基本构思：虚拟的直流发电机结构特点与磁场转速计算

3.4.1.1 对三相交流异步电动机的回顾

1.异步电动机的旋转原理

在三相交流异步电动机里，当在定子（一次侧）的三相绕组里通入三相交变电流时，它们的合成磁场是旋转磁场，转速是n₁，转子（二次侧）的短路绕组将反方向切割磁力线而产生感应电动势和感应电流，感应电流又和磁场相互作用，产生电磁力F和电磁转矩T_M，使二次侧以转速n_M旋转，旋转方向与磁场旋转方向相同，如图3-25a所示。

2.几个重要的关系式

（1）旋转磁场的转速（同步转速）

n₁=60f₁/p （3-15）

式中 n₁———同步转速，r/min；

f₁———定子电流的频率，Hz；

p———磁极对数。

（2）转差率

s=Δn/n₁=（n₁-n_M）/n₁ （3-16）

式中 s———转差率；

Δn———转差，r/min；

n_M———转子的转速，r/min。

（3）二次电流的频率

f_2S=p·Δn/60=sf₁ （3-17）

式中 f_2S———二次电流的频率，Hz。

图3-25 三相整流子电动机的构思

a）异步电动机 b）一、二次侧换位 c）换位后的运行

3.4.1.2 一次侧和二次侧换位后的异步电动机

1.调节方案的设想

如果能够在二次回路里加入一个可调的附加电动势E_K，则二次电流和电磁转矩，以及电动机转速，也都可以得到调节。条件是，附加电动势E_K的频率也必须和二次电流的频率f_2S相等。

2.双方绕组换位的思考

由于笼型异步电动机的二次绕组是笼条，无法向二次绕组里加入附加电动势，如果将双方的位置交换，将一次侧的三相绕组安置在转子上，三相交变电源通过三个电刷和集电环通入到三相绕组中去，而把二次侧的短路绕组安置在定子上，如图3-25b所示。

在这种情况下，这台电动机将如何运行呢？

当三相交变电流通入转子上的三相绕组时，所产生的旋转磁场，相对于转子的转速是n₁。并且，不管转子本身是否旋转，转速多高，旋转磁场相对于转子的转速永远是n₁。

旋转磁场在空间旋转时，将被定子的短路绕组切割，产生感应电动势和感应电流。通有感应电流的定子绕组，和旋转磁场相互作用，又要产生电磁力F和电磁转矩T_M。但由于定子是不能旋转的，转子便得到了一个方向相反的电磁转矩，使转子旋转起来，旋转的方向和旋转磁场的旋转方向相反，转速为n_M，如图3-25c所示。

一方面，磁场以转速n₁围绕着转子旋转，另一方面，转子本身又以转速n_M反方向旋转，显然，旋转磁场在空间的转速应该是这两个速度之差：

Δn=n₁-n_M （3-18）

3.4.1.3 虚拟的直流发电机

1.直流发电机结构特点(www.xing528.com)

直流发电机的定子是磁极，转子是电枢绕组。当转子由原动机带动旋转时，电枢绕组将切割定子磁场而产生感应电动势。因为电枢绕组是交替地在N极下和S极下切割磁通，所以感应电动势也是交变的。如转子每分钟旋转n转，则电动势交变n次，即交变电动势的频率是：

f=n/60 （3-19）

处在N极下元件的感应电动势的方向和处在S极下元件的感应电动势的方向相反。每一磁极下的一组元件串联成一个支路，如图3-26中之AXB支路和AYB支路。又将两个支路并联起来，由换向器和电刷引出。在电刷A、B间就得到合成的直流电动势，极性为A“+”、B“-”，如图3-26a所示。这时，每条支路内所有元件内的电动势方向都相同，合成电动势最大。

图3-26 直流发电机的磁场旋转

a）正常情况 b）磁极旋转45° c）磁极旋转90°

2.磁场旋转的结果

（1）磁极旋转45°

今将磁极逆时针方向旋转45°。这时，每个磁极下各元件中电动势的方向是不变的。由于电刷位置不变，故每条支路内串联的元件也不变。如图3-26b所示，这时，每条支路内，都有部分电动势的方向是相反的，A、B间的合成电动势就减小了。

（2）磁极旋转90°

今将磁极逆时针方向再旋转45°，每个磁极下各元件中电动势的方向仍不变。因电刷位置不变，每条支路内的感应电动势的方向正好互相抵消，A、B间的合成电动势等于0，如图3-26c所示。

（3）磁极低速旋转

如果定子磁极以很低的转速旋转，则电刷A、B间的感应电动势将是频率很低的交变电动势，如图3-27所示。

图3-27 磁极缓慢旋转的直流发电机

如果磁极的转速正好等于转差Δn，则电刷A、B间感应电动势的频率是：

f_X=p·Δn/60=sf_2S （3-20）

这里，我们得到了一个很有意思的结论：电枢绕组经整流子换向后，在电刷间得到的合成电动势取决于磁极相对于电刷的旋转速度：磁极静止时，电刷间得到的是直流电；磁极缓慢地旋转时，电刷间得到的是频率很低的交流电。并且，电刷A、B间得到的感应电动势的频率正好和定子绕组里的电动势频率相同。

3.改变电刷A、B的相对位置

现在，让磁极不动，而使电刷A、B在整流子上移动，看看其结果。

（1）电刷相向移动45°

这时，在AXB支路内的元件数减少了，但各元件里的电动势方向都相同，和电刷未移动前相比，合成电动势减少了；AYB支路内的元件数虽多，但有部分元件的电动势方向是相反而互相抵消的，合成电动势和AXB支路的相同，两电刷的极性分别是A“+”、B“-”，如图3-28a所示。

图3-28 磁极不动而改变电刷位置

a）相向移动 b）两电刷重合 c）再移动45°

（2）电刷再相向移动45°

这时，电刷A、B重合，两条支路也重合，都包含了所有元件，但两条支路中，所有元件的电动势都是互相抵消的，故合成电动势为0，如图3-28b所示。

（3）电刷再相向移动45°

这时的状态和图3-28a所示的状态相同，但电刷的极性反了，变成了A“-”、B“+”了，如图3-28c所示。

于是我们看到，如果两个电刷的相互位置能够在整流子上移动的话，两电刷间的合成电动势就可以平滑地进行调节了。