那样结构简单、制造容易、维护方便、运行可靠，但由于交流电动机的调速问题长期未能得到满意的解决，因此在过去一段时间内，直流电动机显示出交流电动机所不能比拟的良好的启动性能和调速性能，具有宽广的调速范围、平滑的无级调速特性、可实现频繁的无级快速启动、制动和反转、能承受频繁的冲击负载、能满足自动化生产系统中各种特殊运行的要求。所以，直流电动机被广泛地应用在电力机车、无轨电车、轧钢机、机床和各种起重设备中。目前，虽然交流电动机的调速问题已经解决，但是，速度调节要求较高，正、反转和启、制动频繁或多单元同步协调运转的生产机械，仍采用直流电动机拖动。

直流发电机供电质量较好，能提供无脉动的大功率直流电源，且输出电压可以精确地调节和控制，常常作为中小型同步发电机的励磁电源和一些化学工业中的直流电源。

但直流电机也有它显著的缺点：一是制造工艺复杂，消耗有色金属较多，生产成本高；二是运行时由于电刷与换向器之间容易产生火花，因而可靠性较差，维护比较困难。所以在一些对调速性能要求不高的领域中己被交流变频调速系统所取代。但是在某些要求调速范围大、快速性高、精密度好、控制性能优异的场合，直流电动机的应用目前仍占有较大的比重。

与交流电机相比，直流电机的结构复杂、成本较高、可靠性稍差。使它的应用受到限制，随着电力电子技术的发展，与电力电子装置结合而具有直流电机性能的电机不断涌现，使直流电机有被逐步取代的趋势。

3、交流电机

电机发明的早期都是被应用在工业方面的领域。最早以直流电机应用的范围最广，其中以60年代至80年代中期使用最为旺盛，但其因碳刷的关系所产生的种种问题至今一直存在，所以在1980年代中期以后，传统直流电机即渐渐被淘汰，取而代之的是交流电机。从传统交流电机的模拟控制进化到现今数字控制电机的出现，各种电机的技术不断演化、改进，至目前为止，交流电机在现阶段，仍为工业动力上使用最为普遍的电机类型。

3.1 交流电机的共同问题

交流旋转电机可以分为同步电机和异步电机两类。同步电机和感应电机虽然励磁方式和运行特性有很大的差别，但电机内部发生的电磁现象和机电能量转换的原理却基本上是相同

的，存在共性的问题：交流电机绕组的连接规律、正弦分布磁场下绕组的电动势、非正弦分布磁场下的谐波电动势及其抑制和通有正弦电流时绕组产生的磁动势。

3.2 交流绕组的构成原则和分类

绕组是电机的主要部分，要分析交流电机的原理与运行问题，必须首先对交流绕组的构成和连接规律有一个基本的了解。交流绕组尽管形式多样，但其其构成原则基本相同，这些原则是：

（1） 合成电动势和合成磁动势的波形要接近正弦波，幅值要大； （2） 对三相绕组，各相的电动势和磁动势要对称，阻抗要平衡； （3） 绕组的铜耗要小，用铜量要省；

（4） 绝缘要可靠，机械强度要高，扇热条件要好，制造要方便。 交流绕组可按相数、绕组层数、每极每相下槽数和绕法来分类。 按相数分，可分为单相绕组、两相绕组、三相绕组和多相绕组； 按槽内绕组层数，可分为单层绕组和双层绕组； 按每极每相槽数分，可分为整数槽和分数槽绕组；

按绕法，单层绕组可分为，链式绕组、交叉式绕组、同心式绕组；双层绕组可分为，叠绕组和波绕组。

与电机绕组相关的几个概念分别是：

（1）极对数：指电机主磁极的对数，通常用p表示；

（2）机械角度：一个圆周真正的空间角度为机械角度360°；

（3）电角度：在电机理论中，我们把一对主磁极所占的空间距离，称为360°的空间电角度。电角度=极对数×机械角度；

（4）槽距角：相邻两槽间的距离用电角度表示，叫做槽距角，用α表示，α=p×360°/z；

（5）极距：指电机一个主磁极在电枢表面所占的长度；用槽数表示：τ=z/2p；用空间长度表示：τ=πD/2p；

（6）每极每相槽数：在交流电机中，每极每相占有的平均槽数q是一个重要的参数，如电机槽数为Z，极对数为p，相数为m。则得：q=Z/2pm，q=1的绕组称为集中绕组，q>1的绕组称为分布绕组。

3.3 三相双层绕组

现代10kW以上的三相交流电机，其定子绕组一般均采用双层绕组。双层绕组的每个槽内有上、下两个线圈边。

双层绕组：指电机每一槽分为上下两层，线圈（元件）的一个边嵌在某槽的上层，另一边安放在相隔一定槽数的另一槽的下层的一种绕组结构。双层绕组的线圈结构和单层绕组相似，但由于其一槽可安放两个线圈边，所以双层绕组的线圈数和槽数正好相等。根据双层绕组线圈形状和连接规律，三相双层绕组可分为叠绕组和波绕组两大类。

双层绕组的主要优点为：

（1）可以选择最有利的节距，并同时采用分布绕组，来改善电动势和磁动势的波形； （2）所有线圈具有同样的尺寸，便于制造；

（3）端部形状排列整齐，有利于散热和增强机械强度。 在介绍双层叠绕组之前，先介绍下槽电势星形图。

3.3.1 槽电动势星形图

槽电动势星形图：当把电枢上各槽内导体按正弦规律变化的电动势分别用相量表示时，

这些相量构成一个辐射星形图，槽电动势星形图是分析交流绕组的有效方法。

槽电动势星形图的画法： （1）计算每槽的电角度α；

（2）在纸上水平的右方，作出第一根矢量，此后每隔α作一矢量(在槽电势矢量星形图上，电角度用几何角度表示)，在一个圆周内共作出360°/α根矢量；

（3）把水平右方第一根矢量作为基准初相角，并按顺时针方向分别标出槽矢量号1，2，3??，依次落后一个α 角。

现用一台三相、四极、36槽的定子来说明槽内导体的感应电动势，和属于各相的导体（槽号）是如何分配的。

由于槽数Q=36，极数2p=4，相数m=3，所以定子的每极每相槽数q为

q=Q/2pm=36/（4×3）=3

由于每一极相当于360°电角度，此电机为四极，相当于p×360°=720°电角度，而定子共有Q个槽，故相邻两槽间的电角度α为

α=p×360°/Q=2×360°/36=20°

此α角也是相邻槽中导体感应电动势的相位差。

槽电动势星形图的一个圆周的距离使用电角度360°，即一对磁极的距离。所以，1—18号相量和19—36重合。

一般来说,当用相量表示各槽的导体的感应电动势时,由于一对磁极下有Z/P个槽,因此一对磁极下的Z/P个槽电动势相量均匀分布在360°的范围内,构成一个电动势星形图.

三相双层绕组的槽电动势星形图（Q=36，2p=4）

3.3.4 叠绕组

叠绕式：任何两个相邻的线圈都是后一个“紧叠”在另一个上面，故称为叠绕组。 双层叠绕组的主要优点在于：

（1）可以灵活地选择线圈节距来改善电动势和磁动势波形； （2）各线圈节距、形状相同，便于制造； （3）可以得到较多的并联支路数； （4）可采用短距线圈以节约端部用铜。 主要缺点在于：

（1）嵌线较困难，特别是一台电机的最后几个线圈；

（2）线圈组间连线较多，极数多时耗铜量较大。一般10kW以上的中、小型同步电机和异步电机及大型同步电机的定子绕组采用双层叠绕组。下面我们通过具体例子来说明叠绕组的绕制方法。

三相交流电机Z=36，2p=4，试绘制a=2的三相双层叠绕组展开图。 定子的每极每相槽数q为 q=Q/2pm=36/（4×3）=3

相邻两槽间的电角度α为 α=p×360°/Q=2×360°/36=20° 槽距τ：用槽数表示：τ=z/2p=36/4=9 取线圈节距y1=7； 画出槽电势星形图：

分相 各相槽号 极对 A Z B X C Y 第一对极 1， 2， 3 4， 5， 6 7， 8， 9 10，11，12 13，14，15 16，17，18 第二对极 19，20，21 22，23，24 25，26，27 28，29，30 31，32，33 34，35，36 绘制绕组展开图： 将同一磁极下属于同一相带的线圈依次连成一个线圈组则A相可得四个线圈组，分别为1-2-3，10-11-12，19-20-21，28-29-30。同理B、C两相也各有4个线圈组。四个线圈组的电动势的大小相等，但同一相的两个相带中的线圈组电动势相位相反。如下图所示：这是一个三相四极36槽，槽距为7的双层绕组、极相组串联的电机绕组示意图

S12310N111219S202128N2930123536AX

3.3.5 正弦分布磁场下绕组的电动势

若气隙中磁场的分布是正弦的，那么交流绕组中感应的电动势也是正弦的，而事实上气隙中磁场不可能做到绝对的正弦分布，实际上只要求电动势波形接近正弦波就能满足工程实际的需要。一个非正弦分布的磁场可以分解为基波磁场和一系列高次谐波磁场，先分析基波磁场下绕组感应的电动势，再分析高次谐波磁场感应的高次谐波电动势。

导体电动势匝电动势线圈电动势线圈组电动势相电动势 3.3.5.1 导体电动势

当气隙磁场的磁通密度Bδ在空间按正弦波分布时，设其最大磁密为Bm1，则：Bδ= Bm1sinα

2p?v?n?2?f当导体切割气隙磁场时：

60所以导体电动势的有效值为：ecl?B?lv?Bm1lvsin?t?Eclmsin?t

其中：Ec1?Ec1mBm1lv??2fBm1l? 22正弦波磁通密度的平均值为：Bav?代入Ec1可得：

??1?0Bm1sinxdx?

2?Bm1

2Ec1??f?1?2.22f?123.3.5.2 线圈电动势和短距系数

线圈一般由Nc匝构成，当Nc=1时，为单匝线圈。 单匝时：y1=τ 称为整距线圈。由于整距线匝两有效边感应电动势的瞬时值大小相等而方向

????相反，故整距线匝的感应电动势为：Et1(y1??)?Ec1?Ec1?2Ec1

其有效值为：Et1(y??)?2Ec1?22?f?1?4.44f?1

13.3.5.3 线圈组电动势和分布系数

线圈在下线时，是以线圈组为单位的，每个极（双层绕组时）或每对极（单层绕组时）下有q个线圈串联，组成一个线圈组，所以线圈组的电动势等于q个串联线圈电动势的相量和。

对于确定的q且q值较小，用相量加法不难求出线圈组的电动势。

利用正多边形和它的外接圆的几何关系来求出普遍q值下的线圈组电动势和线圈电动势的关系式。

q个线圈电动势的相位差为α1，将q个线圈电动势相量作为一正多边形的q个边。 O为线圈组电动势相量多边形的外接圆圆心，R为半径

Ey1?2Rsinq? ?

Eq1?AB?2Rsin22Eq1q?

2qE?y1?qsin2sinq?2?qEK Eq1?qEc1y1q1?qsin2sinq?sinEq1(q个分布线圈的合成电动势）2 其中kq1为 kq1???qE（势）qsiny1q个集中线圈的合成电动2当q=1时，kq1=1，称为集中绕组。

线圈组电动势的有效值为：Eq1=4.44qNcKy1Kq1fΦ1=4.44qNcKN1fΦ1 式中kN1= ky1kq1称为绕组系数，称为绕组系数，表示由于绕组为短距、分布绕组，线圈组电动势时所应打的折扣。

3.3.5.4 相电动势和线电动势

2p个(或p个)线圈组或并或串构成一相绕组，把一相所串联的线圈组电动势相加便得相电动势，相电动势的计算和绕组的并联支路数有关，如果每相有 a 并联支路，则a条支路的电动势应同大小、同相位，以免产生环流。这时相电动势等于每一支路的电动势。 若是双层绕组，则每条支路有2p/a个线圈组串联，相电动势为：E?1?若是单层绕组，则每条支路有p/a个线圈组串联，相电动势为：E?1?相电动势可以统一写成 E?1?2?NkN1f?1?4.44NkN1f?1 式中N为每相绕组的串联匝数（即一支路的匝数）： 对于双层绕组 N?对于单层绕组 N?2pEq1 apEq1 a2pqNc apqNc a3.3.5.5 感应电动势和绕组所交链磁通的相位关系

绕组中的感应电动势在时间相位上滞后于与绕组相交链的磁通90°电角度。

在变压器中，与绕组交链磁通的变化是由于主磁通本身随时间变化（脉振）所引起的；而在旋转电机中，一般是气隙磁密波本身的大小没有变化，但随时间相对于绕组而旋转，因此它与绕组交链的磁通也随时间而正弦变化（基波），表示为：

Φ(t)= Φmsinωt

4、三相异步电机

实现电能与机械能相互转换的电工设备总称为电机。电机是利用电磁感应原理实现电能与机械能的相互转换。把机械能转换成电能的设备称为发电机，而把电能转换成机械能的设备叫做电动机。

异步电动机按电源相数分类可分为三相异步电动机与单相异步电动机。三相异步电动机使用三相交流电源，它具有结构简单、使用和维修方便、坚固耐用等优点，在工农业生产中应用极为广泛。

4.1 三相异步电动机的结构与工作原理

4.1.1 三相异步电动机的工作原理

在图4.1中，假设磁场的旋转是逆时针的，这相当于金属框相对于永久磁铁，以顺时针方向切割磁力线，金属框中感生电流的方向，如图中小圆圈里所标的方向。此时的金属框已成为通电导体，于是它又会受到磁场作用的磁场力，力的方向可由左手定则判断，即图中小箭头所指示的方向。金属框的两边受到两个反方向的力f，它们相对转轴产生电磁转矩 (磁

力矩)，使图4.1 闭合金属框示意图金属框发生转动，转动方向与磁场旋转方向一致，但永久磁铁旋转的速度n1要比金属框旋转的速度n大。从上述实验中可以看到，在旋转的磁场里，闭合导体会因发生电磁感应而成为通电导体，进而又受到电磁转矩作用而顺着磁场旋转的方向转动；实际的电动机中不可能用手去摇动永久磁铁产生旋转的磁场，而是通过其他方式产生旋转磁场，如在交流电动机的定子绕组(按一定排列规律排列的绕组)通入对称的交流电，便产生旋转磁场；这个磁场虽然看不到，但是人们可以感受到它所产生的效果，与有形体旋转磁场的效果一样。通过这个实验，可以清楚地看到，交流电动机的工作原理主要是产生旋转磁场。

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图 4.1

为了更好的说明三相异步电动机的工作原理，用图4.2进一步进行说明，从中可以很清楚地看到三相交流电产生旋转磁场的现像。图中所示的3个绕组在空间上相互间隔机械角度120°(实际的电动机中一般都是相差电角度120°)，3个绕组的尾端 (标有U2、V2、W2) 连接在一起(3个绕组的这种连接称为星形(Y)接法。常用接法还有三角形(△)接法，就是将3个绕组首尾相连，在3个接点上分别引出3根引线的接法。)，将对称的三相交流电iU=Imsin? t、iV=Imsin(? t-120°)、iW=Imsin(? t-240°)从3个绕组的首端(标有U1、V1、W1)通入，放在绕组中心处的小磁针便迅速转动起来，由此可知旋转磁场的存在。

图4.2 三相交流电动机定子

三相交流电是怎样产生旋转磁场的呢？用图4.3进行分析。当3个绕组跟三相电源接通后，绕组中便通过三相对称的交流电流iU、iV、iW，其波形如图4.3图所示。现在选择几个特殊的运行时刻，看看三相电流所产生的合成磁场是怎样的。这里规定：电流取正值时，是由绕组始端流进(符号?)，由尾端流出(符号⊙)；电流取负值时，绕组中电流方向与此相反。

当?t=? t1=0，U相电流iU=0，V相电流取为负值，即电流由V2端流进，由V1端流出；W相电流iW为正，即电流从W1端流进，从W2端流出。在图4.3的定子绕组图中，根据电

生磁右手螺旋定则，可以判定出此时电流产生的合成磁场如图4.3(a)所示，此时好像有一个有形体的永久磁铁的N极放在导体U1的位置上，S极放在导体U2的位置上。

当? t=? t2=2时，电流已变化了1/3周期。此时刻i为正，电流由U1端流入，从U2端流出，iV为零；iW为负，电流从W2端流入，从W1端流出。这一时刻的磁场如图4.3(b)所示。磁场方向较?t=?t1时沿顺时针方向在空间转过了120°。

用同样的方法，继续分析电流在?t=?t3、?t=?t4时的瞬时情况，便可得这两个时刻的磁场，如图4.3(c)、4.3(d)所示。在?t=?t3=4?/3 时刻，合成磁场方向较?t2时刻又顺时针转过120°。在?t=?t4=2?时刻，磁场较? t3时再转过120°，即自t1时刻起至t4时刻，电流变化了一个周期，磁场在空间也旋转了一周。电流继续变化，磁场也不断地旋转。从上述分析可知，三相对称的交变电流通过对称分布的3组绕组产生的合成磁场，是在空间旋转的磁场，而且是一种磁场幅值不变的圆形旋转磁场。

由绕组始端流进(符号?)，由尾端流出(符号⊙)；电流取负值时，绕组中电流方向与此相反。 （a） (b) (c) (d)

图4.3 三相交流电产生旋转磁场示意图

把对称的三相交流电通入彼此间隔120°电角度的三相定子绕组，可建立起一个旋转磁场。根据电磁感应定律可知，转子导体中必然会产生感生电流，该电流在磁场的作用下产生与旋转磁场同方向的电磁转矩，并随磁场同方向转动。

4.1.2 三相异步电动机的结构

三相异步电动机的结构如下图4.4所示

图4.4 封闭式三相异步电动机的结构

1—端盖 2—轴承 3—机座 4—定子绕组 5—转子 6—轴承 7—端盖 8—风扇 9—风罩 10—接线盒

异步电动机的结构也可分为定子、转子两大部分。定子就是电机中固定不动的部分，转子是电机的旋转部分。由于异步电动机的定子产生励磁旋转磁场，同时从电源吸收电能，并

产生且通过旋转磁场把电能转换成转子上的机械能，所以与直流电机不同，交流电机定子是电枢。另外，定、转子之间还必须有一定间隙(称为空气隙)，以保证转子的自由转动。异步 电动机的空气隙较其他类型的电动机气隙要小，一般为0.2 mm～2mm。

三相异步电动机外形有开启式、防护式、封闭式等多种形式，以适应不同的工作需要。在某些特殊场合，还有特殊的外形防护型式，如防爆式、潜水泵式等。不管外形如何电动机结构基本上是相同的。现以封闭式电动机为例介绍三相异步电动机的结构。如图4.4所示是一台封闭式三相异步电动机解体后的零部件图。

4.1.2.1 定子部分

定子部分由机座、定子铁心、定子绕组及端盖、轴承等部件组成。

(1)机座。机座用来支承定子铁心和固定端盖。中、小型电动机机座一般用铸铁浇成，大型电动机多采用钢板焊接而成。

(2)定子铁心。定子铁心是电动机磁路的一部分。为了减小涡流和磁滞损耗，通常用0.5mm厚的硅钢片叠压成圆筒，硅钢片表面的氧化层(大型电动机要求涂绝缘漆)作为片间绝缘，在铁心的内圆上均匀分布有与轴平行的槽，用以嵌放定子绕组。

(3)定子绕组。定子绕组是电动机的电路部分，也是最重要的部分，一般是由绝缘铜(或铝)导线绕制的绕组联接而成。它的作用就是利用通入的三相交流电产生旋转磁场。通常，绕组是用高强度绝缘漆包线绕制成各种型式的绕组，按一定的排列方式嵌入定子槽内。槽口用槽楔(一般为竹制)塞紧。槽内绕组匝间、绕组与铁心之间都要有良好的绝缘。如果是双层绕组(就是一个槽内分上下两层嵌放两条绕组边)，还要加放层间绝缘。

(4)轴承。轴承是电动机定、转子衔接的部位，轴承有滚动轴承和滑动轴承两类，滚动轴承又有滚珠轴承(也称为球轴承)，目前多数电动机都采用滚动轴承。这种轴承的外部有贮存润滑油的油箱，轴承上还装有油环，轴转动时带动油环转动，把油箱中的润滑油带到轴与轴承的接触面上。为使润滑油能分布在整个接触面上，轴承上紧贴轴的一面一般开有油槽。

4.1.2.2 转子部分

转子是电动机中的旋转部分，如图4.4中的部件5一般由转轴、转子铁心、转子绕组、风扇等组成。转轴用碳纲制成，两端轴颈与轴承相配合。出轴端铣有键槽，用以固定皮带轮或联轴器。转轴是输出转矩、带动负载的部件。转子铁心也是电动机磁路的一部分。由0.5mm厚的硅钢片叠压成圆柱体，并紧固在转子轴上。转子铁心的外表面有均匀分布的线槽，用以嵌放转子绕组。

三相交流异步电动机按照转子绕组形式的不同，一般可分为笼型异步电动机和绕线型异步电动机。

(1)笼型转子线槽一般都是斜槽(线槽与轴线不平行)，目的是改善起动与调速性能。其外形如图4.4中的第5部分；笼型绕组(也称为导条)是在转子铁心的槽里嵌放裸铜条或铝条，然后用两个金属环(称为端环)分别在裸金属导条两端把它们全部接通(短接)，即构成了转子绕组；小型笼型电动机一般用铸铝转子，这种转子是用熔化的铝液浇在转子铁心上，导条、瑞环一次浇铸出来。如果去掉铁心，整个绕组形似鼠笼，所以得名笼型绕组。

(2)绕线型转子绕组与定子绕组类似，由镶嵌在转子铁心槽中的三相绕组组成。绕组一般采用星形连接，三相绕组绕组的尾端接在一起，首端分别接到转轴上的3个铜滑环上，通过电刷把3根旋转的线变成了固定线，与外部的变阻器连接，构成转子的闭合回路，以便于控制。有的电动机还装有提刷短路装置，当电动机起动后又不需要调速时，可提起电刷，同时使用3个滑环短路，以减少电刷摩损。

两种转子相比较，笼型转子结构简单，造价低廉，并且运行可靠，因而应用十分广泛。绕线型转子结构较复杂，造价也高，但是它的起动性能较好，并能利用变阻器阻值的变化，使电动机能在一定范围内调速；在起动频繁、需要较大起动转矩的生产机械(如起重机)中常

常被采用。

一般电动机转子上还装有风扇或风翼(如图4.4中部件8)，便于电动机运转时通风 散热。铸铝转子一般是将风翼和绕组(导条)一起浇铸出来。 3. 气隙δ

所谓气隙就是定子与转子之间的空隙。中小型异步电动机的气隙一般为0.2mm～1.5mm。气隙的大小对电动机性能影响较大，气隙大。磁阻也大，产生同样大小的磁通，所需的励磁电流Im也越大，电动机的功率因数也就越低。但气隙过小，将给装配造成困难，运行时定、转子容易发生摩擦，使电动机运行不可靠。

4.1.3 三相异步电动机的铭牌数据

三相异步电动机在出厂时，机座上都固定着一块铭牌，铭牌上标注着额定数据。主要的额定数据为：

(1) 额定功率PN(kW)：指电动机额定工作状态时，电动机轴上输出的机械功率。

PN?3INUNCOS?N?N (2) 额定电压UN(v)：指电动机额定工作状态时，电源加于定子绕组上的线电压。 (3) 额定电流IN(A)：指电动机额定工作状态时，电源供给定子绕组上的线电流。 (4) 额定转速门nN(r/min)：指电动机额定工作状态时，转轴上的每分转速。 (5) 额定频率fN(Hz)：指电动机所接交流电源的频率。

(6) 额定工作制：指电动机在额定状态下工作，可以持续运转的时间和顺序，可分为额定连续工作的定额S1、短时工作的定额S2、断续工作的定额S3等3种。

此外，铭牌上还标明绕组的相数与接法(接成星形或三角形)、绝缘等级及温升等。对绕线转子异步电动机，还应标明转子的额定电动势及额定电流。

4.2 三相异步电动机的调速

感应电动机的调速问题一直是电机工程界关心和研究的问题之一。由于感应电动机的转速为

n=ns(1-s)=60f1(1-s)/p

所以可以从三个方面来调节其转速：（1）改变定子绕组的极对数p；（2）改变电动机的转差率s；（3）改变电源频率f1

4.2.1 变极调速

三相异步电动机是利用改变定子绕组的接法，以改变电机的极数，从而使电机用一套绕组获得两种或两种以上转速的多速异步电动机。由于一般异步电动机正常运行时的转差率s都很小，电机的转速n=ns(1-s)=60f1(1-s)/p可见，在电源频率f1不变的情况下，改变定子绕组的极对数p，电机的转速n就发生变化，例如极对数增加一倍，同步转速就下降一半，随之电动机的转速，也约下降一半。显然，这种调速方法只能做到一级一级地改变转速，而不是平滑调速。变极电动机一般都用鼠笼式转子，因为鼠笼转子的极对数能自动地随着定于极对数的改变而改变，使定、转子磁场的极对数总是相等而产生平均电磁转矩。若为绕线式转于，则定子极对数改变时，转子绕组必须相应地改变接法以得到与定于相同的极对数，很不方便。

要使定子具有两种极对数，容易想到的办法是用两套极对数不同的定子绕组，每次用其中一套，即所谓双绕组变极，显然，这是一个很不经济的办法，只在特殊情况下才采用。理想的办法是：只装一套定子绕组而用改变绕组接法来获得两种或多种极对数，即所谓单绕组变极。其中倍极比情况(如2／4极，4／8极等)，和非倍极比(如4／6极，6／8极等)以及三速(如4／6／8极等)。

4.2.1.1 变极原理

异步电动机定子绕组通以三相电流，就能在气隙中产生一个以同步转速转动的旋转磁场。电机转速n和电源频率f1、绕组极对数p有如下关系：

n=ns(1-s)=60f1(1-s)/p

由此可以看出：当频率一定时，电机转速n与极对数p成反比。只要设法改变极对数p，从而改变转子转速n。p愈大，n愈小；p愈小，n愈大。 改变定子绕组极对数，一般有以下三种方法：

（1）单一绕组，改变其不同的接线组合，得到不同的极对数； （2）在定子槽内安放两个有不同极对数的独立绕组；

（3）在子槽内安放两个有不同极对数的独立绕组，而且每个绕组又可以有不同的接线组合，得到不同的极对数。

对于工厂来说，第一种方法最简单实用，因为它绕法简单，出线头较少，用铜也较省。所以单速异步电机改绕多速大多采用此法。若绕组改接前后的极对数是成倍数关系，则这种调速称为倍极比调速， 例如2/4极、4/8极等；否则，称为非倍极比调速，例如4/6极、6/8极等。

4.2.1.2 变极调速的优缺点

变极调速的优点是设备简单、运行可靠、机械特性硬、损耗小、采用不同联结方法可获得恒转矩或恒功率调速特性，以满足不同生产机械的要求。

缺点是只能分级调节转速，而且只能有两个或三个转速。另外，多速电动机的体积比同容量的普通笼型电动机大，运行性能也稍差一些，电动机的价格也较贵，但对不需要平滑调速的场合，还是一种较经济的调速方法。

变极调速广泛应用于机床电力拖动中。对属于恒转矩调速方式的双速或三速电动机也可用来拖动电梯、运输传送带或起重电葫芦等。

4.2.2 改变转差率s调速

变转差率调速主要有转子外加电阻调速、串级调速。 （1）绕线式电动机转子串电阻调速方法 绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。串入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。属有级调速，机械特性较软。

（2）串级调速方法

串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采用晶闸管串级调速，本方法适合于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。

4.2.3 变频调速

4.2.3.1 变频调速原理

交流异步电动机是电气传动中使用最为广泛的电动机类型。根据统计，我国异步电动机的使用容量约占拖动总容量的八成以上，因此了解异步电动机的调速原理十分重要。

交流异步电动机是电气传动中使用最为广泛的电动机类型。根据统计，我国异步电动机的使用容量约占拖动总容量的八成以上，因此了解异步电动机的调速原理十分重要。

交流调速是通过改变电定子绕组的供电的频率来达到调速的目的的，但定子绕组上接入三相交流电时，定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转的磁场，它与转子绕组产生感应电动势，出现感应电流，此电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩。使电动机转起来。电机

磁场转速称为同步转速，用n0表示：n0=60f/p；

式中：f为三相交流电源频率，一般是50Hz；p为磁极对数。当p=1是，n0=3000r／min；p=2时，n0=1500r／min。

由上式可知磁极对数p越多，转速n0就越慢，转子的实际转速n比磁场的同步转速n0

要慢一点，所以称为异步电动机，这个差别用转差率s表示：s= （n0-n）/ n0

在加上电源转子尚未转动瞬间，n=0，这时s=1；启动后的极端情况n= n0，则s=0，即s在0～1之间变化，一般异步电动机在额定负载下的 s=1%～6%。综合n0和s的表达式可以得出：n=ns(1-s)=60f1(1-s)/p；

由上式可以看出，对于成品电机，其极对数p已经确定，转差率s的变化不大，则电机的转速n与电源频率f成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机调速的目的。

4.2.3.2 变频调速的控制方式及选定 （1）V/f比恒定控制

V/f比恒定控制是异步电动机变频调速中最基本的控制方式。它是在改变变频器输出电压频率的同时改变输出电压的幅值，以维护电机磁通基本恒定，从而在较宽的调速范围内，使电动机的效率、功率因数不下降。V/f控制是目前通用变频器中广泛采用的控制方式。

三相交流异步电动机在工作过程中铁心磁通接近饱和状态，从而使铁心材料得到充分的利用。在变频调速的过程中，当电动机电源的频率发生变化时，电动机的阻抗将随之变化，从而引起励磁电流的变化，使电动机出现励磁不足或励磁过强。在励磁不足时电动机的输出转矩将降低，而励磁过强时又会使铁心中的磁通处于饱和状态，是电动机中流过很大的励磁电流，增加电动机的功率损耗，降低电动机的效率和功率因数。因此在改变频率进行调速时，必须采取措施保持磁通恒定为额定值。

由电机理论知道，电机定子的感应电势有效值是：

E1?4.44f1N1KN1?m

?m?则

EE1?m?1f1 4.44f1KN1N1 即

另外，电机的电磁转矩为:

?e?CT?m?2cos?2

其中 CT—与电动机有关的常数；

Cos?2—转子每相电路功率因数；

?2—转子电压与电流的相位差； ?e—电机的电磁转矩。

??由以上公式推断，若E1不变，当定子电源频率f1增加，将引起气隙磁通m减小；而m减小又引起电动机电磁转矩

?e减小，这就出现了频率增加，而负载能力下降的情况。在E1??不变时，而定子电源频率f1减小，又将引起m增加,m增加将导致磁路饱和，励磁电流

升高，从而导致电动机发热，严重时会因绕组过热而损坏电动机。由以上情况可知:变频调

速时，必须使气隙磁通不变。因此，在调节频率的同时，必须对定子电压进行协调控制，但控制方式随运行频率在基频以下和基频以上而不同。

1.基频以下调速

由式(3-4)可知，要保持使E1/f1=常值

只要保持E1/f1为常数，就可以达到维持磁通恒定的目的。因此这种控制又称为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。

根据电机端电压和感应电势的关系式：式中: U1-定子相电压；

?m不变，f当频率f1从额定值N向下调节时，必须同时降低E1,

U1?E1?(r1?jx1)I1

r 1-定子电阻；

1-定子阻抗； I1-定子电流。

当电机在额定运行情况下，电机定子电阻和漏阻抗的压降较小，U1和E1可以看成近似相等，所以保持V/f=常数即可。

由于V/f比恒定调速是从基频向下调速，所以当频率较低时，U1与E1都变小，定子漏阻抗压降(主要是定子电阻压降)不能再忽略。这种情况下，可以人为地适当提高定子电压以补偿电阻压降的影响，使气隙磁通基本保持不变。

变频后的机械特性如图4.5所示。

x

图4.5 电动机低于额定转速方向调速时的机械特性

从图4.5中可以看出，当电动机向低于额定转速

n0方向调速时,曲线近似平行地下降，

减速后的电动机仍然保持原来较硬的机械特性；但是临界转矩却随着电动机转速的下降而逐

渐减小，这就是造成了电动机负载能力的下降。

临界转矩下降的原因可以如下解释：为了使电动机定子的磁通量

?m保持恒定，调速时

就要求感应电动势E1与电源频率f1的比值不变，为了使控制容易实现，采用电源电压U≈

E1来近似代替，这是以忽略定子阻抗压降作为代价，当然存在一定的误差。显然，被忽略

的定子阻抗压降在电压U中所占的比例大小决定了它的影响。当f1的数值相对较高时，定子阻抗压降在电压U中所占的比例相对较小，U≈E1所产生的误差较少；当f1的数值较低时，定子阻抗压降在电压U中所占的比例下降，而定子阻抗的压降并不按同比例下井，使得定子阻抗压降在电压U中的比例增大，已经不能再满足U≈E1。此时如果仍以U代替

E1，将带来很大的误差。因为定子阻抗压降所占的比例增大，使得实际上产生的感应电动

?势E1减小，E1/f1的比值减小，造成磁通量m减小，因而导致电动机的临界转矩的下降。

变频后机械特性的降低将是电动机带负载能力减弱，影响交流电动机变频调速的使用。一种简单的解决方法就是所示的V/f转矩补偿法。

转矩补偿法的原理是：针对频率f降低时，电源电压U成比例地降低引起的U的下降过低，采用适当的提高电压U的方法来保持磁通量

?m恒定，使电动机转矩回升，因此，有

些变频器说明书又称它为转矩提升（Torque Boost）。

带定子压降补偿的压频比控制特性示于图4.6中的b线，无补偿的控制特性则为a线。 定子降压补偿只能补偿于额定转速方向调速时的机械特性，而对向高于额定转速方向调速时的机械特性不能补偿。

图4.6 压频比控制特性曲线

补偿后的机械特性曲线如图4.7所示。

图4.7 补偿后的机械特性曲线

2.在基频以上调速

在基频以上调速时，频率可以从额定频率电压

fN向上增高，但是电压却不能超出额定

UN，由式（3-4）可知，这将迫使磁通与频率成反比例降低。这种调速方式下，转子

升高时转矩降低，属于恒功率调速方式。

变频后的机械特性如图4.8所示。

图4.8 电动机高于额定转速方向调速时的机械特性

当电动机向高于额定转速

n0方向调速时，曲线不仅临界转矩下降，而且曲线工作段的

斜率开始增大，使得机械特性变软。

造成这种现象的原因是：当频率f1升高时，电源电压不可能相应升高。这是因为电动机绕组的绝缘强度限制了电源电压不能超过电动机的额定电压，所以，磁通量

?m将随着频

率f1的升高反比例下降。磁通量的下将使电动机的转矩下降，造成电动机的机械特性变软。

以上调速方式相应的特性曲线如图4.9所示。

恒转矩调速恒功率调速

图4.9 整个频率调速的特性曲线

注：图中曲线1——在低频时没有定子降压补偿的压频曲线和主磁通曲线 图中曲线2——在低频时有定子降压补偿的压频曲线和主磁通曲线

V/f比恒定控制存在的主要问题是低速性能差。其原因一方面是低速时定子的电压和电势近似相等条件已不能满足，所以仍按V/f比恒定控制就不能保持电机磁通恒定，而电机磁通的减小势必会造成电机的电磁转矩减小。另一方面原因是低速时逆变器桥臂上、下开关元件的导通时间相对较短，电压下降，而且它们的互锁时间也造成了电压降低，从而引起转矩脉动，在一定条件下这将会引起转速、电流的振荡，严重时会导致变频器不能运行。

4.2.3.3 其它控制方式

（1）转差频率控制变频调速

转差率控制方式是V/f控制的一种改进，这种控制需要由安装在电动机上的速度传感器检测出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出时转差率，而变频器的输出频率则有电动机实际转速与所需转差频率之和决定。它是解决V/f控制静态性能较差的一种有效方法。虽然这种方法可以提高调速精度，但是它需要使用速度传感器来求取转差角频率，还要针对具体电机的机械特性调整控制参数，因而此方法的通用性较差。

（2）矢量控制变频调速

矢量控制变频调速的做法是：将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流通过三相——两相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流励磁电流；

Ia、Ib、Ic??1、??1，再通过按转子磁

?m1、?t1（?m1相当于直流电动机的

?t1相当于与转矩成比例的电枢电流）

，然后仿效直流电动机的控制方法，求得直

流电动机控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。在高性能的异步电机控制系统中多采用交叉闭环控制的矢量控制。采用矢量控制方式的目的，主要是为了提高变频调速的动态性能。虽然这一理论的提出是交流传动理论上的一个飞跃，但是由于它既要确定转子的磁链，又要进行坐标变换，还要考虑转子参数变动带来的影响，所以系统非常复杂。矢量控制变频器通常应用于轧钢、造纸设备等对动态性能要求较高的场合。

（3）直接转矩控制变频调速

1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。

日前市场销售的通用变频器的控制多半为V/f比恒定控制，它的应用比较广泛，特别是在风机，泵及土木机械等方面应用较多，V/f比恒定控制的突出优点是可以进行电机的开环速度控制。

5、同步电机

同步电机和感应电机一样是一种常用的交流电机。同步电机的特点是：稳态运行时，转子的转速和电网频率之间又不变得关系n=ns=60f/p，ns成为同步转速。若电网的频率不变，则稳态时同步电机的转速恒为常数而与负载的大小无关。

5.1 同步电机的工作原理

5.1.1 磁场

三相同步电机运行时存在两个旋转磁场: 定子旋转磁场和转子旋转磁场。 （1）定子旋转磁场：又常称为电枢磁势，而相应的磁场称为电枢磁场 速度：同步速度，即ns=60f/p;

方向：从具有超前电流的相转向具有滞后电流的相。 形成原因：以电气方式形成。

当对称三相电流流过定子对称三相绕组时,将在空气隙中产生旋转磁通势。它的旋转速度为同步速度，即ns=60f/p；它的旋转方向是从具有超前电流的相转向具有滞后电流的相；当某相电流达到最大值的瞬间，旋转磁势的振幅恰好转到该相绕组轴线处。这个旋转磁通势是以电气方式形成的。同步电机不论作为发电机运行还是作为电动机运行，只要其定子三相绕组中流通对称三相电流，都将在空气隙中产生上述旋转磁通势，建立旋转磁场。同步电机的定子绕组被称为电枢绕组，因此，上述磁势又常称为电枢磁势，而相应的磁场称为电枢磁场。

（2）转子旋转磁场：直流励磁的旋转磁场。 速度：同步速度，即ns=60f/p; 方向：与定子相同。

形成原因：机械方式形成。

在同步电机的转子上装有由直流励磁产生的磁极，磁极与转子无相对运动。当转子旋转时, 以机械方式形成旋转磁通势，并在气隙中形成另一种旋转磁场。由于磁场随转子一同旋转，被称为直流励磁的旋转磁场。

5.1.2 电动势

两个旋转磁场切割绕组产生。 原因：旋转磁场切割绕组。 电动势：定子绕组----感应频率与同步转速相同的电动势。由定子旋转磁场和转子旋转磁场共同作用，两者有相角差。

转子绕组----正常情况下转子与磁场同速，无感应电动势。 同步电机的定子磁场和转子磁场均以同步转速旋转，但空间相位不同。当切割静止的定子绕组时，旋转磁场在定子三相绕组中感应出频率相同，时间相位不同的感应电动势。绕组中的感应电动势的时间相位差与旋转磁场间的空间相位差相等。

在稳态对称运行时，无论是定子磁场或是转子磁场都以同步转速旋转，与转子绕组没有相对运动，不会在转子绕组中产生感应电动势。

5.1.3 相互作用

原因：磁极间同性相斥、异性相吸，相互作用的电磁力。由于同步电机的空气隙间存在着两种不同方式产生的旋转磁场，因此，当这两个磁场的空间位置不同时，由于磁极间同性相斥、异性相吸的原理，它们之间便会产生相互作用的电磁力。

同步电机的定子磁场和转子磁场之间没有相对运动。但是由于负载的影响，两个磁场之间的相对位置却是不同的。这个相对位置决定了同步电机的运行方式。

转矩性质与运行方式：

1 转子磁场顺着旋转方向超前于电枢磁场：制动转矩+发电机运行方式

当同步电机的转子在原动机的拖动下，转子磁场顺着旋转方向超前于电枢磁场运行时，定子磁场作用到转子上的转矩是制动转矩，原动机只有克服电磁转矩才能拖动转子旋转。这时，电机转子从原动机输入机械功率，从定子输出电功率，则同步电机工作于发电机运行方式。

2 转子磁场顺着旋转方向滞后于定子磁场运行：拖动转矩+电动机运行方式 当转子磁场顺着旋转方向滞后于定子磁场运行时，转子会受到与其转向相同的电磁转矩的作用。这时，电枢磁场作用到转子上的转矩是拖动转矩，转子拖动外部机械负载旋转，则同步电机工作于电动机运行方式。

5.2 同步电机的基本结构

结构形式分类：同步电机按其结构型式可分为旋转电枢式和旋转磁极式两种。 在实际应用中，需要通过滑环将电功率自转子部分导入或者引出。由于同步电机的电枢功率极大，电压较高，因而不容易由滑环导入或引出。由于励磁绕组的功率与电枢的功率相比，所占比例较小，励磁电压通常又较低，因此使磁极旋转，通过滑环为励磁绕组供电容易实现。因此旋转电枢式只适用于小容量同步电机，同步电机的基本结构形式是旋转磁极式。

构成：由定子与转子两大部分组成。

同步电机的基本结构与直流电机和异步电机相同，都是由定子与转子两大部分组成。

5.2.1 定子

结构：由铁心、电枢绕组、机座以及端盖等结构件组成。

定子铁心是构成磁路的部件，一般采用硅钢片叠装而成，以减少磁滞和涡流损耗。定子冲片分段叠装，每段之间有通风槽片，以构成径向通风。大型同步电机由于尺寸太大，硅钢片常为扇形冲片，然后组装成圆形。

电枢绕组为三相对称交流绕组，多为双层绕组，嵌装在定子槽内。

定子机座是支承部件，用于安放定子铁心和电枢绕组，并构成所需的通风路径，因此要求它有足够的刚度和强度。大型同步电机的机座都采用钢板焊接结构。

端盖的作用与异步电机相同，将电机本体的两端封盖起来，并与机座、定子铁心和转子一起构成电机内部完整的通风系统。

5.2.2 转子

结构：与异步电机转子结构不同，通常由转子铁心、转轴、阻尼绕组、励磁绕组和滑环等组成。

分类：同步电机的转子结构有两种类型，可分为隐极式和凸极式两种。

隐极式转子呈圆柱形，无明显的磁极。隐极式转子的圆周上开槽，槽中嵌放分布式直流励磁绕组。隐极式转子的机械强度高，故多用于高速同步电机，例如汽轮发电机。在同步电机运行过程中，转子由于高速旋转而承受很大的机械应力，所以隐极式转子大多由整块强度

高和导磁性能好的铸钢或锻钢加工而成。隐极电机的气隙是均匀的，圆周上各处的磁阻相同。

凸极式转子结构比较简单，磁极形状与直流机相似，磁极上装有集中式直流励磁绕阻。凸极式转子制造方便，容易制成多极，但是机械强度低，多用于中速或低速的场合，例如水轮发电机或者柴油发电机。凸极电机的气隙是不均匀的，圆周上各处的磁阻各不相同，在转子磁极的几何中线处气隙最大，磁阻也大。

此外，同步电机转子磁极表面都装有类似笼型异步电机转子的短路绕组，由嵌入磁极表面的若干铜条组成，这些铜条的两端用短路环联结起来。此绕组在同步发电机中起到了抑制转子机械振荡的作用，称为阻尼绕组；在同步电动机中主要作起动绕组使用，同步运行时也起稳定作用。

滑环装在转子轴上，经引线接至励磁绕组，并借电刷接到励磁装置。

5.2.3 励磁方式

同步电机的直流励磁电流需要从外部提供，供给同步电机励磁电流的装置称为励磁系统。获得励磁电流的方法称为励磁方式。按照所采用的整流装置，励磁系统分为：

(1)直流发电机励磁系统

这是传统的励磁系统，由装在同步电机转轴上的小型直流发电机供电。这种专供励磁的直流发电机称为励磁机。

(2)静止整流器励磁系统

这种励磁方式是将同轴的交流励磁机（小容量同步发电机）或者主发电机发出的交流电经过静止的整流装置变换成直流电后，由集电环引入主发电机励磁绕组供给所需的直流励磁。

(3)旋转整流器励磁系统

这种励磁方式将同轴交流励磁机做成旋转电枢式，并将整流器装置固定在此电枢上一起旋转，组成了旋转整流器励磁系统，将交流励磁发电机输出的交流电整流之后，直接供电给励磁绕组。这样可以完全省去集电环、电刷等滑动接触装置，成为无刷励磁系统,广泛应用于大容量发电机中。

5.3 同步电动机的运行分析

5.3.1 隐极同步电动机的电动势平衡方程式和相量图 5.3.1.1 主磁路中的磁动势和电动势关系：

磁动势：当隐极同步发电机转子励磁绕组通入直流励磁电流后，产生主极磁动势，产生主磁通磁通

?0；定子绕组接上三相对称负载后，产生电枢磁动势Fa，产生电枢磁通?a和漏

??。

电动势：主磁通

?0和电枢磁通?a，切割定子绕组并在定子绕组内感应出相应的励磁

电动势

E0和电枢反应电动势压Ea。

电压平衡方程：

FF 如果不计磁饱和(即认为磁路为线性)，则可应用叠加原理，把f和a的作用分别单独

考虑，再把它们的效果叠加起来。

进而可以得到如下图所示的向量图和等效电路图：

? U ?Xa jIXt ?X? E? ?Ra I ?? E0 ?E0 ?U ? 感生电动势的处理： 1 仿照在变压器和异步电动机中用过的将漏抗电动势写成漏抗压降的方法，a) b) 隐极同步电动机的相量图和等效电路 IRa ?E???jIX? 2 电枢反应电动势Ea正比于电枢反应磁通?a，不计磁饱和时，?a正比于电枢磁动势Fa和电枢电流I，即Ea??a?Fa?I Ea正比于I；在时间相位上，Ea滞后于?a 90电角度，若不计定子铁耗，?a与I同相位，则及Ea将滞后于电枢电流I90度。EE??jIXa 于是a亦可写成电抗压降的形式，即aXa是与电枢反应磁通相对应的电抗，称为电枢反应电抗。 式中，U?E0?IRa?jIXs

X?Xa?X?称为隐极同步电机的同步电抗，Xs是对称稳态运行时表征电枢反应

式中，sX和电枢漏磁这两个效应的一个综合参数。不计饱和时，s是一个常数。

定子电压方程

5.3.2 凸极同步发电机的电动势方程和相量图 5.3.2.1 主磁路中的磁动势和电动势关系：

磁动势：当隐极同步发电机转子励磁绕组通入直流励磁电流后，产生主极磁动势，产生主磁通

?0；

Fa。

定子绕组接上三相对称负载后，产生电枢磁动势

问题：

凸极同步电机的气隙沿电枢圆周是不均匀的，直轴上气隙较小，交轴上气隙较大．因此直轴上磁阻比交轴上磁阻小。同样大小的电枢磁动势作用在直轴磁路上与作用在交轴磁路上产生的磁通因而存在很大差别。随着负载电流性质不同，电枢磁动势作用在不同的空间位置。因此在定量分析电枢反应的作用时．需要应用双反应理论：

一般情况下，如果电枢磁动势既不作用于直轴、亦不在交轴而是在空间任意位置处，可把电枢磁动势

Fa分解成直轴和交轴两个分量Fad、Faq，再用对应的直轴磁导和交轴磁导

分别算出直轴和交轴电枢磁通

bad、baq，最后把它们的效果叠加起来。这种考虑到凸极电

机气隙的不均匀性，把电枢反应分成直轴和交轴电枢反应分别来处理的方法，就称为双反应理论。实践证明，不计磁饱和时，这种方法的效果是满足要求的。

解决：不计磁饱和时，根据双反应理论，把电枢磁动势

Fa分解成直轴和交轴磁动势Fad、

Faq两个分量，然后根据对应的磁导分别求出其所产生的直轴、交轴电枢磁通电动势：主磁通

?ad,?aq。

?0和电枢磁通，即直轴、交轴电枢磁通切割定子绕组并在定子绕组内

感应出相应的励磁电动势

E0和电枢反应电动势Ead,Eaq。

可得一相绕组的合成电动势E (或称为气隙电动势)。

电压平衡方程：

按照隐极同步电动机各物理量正方向的规定，可写出凸极同步发电机定子电枢任一相的电势方程

U??E0?Ead?Eaq?I(Ra?jX?)

电动势处理：

1仿照在变压器和异步电动机中用过的将漏抗电动势写成漏抗压降的方法，

E???jIX?

2 与隐极电机相类似，由于

Ead和Eaq分别正比于相应的?ad,?aq，不计磁饱和时，

?ad和?aq又分别正比于Fad、Faq，而Fad 、Faq又正比于电枢电流的直轴和交轴分量Id、

Iq，于是可得

Ead??ad?Fad?Id

Eaq??aq?Faq?Iq此处

。不计定子铁耗时，

Id?Isin?,Iq?Icos?Ead和Eaq在时间相位上分别滞后于Id、

Iq以90电角度，所以

Ead和Eaq可以用相应的电抗压降来表示，

Ead??jIdXad

Eaq??jIqXaq式中，

Xad称为直轴电枢反应电抗；Xaq称为交轴电枢反应电抗。因为I?Id?Iq,代入

定子绕组电动势方程

U??E0?IRa?jIdXd?jIqXq

上式中，

Xd?X??XadXq?X??XaqXd和Xq分别称为直轴同步电抗和交轴同步电抗, 它们

是表征对称稳态运行时电枢漏磁和直轴或交轴电枢反应的一个综合参数。

5.3.3 三个角度的关系：

在三相同步发电机的相量图中，励磁电动势压U与电流I的夹角称为功率因数角

E0与端电压U之间的夹角为功角?，端电

?，励磁电动势E0与电流I之间的夹角称为内功率因

数角?。三者有如下关系 ?????。当发电机输出容性无功功率时取“-”，输出电感性无功功率时取“+”。

6、交流电机的仿真

学习了交流电机的相关知识后，只是能够从理论上理解，尚不能学会运用，这里就结合我的专业方向，使用MATLAB中的Simulink仿真功能，搭建一个PWM变频器-电动机系统仿真，以学着使用学过的知识。

交流异步电动机由逆变器供电的仿真模型如下图6.1所示，模型由直流电源DC、逆变器Universial Bridge、调制器PWM Generator、异步交流电动机模块以及测量模块组成，电动机空载启动的工作波形如下图所示。

图6.1 PWM变频器-交流异步电动机系统仿真模型

逆变器输出电压（uAB）

电动机定子电流isa

从图中可以看出在0.5s以前，电机处于空载状态，输出电流接近于0，在0.5s以后，加上了40N·m的负载转矩后，电流输出电流变大。

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