同步电机电枢反应

同步电机电枢反应

磁场分析

一．课题内容

通过电磁场仿真计算明确同步电机电枢反应概念，仿真，分析和理解在同步电机定子电流为交轴，直轴去磁，直轴助磁情况下电机磁场的

分布情况，并重点分析气隙磁场的分布波形以及电枢反应对磁场大小的影响，总结电机电枢反应的规律。

二．课题背景

在同步电机中，电枢反应既是学习的难点也是重点。当同步电机作为发电机运行时，在空载时只有励磁绕组通有电流，主极磁场为直轴磁场，对称分布。若带三相对称负载，电枢绕组中通过三相对称电流时，会产生相应的电枢磁场。气隙内的磁场由电枢磁场和主极磁场合成。电枢反应的性质取决于电枢磁场和主磁场在空间的相对位置，其变化情况较为复杂，因此，利用仿真软件对同步电机的电枢反应进行分析，有利于加深对电枢反应的理解，并熟练掌握不同的情况下电机内磁场的分布规律。

三．探究方式

利用Maxwell 电磁场数值计算软件，建立两极同步电机的二维模型。通过改变定转子绕组电流，利用软件自带的作图系统，分布绘制电枢磁场分布，气隙磁场分布等图，对比分析得出同步电机磁场分布以及电枢反应影响的规律。 探究步骤

1单独给转子绕组通电流进行电磁场计算，画出空载时磁力线分布图和气隙磁场的磁密分布波形；

2单独定子绕组通交轴电流，画出电枢磁场的分布。同时给转子绕组通电流，观察交轴电枢反应时磁场的扭斜情况，画出磁力线分布图和气隙磁密的分布波形；

3单独定子绕组通去磁直轴电流，画出电枢磁场的分布。同时给转子通电流，画出磁场的分布，观察直轴电枢反应时磁场是否减小，画出磁力线分布图和气隙磁密的分布波形；

4单独定子绕组通助磁直轴电流，画出电枢磁场的分布。同时给转子绕组电流，画出电枢磁场的分布，观察直轴电枢反应时磁场的变化，画出磁力线分布图和气隙磁密的分布波形；

5比较上述几种情况下的磁力线分布和气隙磁密分布波形，对照电枢电流情况总结同步电机电枢反应规律。

6根据上述结果，分析当发电机负载为阻感性负载时，电枢反应情况. 并自己设定电枢电流数值，计算此种情况下的气隙合成磁场分布，画出磁力线图，气隙磁密分布图，比较计算结果与理论分析结果是否相符。

四．仿真结果

交轴电流，去磁直轴电流，助磁直轴电流三种情况下，在所建模型中每相电流的数值如下：（取转子电流1000A 定子最大200A ）

1. 单独给转子绕组通电流 空载时磁力线分布图如下

空载时气隙磁密分布波形如下：

2. 交轴电流

仅通交轴电流时，电枢磁场分布如下：

给予转子绕组电流后，磁力线分布如下：

气息磁场磁密分布：

3. 去磁直轴

单独通去磁直轴电流时，电枢磁场分布如下：

通入转子电流之后，磁通分布如下：

磁力线分布图如下：

气隙磁密波形图如下

4. 助磁直流

单独通助磁直流电流，电枢磁场分布如下

通入电枢电流之后，电枢磁场如下

磁力线分布如下：

气隙磁密波形图如下：

5. 阻感性负载

。

I A =200⨯cos 75=52A 设定三相电流分别为：。

I B =220⨯cos(-45) =155. 5A

I C =220⨯cos(-165) =-212A

用Maxwell 作图，得出电枢反应前后的电枢磁场如下：

磁场磁力线分布图如下：

气息磁场分布波形如下：

五．结果分析

1. 定子通交轴电流，直轴助磁电流，直轴去磁电流对比：

（1）合成磁场：通入交轴电流时，合成磁场B net 相对于仅通转子电流时有一定的偏移，而直轴助磁与直轴去磁合成磁场方向均没有变化。如上图也可以看出，定子磁场最大值如下表。

由以上可以看出，定子通入交轴电流时，合成磁场大小基本上不变；通入直流助磁时，合成磁场变大；通入直流去磁时，合成磁场变大。 原因分析：作出三种情况下的磁场示意图如下。

B

net B R B net B R

B R B net B S B S B S

交轴电流 直流助磁电流 直轴去磁电流 如上图中，当定子中通入交轴电流时，定子磁场的方向与转子磁场成90度角；当定子中通入直轴助磁电流时，合成磁场大小相对于转子磁场有所增大，但是方向没有变化；当定子通入直流去磁电流时，合成磁场大小相对于转子磁场略有减小，但是方向保持不变。

（2）气隙磁密分布：观察以上各个气隙磁密分布图可以看出，与空载时气隙磁密分布相对比，当定子通入交轴电流时，波峰值基本上保持不变；当定子通入直流助磁电流时，波峰值变大；当定子中通入直流去磁电流时，波峰值下降。整体上，波形基本保持不变。

（3）电枢反应规律：电枢磁势的存在，将使气隙磁场的大小和位置

发生变化，我们把这一现象称为电枢反应。由于电枢反应的影响，电机内部的合成磁场以及气隙磁密都会受到影响。当定子磁场跟转子磁

o θθ=±90场成夹角为，若时，电流为交轴电流，合成磁场相对于

原来的转子磁场方向有所偏移但是大小基本上保持不变，同时气隙磁场基本上保持不变。当θ=0时，定子电流为直轴助磁，合成磁场相对方向保持不变但是大小变大，与此同时气隙磁场也变大。当

o θ=180时，定子电流为直轴去磁，合成磁场相对方向保持不变但o 是大小变小，与此同时气隙磁场变小。当90o 〈θ〈180o ，定子磁场与转子磁场形成的合成磁场也相对有所偏移，大小相对于转子磁场会有明显的变小，气隙磁场也相对变小。

2. 电机加阻感性负载时

。I A =200⨯cos 75=52A 设定三相电流分别为：

。I B =220⨯cos(-45) =155. 5A

I C =220⨯cos(-165) =-212A

合成磁场B net 的方向应该为斜向右偏离一定角度，大小变小，因此磁力线分布图应该是以上各个情况的图形顺时针旋转一定角度之后图形，同时，气隙磁密的波形峰值变小。

分析:当同步电机接阻感性负载时，定子电流滞后于电压一定角度，定子磁场与转子磁场成90-180之间的夹角。根据本次仿真的电流取值，合成磁场的方向应该向又偏离一定角度。同时，由下图可以看出

来，合成磁场的大小相对于转子磁场变小，与仿真结果一致。

B n e t

六．心得体会

通过本次maxwell 仿真过程，主要有以下两方面的收获：对软件的使用以及对同步电机电枢反应的理解。

首先，本次同步电机的仿真过程，与以往进行电磁场仿真有较大的不同，由于上学期有电磁场仿真的基础，软件仿真的过程没有出现大的问题，但是同步电机的仿真过程需要更为细化的操作以及对软件更为深刻的理解。在设定边界条件，以及最终作气隙磁密波形图时，也学习到了新的操作技巧。通过本次电磁场仿真，也进一步熟悉了maxwell 软件的使用。

其次是对同步电机的理解，在设定各种情况下定子三相电流数值时，需要考虑定子形成磁场的方向，同时需要考虑三相电流的相序，这就需要对着两方面的知识有较为深入的了解，于是，在设定这些数值的时候，我又将这些知识重新学习了一次，也就在学习与计算的过程中，对同步电机的电枢反应有了完全不同层次的理解。在看到仿真结果之后，特别是在与分析结果对比之后，更是对自己的分析有了实实在在的认识。

从此次研究性学习的过程中，既对软件有了更深层次的理解，也

对课本知识有了更为深入的认识，同时也学会了运用maxwell 软件对电机知识中的难点与重点进行形象化的理解，相信对以后的学习会有相当大的帮助。