交流电机定子绕组磁势的分析

　　旋转磁场是交流电机工作的关键,它具有不可视的抽象性。磁场由磁势建立,定子绕组的磁势与电势及绕组形式共同构成交流电机的三大基本问题。交流同步机和交流异步机在结构上及定子绕组磁势方面具有相同和相似的部分,相关知识点有相互交叉的特性。普通的电机学课程通常均选择直流电机、变压器、异步机和同步机作为4种典型电机来分章,并逐章进行理论分析。对于相同及相似的知识点部分,在归类清晰方面有些欠缺;磁势的数学分析和推导较为复杂和抽象。目前的电机理论对磁势的分析和推导均在电势分析之后。虽然分析方法不完全统一,有的是先从整距绕组入手[1~3],有的是先从短距绕组入手[4, 5],但分析过程都不够详细和明确。特别是对定子绕组磁势短距系数的推导,有的文献直接给出,有的文献仅用两三句话进行简单说明,论述不够具体。定子绕组的电势系数与定子绕组的磁势系数在表达式上是相同的(整距系数和短距系数均相同),但两者的短距系数在推导过程和所表达的物理意义方面不相同,磁势短距系数也无法由电势短距系数分析方法中“同理而得”。没有具体的推导,增加了理解上的难度;为分析交流绕组基波磁动势,“空间矢量”模型也被提出和应用[6],其推导过程复杂而抽象。为了增加直观性,相关文献还采用了作图或动画的方式[7, 8],这有助于理解磁势的变化,但还是有“脱开实物”的感觉。本文从综合的角度对交流电机的结构和定子绕组磁势进行了分析,归纳了它们的相同、相似之处;提出一种新的分析和推导交流电机定子绕组短距系数的方法;并给出一种简单而直观的实验方法验证交流电机定子绕组的旋转磁场。

　　1交流电机结构的异同

　　交流电机可分为三相交流电机和单相交流异步电动机,而三相交流电机又可分为三相同步电机和三相异步机。交流电机在结构上既具有相同和相似之处,又各有其自身特点。相同之处在于:三相同步电机(均指旋转磁极式)和三相异步机的定子结构基本相同,主要由定子铁心和三相对称定子绕组构成;三相鼠笼式异步电动机与单相异步电动机的转子结构基本相同(三相异步机还有绕线式),主要由鼠笼和转子铁心构成。不同之处在于:同步机和异步机的转子结构不同。同步机的转子主要由励磁绕组和励磁铁心构成,励磁绕组联有励磁装置,而异步机的转子,无论是鼠笼式还是绕线式,电路部分均自成回路。由于异步机在运行时,鼠笼或转子绕组内感应的电流是交变的,因此它的转子铁心一般用0·5 mm厚的硅钢片制成;而同步机的转子绕组是直流励磁绕组,它的铁心是用厚度为1~2 mm的钢片叠成。