三相旋转磁场：产生与特点

1.旋转磁场的产生

图7.2.1表示最简单的三相定子绕组。它们在空间按互差120°的规律对称排列，可接成星形，即3个末端U2、V2、W2连在一起，3个首端U1、V1、W1与三相电源U、V、W 相连（从图7.2.1可知，此时U、V、W 三相电源是按顺序顺时针接入三相定子绕组的），于是三相定子绕组便通过三相对称电流：

图7.2.1　简化的三相定子绕组

其波形如图7.2.2所示，下面选几个不同时刻来分析三相对称电流在定子绕组中是怎样产生旋转磁场的。

假定电流从每相绕组的首端（即U1、V1、W1）流入，而从每相绕组的末端（即U2、V2、W2）流出时为正；电流从末端流进，首端流出时为负。则在不同时刻三相对称电流产生的磁场如图7.2.2所示。

图7.2.2　三相合成旋转磁场及合成磁势相量图

（a）ωt=90°；（b）ωt=90°+120°；（c）ωt=210°+120°；（d）ωt=330°+120°

当ωt=90°时iu=im，此时电流从U1流入（⊕），U2流出（⊙）；，都是负的，所以电流分别从V2、W2流入，V1、W1流出，如图7.2.2（a）所示。此时刻三相电流所产生的磁场可用右手螺旋定则确定，磁场的方向是从定子内壁右边出来，左边进去，即定子的右边是N极，左边是S极。

当ωt=210°时，电流随时间变化了120°电角度，即1/3周期。这时iv为正，电流从V1端流入，V2端流出；iu和iw都为负，电流分别由U2、W2端流入，U1、W1端流出。因而从图7.2.2（b）可以看出，这时的磁场方向较ωt=90°时在空间顺时针旋转了120°。

同理，可以确定ωt=330°和ωt=450°时的磁场方向［已标在图7.2.2（c）、（d）中］。由图可知，当正弦电流变化了360°电角度（即一个周期）时，磁场在空间上也正好旋转了360°（即一空间周）。

由此可知，当通入定子三相绕组的三相电流随时间变化时，在定子铁心中产生的磁场会沿着某一方向旋转，故称这种磁场为旋转磁场。

2.旋转磁场的主要特点

（1）三相合成磁势在任何时刻保持着恒定的振幅，它是单相脉动磁势振幅的倍。

由图7.2.2（a）看出，每相绕组电流产生的磁势方向，可根据右手螺旋定则确定，磁势轴线总是与绕组轴线相重合，并且每相绕组磁势的大小与绕组电流成正比，所以每相绕组瞬时磁势的大小分别为

三相绕组合成磁势，按照图7.2.2（a），用相量图解法求得

式中，Fm 为每相绕组磁势的最大值。(www.xing528.com)

当ωt=210°时，如图7.2.2（b）所示，此时每相绕组电流产生的磁势为

合成磁势为

同理可得，当ωt=330°时，W 相电流为正的最大值，，把3个磁势相量相加得到合成磁势的幅值也为。由于合成磁势相量顶点的轨迹为一个圆，故有圆形旋转磁场之称。

（2）当某相电流达到最大值时，合成磁势的幅值就与该相绕组的轴线重合。

由图7.2.2（a）看出，每相绕组电流产生的磁势方向，可根据右手螺旋定则确定，同样三相绕组中电流产生的合成磁势方向也可根据三相绕组所有导体的电流方向，用右手螺旋定则确定。由于该时刻U相电流达到最大值，三相绕组的合成磁势幅值恰好与U相绕组的轴线重合。依此类推，当V相电流达到最大值时，合成磁势的幅值恰好与V相绕组的轴线重合，如图7.2.2（b）所示，当W 相电流达到最大值时，合成磁势的幅值恰好与W 相绕组的轴线重合，如图7.2.2（c）所示。

（3）合成磁势的旋转方向，取决于三相电流的相序。

如上所述，合成磁势的轴线是和电流为最大值的那相绕组的轴线相重合，故合成磁势的旋转方向，与三相电源接入定子绕组的电流相序有关。不难看出，如图7.2.2所示的磁场是顺时针方向旋转的，此方向恰与三相电源接入定子绕组的相序即U-V-W 的顺序一致。如果把接到电源定子绕组的3根引出线任意调换两根，例如将V、W 两根对调，如图7.2.3所示，则可证明此时的磁场将随电流变化沿逆时针方向旋转。利用这一方法可很方便地改变三相异步电动机的转动方向。

（4）合成磁势的旋转速度，仅取决于定子电流的频率和电动机的极对数。

按上述条件产生的旋转磁场只有N和S两个磁极，即一对磁极。只有两个磁极的电动机称为二极电动机。对于二极电动机来说，当三相电流变化一个周期时，旋转磁场也按电流的相序方向在空间旋转一周，所以每分钟的转速是60f1r/min，即

式中，ns为同步转速，单位为r/min；f1为电网频率，单位为Hz，我国电网频率为50Hz。

在实际应用中常要用多对磁极的异步电动机。多对磁极是由定子绕组采用一定的结构和接法而构成的，很容易证明，如果是四极（两对极）电动机，如图7.2.4所示，当三相电流变化一周时（360°电角度），旋转磁场在空间只转半圈（空间角度180°）。同理，对于p对磁极的异步电动机，当三相电流变化一周时，其旋转磁场在空间只转。可见，当电源频率为f1时，具有p对磁极的旋转磁场每分钟的转速为：

图7.2.3　合成磁势的旋转方向

对于工作频率为50Hz的异步电动机，不同的磁极对数p对应的同步转速列于表7.2.1中。

图7.2.4　4极（两对极）电动机

表7.2.1　磁极对数p与同步转速的关系