2.1　交流电机的工作原理

2.1.1　同步电机

下面以同步发电机为例说明同步电机的工作原理。同步发电机由定子和转子两部分组成，定子、转子间有气隙，其结构模型如图2-1所示。定子上嵌放一组三相对称绕组AX、BY和CZ，每相绕组的匝数相等，空间位置互差120°电角度，为方便计算，图中每相绕组仅由一个线圈构成。转子磁极装有励磁绕组，由直流励磁。正确选择磁极形状，可使气隙磁通密度沿定子内圈按正弦分布，转子磁场波形图如图2-2所示。

图2-1　同步发电机的结构模型

图2-2　转子磁场波形图

在图2-2中，以A相绕组为例，横坐标α为应转子位置角，纵坐标B为气隙磁通密度幅值，ω1为转子旋转角速度，Bx为任意位置处的A相绕组对应的气隙磁通密度幅值。当原动机带动电机转子顺时针方向恒速旋转时，在气隙中形成一个正弦旋转磁场，磁场的幅值保持不变，但其所在空间位置随转子的旋转而旋转。该旋转磁场不断切割定子每相绕组，并在其中感应电动势，电动势的大小按e＝Blv确定，方向按右手定则确定。以A相为例，在图2- 1所示位置，导体位于磁极轴线上，感应电动势最大，其方向如图2-1所示。当转子转过90°，磁极轴线位于水平位置，A相绕组不再切割磁场，感应电动势为零。转子继续旋转，连接首端A的线圈边切割S极，感应电动势的方向也随之改变。由于旋转的气隙磁通密度在定子内周按正弦规律分布，则定子绕组中感应电动势随时间按正弦规律变化。

由于三相绕组对称，在空间互差120°，当旋转磁场依次切割A相、B相和C相绕组时，所产生的感应电动势也对称，即各相电动势的幅值大小相等，时间相位差120°，波形图如图2-3所示。

若把X、Y、Z三个线端接在一起成为中点，在A、B、C三个出线端之间就可得到三相对称交变电动势，这就是三相同步发电机空载时的基本原理。如果在三个出线端接上三相对称负载，就引出三相对称交流电流，实现电能输出，此时，电枢绕组的三相电流与励磁绕组电流生成的气隙磁场相互作用，产生电磁转矩，发电机状态下该转矩方向与转子转向相反，原动机必须不断地提供给转子机械转矩才能维持电机转速，这样发电机就实现了将机械能转换为电能。

图2-3　三相电动势波形图

图2-3中三相电动势的相序为A→B→C，它取决于转子的转向。当转子为一对磁极时，转子旋转一周，定子绕组感应电动势变化一个周期；当转子有p对磁极时，转子旋转一周，感应电动势就变化p个周期。设转子每分钟转数为n1，则感应电动势频率为

从式（2-1）可见，同步电机的转速n1和电网频率f之间有严格不变的关系。即当电网频率一定时，电机的转速n1＝60f/p为一恒值，这是同步电机的一个特点。

2.1.2　异步电机

以异步电动机为例说明异步电机的工作原理。异步电动机的工作原理如图2-4所示，其定子结构与同步电机相似，由定子铁芯和三相交流绕组组成。转子结构与同步电机不同，转子绕组是一个闭合的交流绕组，常用的一种转子绕组是：转子槽内有导体，导体两端用短路环连接起来，形成一个闭合绕组。当定子绕组流过三相对称交流电流时，在定子、转子间气隙建立起以同步转速n1旋转的旋转磁场（其原理将在本章2.3节中分析），设为逆时针旋转的两极磁场。磁力线切割转子导体并在其中感应电动势，方向如图2-4所示，于是转子导体内流过电流。由电磁力定律可知，转子导体电流与旋转磁场相互作用，使转子导体受电磁力的作用，作用力的方向由左手定则决定。转子上所有导体受到的电磁力形成一个逆时针方向的电磁转矩T，使转子跟着旋转磁场逆时针旋转，转速为n。如转子轴上带机械负载，电磁转矩将克服负载转矩而做功，输出机械功率，实现从电能到机械能的转换。

图2-4　异步电动机的工作原理图

异步电机转动原理比较复杂，为便于理解，可简单归纳为10个字。具体如下：

（1）电生磁。三相对称绕组通入三相对称电流产生圆形旋转磁场。

（2）磁生电。旋转磁场切割转子导体感应电动势，转子闭合，形成电流。

（3）电磁生力。转子电流（有功分量电流）在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转，将电能转化为机械能。

由上述过程可以发现，异步电机负载运行时转子导条与旋转磁场之间必须有相对运动，即转子转速n与旋转磁场转速n1（又称同步转速）不同，才能在转子绕组中不断产生感应电动势和感应电流，从而产生电磁转矩，故称为异步电机。从异步电机的作用原理来看，该类电机能负载运行的关键在于转子一侧有感应电动势和电流，这样能量由静止部分通过电磁感应传递到运动部分，或由运动部分传递到静止部分，所以又称为感应电机。