第3章电机的基本结构与工作原理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。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。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。理想情况下，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。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，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再由=t，上式可写成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。由余弦定理可知合成矢量Fsr的大小为根据磁余能与气隙磁场的关系，有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3.4电机的能量损耗与发热3.4.1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，这来自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；（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。对于变压器等静止的设备来说，其能量损耗只有电气损耗部分。图3-6表示了电机的能量传递和损耗过程。根据上述分析，电机的效率可表示为3.4.2电机的发热与温升电机的能量损耗最终都要转换成热能散发掉，这会引起电机的温度上升。电机温度升高的过程是一个热过渡过程，称之为发热，通常把电机温度高出环境温度的值称为温升。一个典型的电机发热过程如图3-7a所示。同样，电机停止运行或减少负载时温度会下降，电机冷却过程是一个按指数规律下降的曲线（图3-7b）。3.5电机的的研究内容与分析步骤无论何种电机，无论其结构形式和应用场合，都是以磁场作为耦合场的机电能量转换装置，具有共同的理论基础。这些理论包括：法拉第电磁感应定律、基尔霍夫定律、安培环路定律、牛顿定律和能量守恒原理等物理学知识。在这些基本理论基础上，采用何种方法和工具进行电机的理论分析和应用设计是十分重要的。3.5.1研究内容目前，电机的研究内容大致可以分为电路分析、机电能量分析和计算机仿真分析，其核心是分析电机耦合磁场对电气系统和机械系统的作用和反作用。1.电路分析电路分析主要从电机的物理结构角度出发，研