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

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