第一节：交流电机概术

    交流异步电机是交流旋转电机的一种，另一种为交流同步电机。

    按电机转子结构形式的不同，交流异步电机分为鼠笼式、绕线式和整流子式。交流同步电机分为凸极式和隐极式。    

    交流异步电机既可作为电动机使用也可作为发电机和电磁制动器使用。与同步电机不同，交流异步电机的定子磁场旋转速度与转子旋转的速度不同。

    当电动机运行时，电机转子旋转速度小于定子旋转磁场的速度，即术语转差率为正；

    当发电机运行时则相反，转子旋转速度大于定子磁场旋转速度，即转差率为负；

    当制动机运行时，转子旋转方向与定子磁场旋转方向相反，即转差率大于1。

    当异步电机定子旋转磁场的速度与转子旋转速度相等时，即转差率为0时，由于转子感应不出电势将不产生力矩，也就不产生功率。

    正因为这种电机在有功率产生时定子旋转磁场速度与转子旋转速度始终不一，故称其为异步电机。

第二节：交流电机的基本原理

一、同步电机的基本工作原理

    以发电机为例来说明。交流电机和直流电机相同，也由定子和转子两部分组成，定、转子之间由气隙。如图所示］

定子上有A、B、C三相绕组（绝大多数交流电机为三相，故我们的讲座均以定子为三相且相间在空间上彼此相差120°电角度来说）,每相绕组的匝数认为相同。转子磁极上装有通入直流电的励磁绕组，通电的励磁绕组产生磁通（根据电流流向不同，产生N极、S极）。在电机中，磁通从转子N极流出，经过气隙、定子铁芯、气隙，进入转子S极而构成闭合回路。当用原动机拖动发电机的转子恒速旋转时，根据电磁感应原理，旋转的磁力线将切割定子绕组中的导体，从而在定子导体中就会感应出交变电势（交变是因为磁力线是由N最大→0→S最大→0→N最大交变），故感应的电势也就随着磁力线的强弱而出现高低变化。设磁极磁场的气隙磁密沿圆周按正弦规律分布，则导体感应的电势也就随着时间按正弦规律变化，即：

    感应电势      e＝B_a·l·v=B_m·l·v·Sinωt=E_m·Sinωt

    式中：  E_m=B_m·l·v  是导体电势的最大值；

            B_a            为导体所在处的磁密；

            B_m           为正弦波磁密的最大值；

            l         为被磁力线切割的导体长度；

            v         为磁力线切割导体的线速度，即转子旋转速度；

            ω=2πf   为感应的电势的交变角频率，其中：f为感应的电势频率(单位Hz)，f＝p·n/60。p：转子磁极对数；n：转子旋转速度 r/min。  

前面所述，三相电机三相绕组在空间互差120°，则在磁力线切割时，三相绕组中感应的电势其幅值E_m，角频率ω均相等，只是在初始时间相位上，顺差120°。前面的图感应电势的顺序为A、B、C。

    设A相初始相位角为0，则三相电势表达式为：

      E_A＝E_mSinωt

      E_B＝E_mSin(ωt-120°)

      E_C＝E_mSin(ωt-240°)

将三相电势画在同一图上，见图。

从电势图看，任何一个瞬间，三相电势叠加值为0，现我们分析计算式：

E_A+E_B+E_C=E_mSinωt+E_m(SinωtCos120°－CosωtSin120°)+E_m(SinωtCos240°－Cosωt Sin240°)

        =E_mSinωt+E_m(-1/2*Sinωt－ /2*Cosωt )+E_m(-1/2* Sinωt+ /2* Cosωt )

        ＝0

     所以，当三相电机采用Y型（或称星型）连接时从中心点引出的中心线上电位为0，中心线上没有电流流过。


二、异步电机的基本工作原理
    异步电机定子与同步电机一样，在圆周均布嵌放定子绕组，但转子结构不同。同步电机转子必须通电，且是直流电，异步电机就不同。
    在鼠笼式异步电机中，转子槽内有导体，导体两端用短路环连接起来，形成一个闭合的绕组。这种转子无需（也无法）通入电流，转子中的电流是靠定子感应到转子上的电势，在闭合的导体回路中形成的。       在工程中，鼠笼式转子的闭合回路有两种形式，一种是传统的，也是一般民用电机所常用的，槽内导体与两端端环用铝铸为一体，由于铝的导电率低，而且耐热能力也差，所以不适用于要求结构紧凑，转子电流大的场合；另一种是槽内导体和两端端环均为铜或铜合金，两者之间用焊接方式将他们连在一起。
    在绕线式异步电机中，转子绕组与定子绕组相似，也是嵌线式的。嵌线后联成三相，再根据需要联成Y或△。绕线式转子中通入的电流为三相交流电。
    当定子绕组加上对称的三相交流电后，定子三相绕组中就有对称的三相电流通过，它们联合产生一个定子旋转磁场（如图所示）

这个旋转磁场将以与输入的电源频率成正比的速度n₁（称为同步转速）旋转，则它的磁力线切割转子导体而感应电势（左右手法则）。在该电势的作用下，转子导体内便有电流通过，电流的有功分量与电势同相位。于是，由电磁力定律可知，转子导体与旋转磁场相互作用使转子导体受到电磁力f，在该电磁力的作用下，电动机转子就转动起来，其转向与旋转磁场的方向相同。这时，如果在转子轴上加上机械负载，电动机就拖动机械负载旋转，输出机械功率。也就是说，电动机把电能转变成了机械能。
    换向器式电机是绕线式转子的特殊型式。它的转子也需要嵌线，嵌完线后联在换向器上。这是一种特殊用途的异步电动机。我们在此不作分析。

第三节：交流电机绕组及电势形成

   不论直流电机还是交流电机，在交流电机中不论是同步电机还是异步电机都需要有绕组。电机绕组是电能转换成机械能的电动机和机械能转换成电能的发电机的核心元件。

    本节我们讲交流电机的绕组及电势形成

对交流绕组要求：
1、在有限导体数下，获得较大的基波电势。
    基波：感应电势波的频率与电源波的频率相等的波。

由于定转子均有槽，制造过程中电机气隙也不可能完全相等，所以在感应的电势中，获得的波形不只有与电源频率相等的电势波，还有比此频率较高次的波，但由于这些高次谐波不产生有用的转矩（或功率），只会产生脉振转矩和使电机发热等有害作用，故应抑制这些波。
2、三相绕组的基波应对称，并且阻抗要求相等。
    如上所述，只有基波能产生有用的转矩（或功率），所以要求对基波对称才能产生对称、稳定的转矩（或功率）。

3、电势和磁势波形力求接近正弦。
    如上所述，其他波不产生有用转矩。
4、用铜量少，绝缘性能和机械强度可靠。
    用铜少有利于降低成本，性能可靠是使用的必然要求。交流电机的绕组形式很多，最主要的是双层、每极每相整数槽、短距叠绕组。
    双层：一个铁芯槽中有上下二层。二层线圈不属于同一绕组。
    每极每相槽数：将一台电枢的槽数分成每极下的槽数，再分成每相下的槽数，
    表达式为：q＝Z₁/（2·P·m）
            q：每极每相槽数
                Z₁：定子槽数
                P：电机极对数，2P为极数。

                m：绕组相数
    因为每极每相槽数在电机设计中是一个很重要的参数，所以此数比较关键。希望此数为整数，不但使设计方便，对嵌线也很有利。
    短距：根据绕组嵌放在定子铁芯槽内的位置，分为长距、整距和短距。将两个槽内的绕组产生感应电势幅值相同，电位角差180°（即正好反向）的两槽称为整距；绕组上下层间槽距差小于整距的称为短距绕组；大于整距槽数的称为长距。由于在有多个绕组串联的情况下，整距存在一定问题。长距与短距作用相同，但长距用铜量大，故一般电机用短距。
   叠绕组：绕组的一种形式。这种绕组制造和存放比较方便，通常采用。对于双层绕组还有波绕组，对于单层有等元件式绕组、交叉式绕组和同心式绕组等等。

 绕组电势的产生：
    在发电机中，当磁场旋转切割定子绕组时，就在各定子绕组中感应出电势。将各电势用矢量表示（矢量：既有幅值又带有方向性的一个量）画成槽电势星形图如下。（下图为36槽，2对极电机）