第3章 电机的基本结构与工作原理 电机及拖动基础  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  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 3.1  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        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         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        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 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）  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）  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          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  现假定气隙磁场按正弦分布，由于正弦波均值的平方是其峰值平方的一半，则平均气隙磁场强度为 第3章 电机的基本结构与工作原理 （3-4）  （3-5）  （3-6）          根据磁余能与气隙磁场的关系，有  其中，? = ?0 ，H = Hav ，气隙的体积V = ?Dlg ，由此可计算出电机的磁余能为         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）          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         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 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 （3-18） 第3章 电机的基本结构与工作原理         式（3-18）是利用转子参数计算电磁转矩的公式。同理，可以推导出采用定子参数计算电机电磁转矩的公式 （3-19）         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]。  第3章 电机的基本结构与工作原理   3.4  电机的能量损耗与发热 max.book118.com  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         （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。      
第03章－电机的基本结构与工作原理.ppt