同步电机学习中的疑难问题综析
来源:用户上传
作者:邓武进
摘 要：电机学被称为电气专业“四大天书”之首，是电气工程自动化专业课中被普遍认为是最为困难的。知识点十分抽象，概念复杂晦涩，难以理解。课本编排十分琐碎，不便于学习。在电气工程的学习中，大多数学生都感到十分困难。学生发现自己在许多问题上都无法理解而只能死记硬背。笔者在刚刚接触电机学时，有许多问题无法理解掌握。经过长时间的钻研，掌握了许多独特的理解分析方法。电机学中难度最大，难点最多的便是同步电机。此文便对同步电机的若干疑难问题提供了自己的解决方法，以供电机学习者的参考。
关键词：电机学;同步电机;疑难问题;理解分析
同步电机，是指转速恒定为同步转速的电机。它的绕组绕制方式，感应电势的产生，旋转磁场的产生，电枢反应以及同步电抗，都是被认为是难以理解的。本文将对这些疑难问题提出一系列便于深刻理解，透彻掌握的方法。
1 关于绕组的疑难问题
（1）在电机中有两种旋转磁场，其中一种是在转子上绕制的线圈上通入直流，用原动机拖动转子达到同步转速，以此产生旋转磁场。
（2）同步电机的磁极设计成沿着旋转方向，NS极交替。
（3）电角度：将一个圆周当成360电角，划分给相邻的一对NS级，产生一组ABC三相绕组。有几对磁极就有几组ABC三相绕组，于是一个圆周360度，可以看为有p个 360度电角。
（4）按照每对磁极划分三相绕组时，每一对磁极的相应位置应该差360电角。
（5）电势星形图表示的是电角度，一圈表示一对磁极的划分，如果有多对磁极，则同一个位置的两槽相差360电角。在每一对磁极的划分中，三相电势之间都相差120度电角度。
（6）按照惯例，单层绕组使用整距。双层考虑到谐波而使用短距。因为单层绕组使用整距，所以在一对极域里产生一个线圈组。因为双层绕组使用短距，所以一个级域内产生一个线圈组。短距会使得双层绕组个别线圈无法按照电势相加原则，使得电势下降。
（7）在分配单层绕组导体时，一个槽只有一个导体，将槽分成ABCXYZ六份。在分配双层绕组时，一个槽有两层导体，分配时只分配上层，与单层一样，只不过只分成ABC三份，即原来的AX都为A，以此类推。对于下层，排列与上层一样，但是一个线圈的上下导体之间差一个节距，将上层的排列整体旋转一个节距即可。
（8）N—串联等效线圈数。当匝数为n时，在每条支路上串联的线圈数是匝数为1时的线圈数的n倍。
2 关于励磁电流产生的感应电势的疑难问题
（1）此处考虑的是定子侧的空载电势。
（2）绕组匝数的意义在于，从绕组的一个进口绕入，绕一圈后，从出口绕出，在接着从进口绕入，出口绕出，此时绕入的各匝绕组都是平行关系。而对于线圈而言，各匝的线圈之间是串联叠加的关系。
3 关于三相电流通过三相繞组产生的旋转磁场的疑难问题
（1）对于单相整距集中绕组而言，线圈产生的磁势都可以认为在两侧的气隙上消耗掉了。所以沿气隙圆周的磁势均匀分布。将定子内圆展开后，将转子一侧作为参考磁势，在右半圆，定子内圆为正。在左半圆，定子内圆为负。于是形成了矩形波磁势。人们把这种空间位置固定，大小随时间变化的磁势称为脉动磁势。
（2）在分析基波磁势与电角度X的曲线时。不应该把不同时刻的图像看成是不同幅值的正弦图像，而应该看成一个在空间上沿着气隙传播的波形不断在空间变化的波。波在空间的每一个位置都存在随时间而上下来回的振动。在每一点处都有着一个幅值，每个幅值都是确定的值，为X=0处幅值中的最大值与cosX的乘积。在这个波的各个时刻的波形图中，磁势的最大值总是在X=0处取得。因为此时还受到关于时间的余弦函数约束，所以波形呈现出正弦图像形式。
（3）在用图解法将单相基波脉振磁势分解成两个基波旋转磁势的时候，需要先确定一个位置，即把X固定，再研究随时间而旋转的两个转向反向的旋转磁势。
4 关于电枢反应的疑难问题
（1）电枢反应的实质是定子电流对励磁磁势的反作用。
（2）电机学有一个重要的推导公式的方法，那就是用一个电路上的电抗的压降来表示磁路上的磁压降，电抗便用来表示磁路上的阻碍。这个做法非常抽象，让人难以理解。在同步电机中，电枢电流产生的磁通分为两部分，主磁通和漏磁通，他们都会受到磁压降，所以它们分别感应出的电势便会分别与一个虚拟出的电抗成比例。在推导中，因为各个位置对应的磁路不相同，所以选取两个沿着d轴和q轴的典型磁路加以分析。其他的磁路可以分解成这两个磁路的叠加。意思是一个普通磁路可以用两个典型磁路进行等效，其电磁效果是相同的。对应于两个等效出的典型磁路，有两个电枢电抗。同时，电枢电流也按照d轴和q轴进行分解。于是电枢电流和磁路都关于d轴和q轴分解等效了，等效的磁路都各自对应一个电抗。这样电枢电势就可以表示出来了。同步电抗是电枢电抗和漏磁电抗的合成。
5 总结
本文是作者对电机学学习钻研许久的成果。由于电机学原理太过抽象，推导难以让人理解，甚至难以让人信服。笔者写作此文的目的便是希望电气学子能够受到些许启发，有利于他们对电机学同步电机部分的学习。
参考文献：
[1]吴建华.开关磁阻电机设计与应用[M].机械工业出版社，2000.
[2]孔彦召，张向龙.基于有限元法的开关磁阻电机建模及验证[J].黑龙江电力，2018（05）.
[3]黄苏丹，曹广忠，钱清泉，段吉安.平面开关磁阻电机非线性力电流转换模型[J].电工技术学报，2017（02）.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-15049000.htm
