同步電機(jī)學(xué)習(xí)中的疑難問題綜析

鄧武進(jìn)

摘 要：電機(jī)學(xué)被稱為電氣專業(yè)“四大天書”之首，是電氣工程自動化專業(yè)課中被普遍認(rèn)為是最為困難的。知識點(diǎn)十分抽象，概念復(fù)雜晦澀，難以理解。課本編排十分瑣碎，不便于學(xué)習(xí)。在電氣工程的學(xué)習(xí)中，大多數(shù)學(xué)生都感到十分困難。學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己在許多問題上都無法理解而只能死記硬背。筆者在剛剛接觸電機(jī)學(xué)時(shí)，有許多問題無法理解掌握。經(jīng)過長時(shí)間的鉆研，掌握了許多獨(dú)特的理解分析方法。電機(jī)學(xué)中難度最大，難點(diǎn)最多的便是同步電機(jī)。此文便對同步電機(jī)的若干疑難問題提供了自己的解決方法，以供電機(jī)學(xué)習(xí)者的參考。

關(guān)鍵詞：電機(jī)學(xué);同步電機(jī);疑難問題;理解分析

同步電機(jī)，是指轉(zhuǎn)速恒定為同步轉(zhuǎn)速的電機(jī)。它的繞組繞制方式，感應(yīng)電勢的產(chǎn)生，旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生，電樞反應(yīng)以及同步電抗，都是被認(rèn)為是難以理解的。本文將對這些疑難問題提出一系列便于深刻理解，透徹掌握的方法。

1 關(guān)于繞組的疑難問題

（1）在電機(jī)中有兩種旋轉(zhuǎn)磁場，其中一種是在轉(zhuǎn)子上繞制的線圈上通入直流，用原動機(jī)拖動轉(zhuǎn)子達(dá)到同步轉(zhuǎn)速，以此產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。

（2）同步電機(jī)的磁極設(shè)計(jì)成沿著旋轉(zhuǎn)方向，NS極交替。

（3）電角度：將一個圓周當(dāng)成360電角，劃分給相鄰的一對NS級，產(chǎn)生一組ABC三相繞組。有幾對磁極就有幾組ABC三相繞組，于是一個圓周360度，可以看為有p個 360度電角。

（4）按照每對磁極劃分三相繞組時(shí)，每一對磁極的相應(yīng)位置應(yīng)該差360電角。

（5）電勢星形圖表示的是電角度，一圈表示一對磁極的劃分，如果有多對磁極，則同一個位置的兩槽相差360電角。在每一對磁極的劃分中，三相電勢之間都相差120度電角度。

（6）按照慣例，單層繞組使用整距。雙層考慮到諧波而使用短距。因?yàn)閱螌永@組使用整距，所以在一對極域里產(chǎn)生一個線圈組。因?yàn)殡p層繞組使用短距，所以一個級域內(nèi)產(chǎn)生一個線圈組。短距會使得雙層繞組個別線圈無法按照電勢相加原則，使得電勢下降。

（7）在分配單層繞組導(dǎo)體時(shí)，一個槽只有一個導(dǎo)體，將槽分成ABCXYZ六份。在分配雙層繞組時(shí)，一個槽有兩層導(dǎo)體，分配時(shí)只分配上層，與單層一樣，只不過只分成ABC三份，即原來的AX都為A，以此類推。對于下層，排列與上層一樣，但是一個線圈的上下導(dǎo)體之間差一個節(jié)距，將上層的排列整體旋轉(zhuǎn)一個節(jié)距即可。

（8）N—串聯(lián)等效線圈數(shù)。當(dāng)匝數(shù)為n時(shí)，在每條支路上串聯(lián)的線圈數(shù)是匝數(shù)為1時(shí)的線圈數(shù)的n倍。

2 關(guān)于勵磁電流產(chǎn)生的感應(yīng)電勢的疑難問題

（1）此處考慮的是定子側(cè)的空載電勢。

（2）繞組匝數(shù)的意義在于，從繞組的一個進(jìn)口繞入，繞一圈后，從出口繞出，在接著從進(jìn)口繞入，出口繞出，此時(shí)繞入的各匝繞組都是平行關(guān)系。而對于線圈而言，各匝的線圈之間是串聯(lián)疊加的關(guān)系。

3 關(guān)于三相電流通過三相繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的疑難問題

（1）對于單相整距集中繞組而言，線圈產(chǎn)生的磁勢都可以認(rèn)為在兩側(cè)的氣隙上消耗掉了。所以沿氣隙圓周的磁勢均勻分布。將定子內(nèi)圓展開后，將轉(zhuǎn)子一側(cè)作為參考磁勢，在右半圓，定子內(nèi)圓為正。在左半圓，定子內(nèi)圓為負(fù)。于是形成了矩形波磁勢。人們把這種空間位置固定，大小隨時(shí)間變化的磁勢稱為脈動磁勢。

（2）在分析基波磁勢與電角度X的曲線時(shí)。不應(yīng)該把不同時(shí)刻的圖像看成是不同幅值的正弦圖像，而應(yīng)該看成一個在空間上沿著氣隙傳播的波形不斷在空間變化的波。波在空間的每一個位置都存在隨時(shí)間而上下來回的振動。在每一點(diǎn)處都有著一個幅值，每個幅值都是確定的值，為X=0處幅值中的最大值與cosX的乘積。在這個波的各個時(shí)刻的波形圖中，磁勢的最大值總是在X=0處取得。因?yàn)榇藭r(shí)還受到關(guān)于時(shí)間的余弦函數(shù)約束，所以波形呈現(xiàn)出正弦圖像形式。

（3）在用圖解法將單相基波脈振磁勢分解成兩個基波旋轉(zhuǎn)磁勢的時(shí)候，需要先確定一個位置，即把X固定，再研究隨時(shí)間而旋轉(zhuǎn)的兩個轉(zhuǎn)向反向的旋轉(zhuǎn)磁勢。

4 關(guān)于電樞反應(yīng)的疑難問題

（1）電樞反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是定子電流對勵磁磁勢的反作用。

（2）電機(jī)學(xué)有一個重要的推導(dǎo)公式的方法，那就是用一個電路上的電抗的壓降來表示磁路上的磁壓降，電抗便用來表示磁路上的阻礙。這個做法非常抽象，讓人難以理解。在同步電機(jī)中，電樞電流產(chǎn)生的磁通分為兩部分，主磁通和漏磁通，他們都會受到磁壓降，所以它們分別感應(yīng)出的電勢便會分別與一個虛擬出的電抗成比例。在推導(dǎo)中，因?yàn)楦鱾€位置對應(yīng)的磁路不相同，所以選取兩個沿著d軸和q軸的典型磁路加以分析。其他的磁路可以分解成這兩個磁路的疊加。意思是一個普通磁路可以用兩個典型磁路進(jìn)行等效，其電磁效果是相同的。對應(yīng)于兩個等效出的典型磁路，有兩個電樞電抗。同時(shí)，電樞電流也按照d軸和q軸進(jìn)行分解。于是電樞電流和磁路都關(guān)于d軸和q軸分解等效了，等效的磁路都各自對應(yīng)一個電抗。這樣電樞電勢就可以表示出來了。同步電抗是電樞電抗和漏磁電抗的合成。

5 總結(jié)

本文是作者對電機(jī)學(xué)學(xué)習(xí)鉆研許久的成果。由于電機(jī)學(xué)原理太過抽象，推導(dǎo)難以讓人理解，甚至難以讓人信服。筆者寫作此文的目的便是希望電氣學(xué)子能夠受到些許啟發(fā)，有利于他們對電機(jī)學(xué)同步電機(jī)部分的學(xué)習(xí)。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳建華.開關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2]孔彥召，張向龍.基于有限元法的開關(guān)磁阻電機(jī)建模及驗(yàn)證[J].黑龍江電力，2018（05）.

[3]黃蘇丹，曹廣忠，錢清泉，段吉安.平面開關(guān)磁阻電機(jī)非線性力電流轉(zhuǎn)換模型[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2017（02）.