【原】绕组及其电势是如何作用于交流电机的？

朋友小G问Ms.参电机究竟有多复杂，怎么就“似曾相识”却总也琢磨不透？类似问题MS.参回应过不少人，总归非专业人士多，一言点透不可能，给出的信息多为片面、零碎和不够严谨的专业知识。

天MS.参借这一永远没有完美答案的话题，引出讨论专题：绕组及其电势在交流电机内部是如何发挥其神奇而美妙的作用的。

两类交流电机及其绕组功用

交流旋转电机主要分为同步电机和异步电机两类。两类电机虽然激磁方式和运行特性有很大不同差别，但电机内部发生的电磁现象和机电转换原理相同，存在许多共同性问题，即交流电机的绕组、电势及磁势等问题。

交流电机绕组的功用是在旋转磁场中感应电势、流过电流和产生电磁转矩，达到机电能量转换的目的，故有绕组为电机的核心部件之说。

交流电机基本工作原理

● 同步电机内部发生的电磁现象

以发电机为例，如图1中a) 图所示。定子上有AX、BY、CZ三相绕组，它们在空间上彼此相差120°电角度，每相绕组的匝数相同。转子磁极(简称主极)上装有励磁绕组，由直流励磁，其磁通从转子上N极出来，经过气隙、定子铁心、气隙，进入转子S极而构成回路。

图1

当用原动机拖动发电机沿反时针方向恒速旋转时，磁极的磁力线将切割定子绕组的导体，根据电磁感应定律，定子导体中会感应出交变电势。设磁极磁场的气隙磁密沿圆周按正弦规律分布，则导体电势也随时间按正弦规律变化，即

e_c=B_αLV=B_mLVsinωt=E_cmsinωt……（1）

式中E_cm=B_mLV是导体电势的最大值，B_α是导体所在处的磁密，B_m是正弦波磁密的最大值，L为磁力线切割导体的长度，V为磁力线切割导体的速度，ω=2πf，f是电势的频率。

相绕组空间上彼此互差120°电角度，图1中a) 图所示转向下，磁力线将先切割A相绕组，再切割B相绕组，最后切割C相绕组。因此，定子三相电势大小相等、相位互差120°。设相电势最大值为E_m，A相电势的初相角为零，则三相电势的顺时值为：

从图1 中a)图、式（1）、式（2）可见，多相交流电势存在大小、频率、波形和对称问题，这些内容在交流电机理论分析中经常遇到，Ms.参将在今后的推送文章中详细讨论。

电势频率可以这样决定：

当转子为一对极时，转子旋转一周，绕组中的感应电势正好交变一次(即一周波)；当电机有p对极时，则转子旋转一周，绕组中的感应电势交变p次(即p个周波)；设转子每分钟转数为n，则转子每秒钟旋转n/60转，因此感应电势每秒交变pn/60次，即电势的频率为

f= pn/60(赫) ……（3）

式（3）表明：

感应电势频率f等于电机的极对数p与转子每秒钟转数n/60的乘积。我国规定工频50赫，故而电机极数和转速成反比关系。如汽轮发电机中，转速n=3000转/分，电机为一对极；n=1500转/分，电机为两对极。所以转速越低极对数越多，如当水轮发电机转速n=100转/分，则电机为30对极。

● 异步电机内部发生的电磁现象

异步机主要用作电动机，故这里以电动机为例说明。从结构上讲，异步电机和同步电机的定子是一样的，只有转子结构不同而已。图1中b)图为一鼠笼式异步电动机原理图。转子槽内有导体，导体两端用短路环连接起来，形成一个闭合的绕组。

图1

当定子绕组加上对称的三相交流电压后，定子三相绕组中便有对称的三相电流通过，它们联合产生一个定子旋转磁场(参见Ms.参先前推文《三相异步机旋转原理是这样的》)，在图1中b)图中用N、S极表示（注意异步机、同步机磁力线箭头方向，均为N极出发、回到S极，二者之所以不同，乃因磁极或励磁一个在转子上而另一个在定子上）。

设定子旋转磁场以转速n₁(称为同步转速)沿反时针方向旋转，则它的磁力线将切割转子导体而感应电势。电势的方向可用右手定则确定，如图1中b)图所示。在该电势作用下，转子导体内便有电流通过，电流的有功分量与电势同相位。

于是，由电磁力定律可知，转子导体电流与旋转磁场相互作用使转子导体受到电磁力f，它的方向由左手定则确定，如图1中b) 图所示。在该电磁力作用下，电动机转子就转动起来，其转向与旋转磁场的方向相同。这时，如果转子轴上加上机械负载，电动机就拖动机械负载旋转，输出机械功率，即电动机把电能转换成机械能。

异步和同步之说

从式（3）可以看出，同步电机转速n和电网频率f之间有严格不变的关系，即当频率f一定时，电机的转速n= 60f/p为一恒值。

而异步电动机的转速不可能达到定子旋转磁场的转速，即同步转速；因为如果达到同步转速，则转子导体与旋转磁场之间没有相对运动，随之在转子导体中不能感应电势和电流，也就不能产生推动转子旋转的电磁力。

因此，异步电动机的转速总是低于同步转速，即两种转速之间总是存在差异，异步电动机因此而得名。

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