第10章 交流电动机.docVIP

交流电动机 第一次工业革命是以蒸汽机的发明为代表的。19世纪末电动机开始逐步取代蒸汽机成为工厂车间等场所的动力。电动机的优点是清洁无污染。现在很多固定工作场所都以电动机为动力。电动机的应用非常广泛。 作为现代社会的工程技术专业大学生，了解常用的电动机工作原理和主要特性是非常必要的。电动机主要分交流电动机和直流电动机两大类。 本章介绍最常用的交流电动机工作原理和主要特性参数。 6.1工作原理及基本构造 一、交流电动机模型 图1 交流电动机模型 图1是交流电动机模型。当鼠笼形转子周围的磁极顺时针转动时，转子导体条就会切割磁力线，根据右手发电定则，转子上侧的导体条中的感应电流朝向纸外。根据左手受力定则，载流导体受力方向为向右，于是转子跟着磁极转动起来。 不过，转子转动永远跟不上磁极转动。因为转子就是靠转速差切割磁力线来产生动力的，没有转速差就没有动力。就是说，转子转动与磁极转动不可能同步而总是异步的，这就是异步电动机名称的由来。 二、基本构造 交流电动机分定子和转子两大部分。 为了加强定子电流形成磁场的效果，定子主体由硅钢片迭成，硅钢片上开有纵向槽，定子绕组嵌放在均布的定子槽中。 转子有鼠笼型和绕线型两大类。为了加强定子电流形成磁场的效果，鼠笼型转子亦由硅钢片迭成，硅钢片上亦开有纵向槽，然后将融化的金属铝浇铸在迭好的硅钢片转子槽中及两端面环，冷却后硅钢片转子槽中的铝条及两端面的铝环即形成所谓“鼠笼”。不过任何动物都不会跑进去，因为这个“鼠笼”中实际充满了坚硬的硅钢片。 3、对旋转磁场的要求 交流电动机的转速取决于旋转磁场的转速，为此把旋转磁场的转速称为同步转速。 旋转磁场具有两个基本参数：磁动势和同步转速。 为了使交流电动机性能最好，即消除电磁振动和噪音，理想旋转磁场应当具有以下两个特性： 1．旋转磁场磁动势为常数； 2．旋转磁场同步转速为常数。 或者说，理想旋转磁场大小不变，转速稳定。 目前把磁动势不变的旋转磁场称为圆形旋转磁场。 实际旋转磁场很难达到理想要求。实际旋转磁场磁动势和同步转速都有一定的脉动。电动机设计要求就是尽可能减少旋转磁场磁动势和同步转速的脉动。 6.2 定子旋转磁场的形成及其分析 一、定子绕组基本单元 永久磁铁转动自然形成旋转磁场。 电流生成磁场。固定直流电流生成固定磁场。运动直流电流生成运动磁场。 虽然载流导体本身并不能运动，但是多个电流的大小有序变化，可以等效为总电流的运动。 通常用三相或单相交流电来形成旋转磁场。交流电动机设计的基本问题是设法由交流电产生旋转磁场。 为了分析如何用三相交流电形成旋转磁场，首先观察三相交流电流波形。其中ia、ib、ic为从三相相头看到的电流，ix、iy、iz为从三相相尾看到的电流，很明显 (1) 图2 三相交流电流波形 质点系有质心。按照质量对每个质点加权，可以求出质点系重心。电流排有电流中心，如图2。按照电流大小对电流束中的每个电流进行加权，可以求出电流中心。 当电动机定子绕组电流的大小和方向按照三相正弦交流电规律变化和电流排不断重组时，电流排中心就逐渐连续移动。因此，详细看起来，旋转磁场就是由电流排中心沿着定子槽所在圆的圆周连续移动形成的。 为求电流排中心，首先沿着绕组中心将绕组剖开铺平，如图3，设绕组所在圆的平均直径为d，定子槽距为。设电流排中心到C相相头的距离为s，则在期间 代入(1)有 化简有 表1 电流排中心的连续位移 0 10 20 30 40 50 60 2 2.74 3.39 4 4.61 5.26 6.0 在电角度范围内，电流ia、iz、ib方向一直，形成电流排(束)。其间电流排(束)中心从电角度连续移动到电角度。 在电角度范围内，电流iz、ib、ix方向一直，形成电流排(束)。其间电流排(束)中心从电角度连续移动到电角度。 在电角度范围内，电流ib、ix、ic方向一直，形成电流排(束)。其间电流排(束)中心从电角度连续移动到电角度。 就是说，随着时间的进行，电流排中心可以从电角度连续移动到电角度。 如果按照图2次序将三相绕组下在定子槽中，如图3，就能将电流排(束)中心的电角度变化即时间变化转换为机械角度或位移的变化，用三相交流电实现旋转磁场。图3中字母代表绕组的相头和相尾，数字代表定子槽编号。如此，将图3所示定子绕组单元称为三相交流电动机定子绕组基本单元。 图3 三相交流电动机基本绕组 实际二极电动机定子槽数不止6个，而是6的倍数。就是说，为了使定子槽不致于过大，将一个槽分成几个槽做，同时将一个相绕组分成几个绕组，统称为极相组。 多极电动机，例如四极、六极、八极甚至12极电动机，其定子绕组都是若干基本绕组的简单组合，图4展示了四极、六极电动机的极相组布置图。 图4 四极、六极电动机极相组布置图 二、