專利名稱：交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的單向移動(dòng)矢量模式的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明建立單向移動(dòng)矢量模式，用于描述交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子繞組產(chǎn)生的脈振磁
場的基波分量在氣隙圓周上形成的旋轉(zhuǎn)磁場的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，屬于電機(jī)理論范疇。
背景技術(shù)：
現(xiàn)行電機(jī)理論使用相量分析交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子繞組產(chǎn)生的脈振磁場形成旋轉(zhuǎn) 磁場的過程將單相繞組在氣隙圓周上產(chǎn)生的基波脈振磁場等效分解為兩個(gè)幅度恒定、轉(zhuǎn) 速恒定的反向旋轉(zhuǎn)磁場(正向旋轉(zhuǎn)磁場和反向旋轉(zhuǎn)磁場)的疊加，該理論被稱為雙向旋轉(zhuǎn) 磁場理論[1]。對于單極對交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，在磁場分布對稱的狀態(tài)下，反向旋轉(zhuǎn)磁場為零， 正向旋轉(zhuǎn)磁場形成一個(gè)圓形軌跡；在磁場分布不對稱的狀態(tài)下，正向旋轉(zhuǎn)磁場和反向旋轉(zhuǎn) 磁場合成為一個(gè)橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場。在現(xiàn)行電機(jī)理論中，雙向旋轉(zhuǎn)磁場理論是分析交流感應(yīng) 電動(dòng)機(jī)工作原理的理論基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容
1雙向旋轉(zhuǎn)磁場理論問題的解釋
1. 1雙向旋轉(zhuǎn)磁場理論 對于單相交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，定子繞組產(chǎn)生脈振磁場，脈振磁場垂直穿過氣隙圓周， 在氣隙圓周上形成了呈矩形分布的脈振磁場分布；利用數(shù)學(xué)上的傅立葉變換，將這個(gè)矩形 脈振磁場分布分解為1、3、5…等奇次諧波分量的疊加，磁場的主要成分是基波分量，因此主 要分析基波脈振磁場形成的旋轉(zhuǎn)磁場。沿氣隙圓周分布的脈振磁場的基波分量表達(dá)式為
<formula>formula see original document page 6</formula>
f (a ， t)以磁動(dòng)勢表示基波脈振磁場在氣隙上的位于a位置的磁場隨時(shí)間變化 的脈振運(yùn)動(dòng)規(guī)律。f (a ， t)表示的是定點(diǎn)脈振磁場而不是旋轉(zhuǎn)磁場，在整個(gè)氣隙圓周上 f(a，t)形成一個(gè)脈振磁場分布。其中，a以極坐標(biāo)下的角度表示在氣隙圓周上的空間位 置，a =
將公式(1)變換為<formula>formula see original document page 6</formula> 其中<formula>formula see original document page 6</formula>
公式(2)說明，公式(1)表達(dá)的脈振磁場分布f (a ， t)可以由兩個(gè)沿氣隙圓周恒 幅恒速反向移動(dòng)的余弦波線f+(a ， t)和f—(a ， t)疊加而成。由公式(2)得出一個(gè)推論 一個(gè)在空間上按余弦規(guī)律分布，振幅隨時(shí)間按余弦變化的脈振磁動(dòng)勢，可以分解成兩個(gè)轉(zhuǎn) 速相同、轉(zhuǎn)向相反的圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢，每一個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢的幅值為原有脈振磁動(dòng)勢振幅的一半，這就是雙向旋轉(zhuǎn)磁場理論。根據(jù)這個(gè)理論，一個(gè)脈振磁場分布可以分解成兩個(gè)反
向旋轉(zhuǎn)的磁場波線，每一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生自己的電磁效應(yīng)。 1. 2雙向旋轉(zhuǎn)磁場理論不滿足磁場矢量疊加原理的解釋 基于物理學(xué)和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識，發(fā)現(xiàn)雙向旋轉(zhuǎn)磁場理論存在如下問題 1)磁場應(yīng)以矢量[2]而不能用相量[3]表達(dá)，使用相量分析脈振磁場形成旋轉(zhuǎn)磁場
的過程不可行。磁場是一個(gè)有大小和方向的物理量，磁場的作用(即電磁效應(yīng))與物理空間
位置有關(guān)；在不同物理位置，對應(yīng)著不同的感應(yīng)體，產(chǎn)生不同的電磁效應(yīng)，即便它們在數(shù)值
上相等，也代表不同的物理作用。相量表示的是弦波量(如電流)的幅度與相位之間關(guān)系，
相位與物理空間位置是兩個(gè)不同的物理量，不能將代表物理空間位置的極坐標(biāo)角度看作相
位，也就不能用相量表示矢量。 2)沿氣隙圓周分布的脈振磁場的基波分量矢量表達(dá)式為
/(a,0 = ^cosacosw/F (5) /(",0表示氣隙上a位置徑向脈振矢量的隨時(shí)將變化的規(guī)律，F(xiàn)表示徑向單位矢 按照雙向旋轉(zhuǎn)磁場理論，將氣隙上某個(gè)位置(如a。位置)的脈振矢量分解為兩 個(gè)反向恒幅恒速移動(dòng)矢量，即 /( 。,0 = /+("。,,) + /—K力 (6)
其中 /(a。李^cos《 (7)
/—("。，,) = *FcosaF— (8) &表示正向旋轉(zhuǎn)矢量的徑向單位矢量^_表示反向旋轉(zhuǎn)矢量的徑向單位矢量，兩者
盡管單位相同，但徑向方向不一致，在氣隙上表示不同的物理空間位置。 /+( 。力表示起始位置為a 。的正向旋轉(zhuǎn)磁場矢量，義("。,0表示起始位置為a 。的 反向旋轉(zhuǎn)磁場矢量，兩者的幅度都為+Fcosa ，旋轉(zhuǎn)角速度為"一 公式(6)在數(shù)學(xué)上是成立的，但將原始矢量/(a。,f)和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)矢量A(a。力及 /_( 。,0放到氣隙圓周上(見圖1)，就會發(fā)現(xiàn)原始矢量/( 。,0是個(gè)始終保持在氣隙上a 。位 置的脈振矢量，它的作用是在a。位置產(chǎn)生電磁效應(yīng)；而兩個(gè)旋轉(zhuǎn)矢量/+( 。,0及/—("。力卻 要沿氣隙圓周移動(dòng)，不能始終與原始矢量/("。力保持在同一位置a。，即不能始終在a。位 置產(chǎn)生電磁效應(yīng)，而是沿著氣隙圓周移動(dòng)作用于不同空間位置。 通過上述分析得知雙向旋轉(zhuǎn)磁場理論是個(gè)數(shù)學(xué)上等值而物理上不等效的矢量分 解，它不符合物理學(xué)上磁場矢量疊加原理[4]使用的條件，即矢量分量必須在同一時(shí)刻與原 始矢量保持在同一位置。 3)旋轉(zhuǎn)磁場不是由單個(gè)矢量在中心位置上旋轉(zhuǎn)而形成的，而是由分布在氣隙圓 周上的磁場矢量沿氣隙圓周單向同步移動(dòng)所形成的。使用相量分析，將在氣隙圓周上分布 的脈振磁場移動(dòng)到中心位置，磁場將不再呈分布狀態(tài)而會在中心位置合成為一個(gè)矢量。按 照電機(jī)理論教科書上的方法，這個(gè)單一脈振磁場矢量將分解為兩個(gè)反向恒幅恒速旋轉(zhuǎn)矢量 (見圖2)，即<formula>formula see original document page 8</formula> 這種移動(dòng)導(dǎo)致不能真實(shí)地反應(yīng)磁場的實(shí)際物理位置，不能代表在氣隙上分布的磁 場的電磁效應(yīng)。 2交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的單向移動(dòng)矢量模式 通過分析交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的形成原理，建立了單向移動(dòng)矢量模式，描述 交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的運(yùn)動(dòng)規(guī)律交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子繞組是固定的線圈，只能產(chǎn)生 脈振磁場。脈振磁場沿氣隙圓周分布，其幅度連線隨時(shí)間變化形成了單向旋轉(zhuǎn)波線；根據(jù)單 向移動(dòng)矢量模式，單向旋轉(zhuǎn)波線可由沿氣隙圓周單向同步移動(dòng)的矢量分布形成；在磁場分 布不對稱狀態(tài)下，旋轉(zhuǎn)矢量以變幅變速方式沿氣隙圓周移動(dòng)；在磁場分布對稱狀態(tài)下，旋轉(zhuǎn) 矢量以恒幅恒速方式沿氣隙圓周移動(dòng)。
以磁動(dòng)勢表示磁場。對于單極對交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，氣隙上的基波脈振磁場可表達(dá) 為兩相垂直繞組產(chǎn)生的基波脈振磁場沿氣隙圓周的疊加[5]:
f(a，t) = FHcos a cos co et+Fvsin a sin co et (11) f (a ，t)表示在a位置上基波徑向脈振磁場矢量隨時(shí)間t的變化規(guī)律。其中，a 以角度表示徑向脈振磁場矢量在氣隙圓周上的位置，a =
F(a。,/)=巧COS"。F (12) 公式(12)就是單極對交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)基波脈振磁場形成的旋轉(zhuǎn)磁場的單向移動(dòng) 矢量表達(dá)式，,("。,0表示起始位置為a 。的旋轉(zhuǎn)矢量沿氣隙圓周的移動(dòng)規(guī)律。其中，f表示徑 向單位矢量；a。表示移動(dòng)矢量的起始位置，由于a。=
本發(fā)明建立的描述交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場運(yùn)動(dòng)規(guī)律的單向移動(dòng)矢量模式，適用 于描述單極對和多極對交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)脈振磁場的基波分量形成的旋轉(zhuǎn)磁場。


圖i雙向旋轉(zhuǎn)磁場理論的圖示/("。，0 = /+("。力+/—K，o 圖2將氣隙上的磁場分布移動(dòng)到中心位置后雙向旋轉(zhuǎn)磁場理論的圖示戶=,+ + ，_
圖1顯示了雙向旋轉(zhuǎn)磁場理論，其中黑實(shí)線描繪的閉合曲線表示公式(1)表達(dá)的 沿氣隙圓周分布的脈振磁場的基波分量形成的脈振磁場波線；灰色的短點(diǎn)線描繪的閉合 曲線表示公式(2)中的正向旋轉(zhuǎn)波線f+(a， t)，灰色的短劃線描繪的閉合曲線表示公式 (2)中的反向旋轉(zhuǎn)波線f—(a， t);黑色的實(shí)線矢量表示在氣隙上a。位置的脈振磁場矢量 /("。力，灰色的短點(diǎn)線矢量表示起始位置為a 。的正向旋轉(zhuǎn)矢量叉("。,0 ，灰色的短劃線矢量表示起始位置為a 。的反向旋轉(zhuǎn)矢量叉(a。力，"e表示脈振和旋轉(zhuǎn)的角速度。從圖1中很容
易看出兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)矢量/+( 。力和/-("。力不能始終與脈振矢量/( 。力保持在同一位置，不
滿足物理上的磁場矢量疊加原理的使用條件，因而雙向旋轉(zhuǎn)磁場理論在物理上不可行。 圖2顯示了使用相量分析導(dǎo)致磁場分布化為一個(gè)在中心位置的單一矢量f ，將這
個(gè)單一脈振磁場矢量分解為兩個(gè)反向恒幅恒速旋轉(zhuǎn)矢量S和f 。在這種情況下，# = & + A
盡管滿足物理上的磁場矢量疊加原理，但由于這種移動(dòng)導(dǎo)致不能真實(shí)地反應(yīng)磁場的實(shí)際物
理作用位置，不能代表在氣隙上分布的磁場的電磁效應(yīng)。 圖3單極對交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場運(yùn)動(dòng)規(guī)律 圖42極對交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場運(yùn)動(dòng)規(guī)律 圖3顯示了單極對交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)工作在磁場分布不對稱狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)磁場的運(yùn) 動(dòng)規(guī)律。其中黑實(shí)線描繪的閉合曲線表示公式(12)單向移動(dòng)矢量分布形成的旋轉(zhuǎn)波線在 某一時(shí)刻的波形；兩個(gè)帶箭頭的黑實(shí)線分別表示起始位置a 。 = 0和a 。 = 60的移動(dòng)矢量 在某一時(shí)刻的位置與大??；兩條灰點(diǎn)線閉合曲線表示這兩個(gè)旋轉(zhuǎn)矢量端點(diǎn)沿氣隙圓周移動(dòng) 一周形成的橢圓形軌跡；灰實(shí)線表示氣隙圓周，其半徑為R ;0表示氣隙圓周中心位置。
圖4顯示了 2極對交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)工作在磁場分布不對稱狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)磁場的運(yùn)動(dòng) 規(guī)律。其中黑實(shí)線描繪的閉合曲線表示公式(15)單向移動(dòng)矢量分布形成的旋轉(zhuǎn)波線在某 一時(shí)刻的波形；兩個(gè)帶箭頭的黑實(shí)線分別表示起始位置a 。 = 0和a 。 = 30的移動(dòng)矢量在 某一時(shí)刻的位置與大??；兩條灰點(diǎn)線閉合曲線表示這兩個(gè)旋轉(zhuǎn)矢量端點(diǎn)沿氣隙圓周移動(dòng)一 周形成的軌跡，就是在氣隙一周空間擠壓著兩個(gè)橢圓形軌跡；灰實(shí)線表示氣隙圓周，其半徑 為R ;0表示氣隙圓周中心位置。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)現(xiàn)行的電機(jī)理論，當(dāng)交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)工作在磁場分布不對稱狀態(tài)下時(shí)，依據(jù) 雙向旋轉(zhuǎn)磁場理論，脈振磁場將化成兩個(gè)反向恒幅恒速的旋轉(zhuǎn)磁場，正向旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生一 個(gè)恒定的正向旋轉(zhuǎn)力矩，反向旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生一個(gè)恒定的反向旋轉(zhuǎn)力矩；作用在同一個(gè)轉(zhuǎn)子 上的兩個(gè)恒定的反向旋轉(zhuǎn)力矩將合成為一個(gè)單向的恒定的旋轉(zhuǎn)力矩；在恒定的旋轉(zhuǎn)力矩作
用下，交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)該勻速旋轉(zhuǎn)。事實(shí)上，在磁場分布不對稱狀態(tài)下，交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī) 發(fā)生抖動(dòng)、過熱等問題。 本發(fā)明建立的描述交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場運(yùn)動(dòng)規(guī)律的單向移動(dòng)矢量模式，糾正 了電機(jī)理論中雙向旋轉(zhuǎn)磁場理論不滿足物理學(xué)中磁場矢量疊加原理的問題，說明交流感應(yīng) 電動(dòng)機(jī)在磁場分布不對稱工作狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)磁場是變幅變速沿氣隙圓周移動(dòng)的，這個(gè)變幅變 速的旋轉(zhuǎn)磁場將產(chǎn)生變幅變速的旋轉(zhuǎn)力矩，導(dǎo)致交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)工作時(shí)發(fā)生抖動(dòng)、過熱等 問題。 本發(fā)明建立單向移動(dòng)矢量模式，有助于交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和性能分析，對其 它技術(shù)領(lǐng)域具有一定的參考價(jià)值。 本發(fā)明的實(shí)施主要在于電機(jī)界認(rèn)可并接受本發(fā)明所建立的單向移動(dòng)矢量模式。該 模式是否合理，需要電機(jī)界及其它相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域從理論上和實(shí)踐上加以驗(yàn)證。若該模式合 理，將取代雙向旋轉(zhuǎn)磁場理論，成為電機(jī)理論的一部份；若不合理，則只是一項(xiàng)學(xué)術(shù)理論探 索。
參考文獻(xiàn) [1]辜承林，陳橋夫，熊永前.電機(jī)學(xué)[M].武漢華中科技大學(xué)出版社，2001 : 195-205 [2]R. P. Feinman， et al. The Feinman Lecture on Physics(vol. 1)[M]. Oxnard : Oxnard Public Library. 1964. 25_2. [3]Wikipedia. Vector [EB/OL]. http://en. wikipedia. org/wiki/Vector, 2009-01-16/2009-01-18. [4] Wikipedia. Phasor [EB/OL]. http://en. wikipedia. org/wiki/Phasor_ (electronics)， 2009-01-06/2009-01-18. [5]橐曉宇.感應(yīng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場分析[D].上海復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué) 院 2007 :35.
權(quán)利要求
雙向旋轉(zhuǎn)磁場理論問題的解釋1.1雙向旋轉(zhuǎn)磁場理論對于單相交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，定子繞組產(chǎn)生脈振磁場，脈振磁場垂直穿過氣隙圓周，在氣隙圓周上形成了呈矩形分布的脈振磁場分布；利用數(shù)學(xué)上的傅立葉變換，將這個(gè)矩形脈振磁場分布分解為1、3、5…等奇次諧波分量的疊加，磁場的主要成分是基波分量，因此主要分析基波脈振磁場形成的旋轉(zhuǎn)磁場。沿氣隙圓周分布的脈振磁場的基波分量表達(dá)式為f(α，t)＝Fcosαcosωet (1)f(α，t)以磁動(dòng)勢表示基波脈振磁場在氣隙上的位于α位置的磁場隨時(shí)間變化的脈振運(yùn)動(dòng)規(guī)律。f(α，t)表示的是定點(diǎn)脈振磁場而不是旋轉(zhuǎn)磁場，在整個(gè)氣隙圓周上f(α，t)形成一個(gè)脈振磁場分布。其中，α以極坐標(biāo)下的角度表示在氣隙圓周上的空間位置，α＝[0，360)；ωe表示交流電源的角頻率；t表示時(shí)間；Fcosα表示脈振幅度沿氣隙圓周呈余弦分布，F(xiàn)表示脈振幅度在氣隙圓周上分布的最大值；Fcosαcosωet表示在氣隙圓周上α位置的脈振磁場以幅度Fcosα按照cosωet余弦規(guī)律隨時(shí)間變化。將公式(1)變換為 <mrow><mi>f</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>&alpha;</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn></mfrac><mi>F</mi><mi>cos</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>&alpha;</mi> <mo>-</mo> <msub><mi>&omega;</mi><mi>e</mi> </msub> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn></mfrac><mi>F</mi><mi>cos</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>&alpha;</mi> <mo>+</mo> <msub><mi>&omega;</mi><mi>e</mi> </msub> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub> <mi>f</mi> <mo>+</mo></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>&alpha;</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub> <mi>f</mi> <mo>-</mo></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>&alpha;</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中 <mrow><msub> <mi>f</mi> <mo>+</mo></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>&alpha;</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn></mfrac><mi>F</mi><mi>cos</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>&alpha;</mi> <mo>-</mo> <msub><mi>&omega;</mi><mi>e</mi> </msub> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><msub> <mi>f</mi> <mo>-</mo></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>&alpha;</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn></mfrac><mi>F</mi><mi>cos</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>&alpha;</mi> <mo>+</mo> <msub><mi>&omega;</mi><mi>e</mi> </msub> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>公式(2)說明，公式(1)表達(dá)的脈振磁場分布f(α，t)可以由兩個(gè)沿氣隙圓周恒幅恒速反向移動(dòng)的余弦波線f+(α，t)和f-(α，t)疊加而成。由公式(2)得出一個(gè)推論一個(gè)在空間上按余弦規(guī)律分布，振幅隨時(shí)間按余弦變化的脈振磁動(dòng)勢，可以分解成兩個(gè)轉(zhuǎn)速相同、轉(zhuǎn)向相反的圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢，每一個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢的幅值為原有脈振磁動(dòng)勢振幅的一半，這就是雙向旋轉(zhuǎn)磁場理論。根據(jù)這個(gè)理論，一個(gè)脈振磁場分布可以分解成兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的磁場波線，每一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生自己的電磁效應(yīng)。1.2雙向旋轉(zhuǎn)磁場理論不滿足磁場矢量疊加原理的解釋基于物理學(xué)和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識，發(fā)現(xiàn)雙向旋轉(zhuǎn)磁場理論存在如下問題1)磁場應(yīng)以矢量而不能用相量表達(dá)，使用相量分析脈振磁場形成旋轉(zhuǎn)磁場的過程不可行。磁場是一個(gè)有大小和方向的物理量，磁場的作用(即電磁效應(yīng))與物理空間位置有關(guān)；在不同物理位置，對應(yīng)著不同的感應(yīng)體，產(chǎn)生不同的電磁效應(yīng)，即便它們在數(shù)值上相等，也代表不同的物理作用。相量表示的是弦波量(如電流)的幅度與相位之間關(guān)系，相位與物理空間位置是兩個(gè)不同的物理量，不能將代表物理空間位置的極坐標(biāo)角度看作相位，也就不能用相量表示矢量。2)沿氣隙圓周分布的脈振磁場的基波分量矢量表達(dá)式為 <mrow><mover> <mi>f</mi> <mo>&RightArrow;</mo></mover><mrow> <mo>(</mo> <mi>&alpha;</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>F</mi><mi>cos</mi><mi></mi><mi>&alpha;</mi><mi>cos</mi><msub> <mi>&omega;</mi> <mi>e</mi></msub><mi>t</mi><mover> <mi>r</mi> <mo>&RightArrow;</mo></mover><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>表示氣隙上α位置徑向脈振矢量的隨時(shí)將變化的規(guī)律，表示徑向單位矢量。按照雙向旋轉(zhuǎn)磁場理論，將氣隙上某個(gè)位置(如α0位置)的脈振矢量分解為兩個(gè)反向恒幅恒速移動(dòng)矢量，即 <mrow><mover> <mi>f</mi> <mo>&RightArrow;</mo></mover><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>&alpha;</mi><mn>0</mn> </msub> <mo>,</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub> <mover><mi>f</mi><mo>&RightArrow;</mo> </mover> <mo>+</mo></msub><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>&alpha;</mi><mn>0</mn> </msub> <mo>,</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub> <mover><mi>f</mi><mo>&RightArrow;</mo> </mover> <mo>-</mo></msub><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>&alpha;</mi><mn>0</mn> </msub> <mo>,</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>6</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中 <mrow><msub> <mover><mi>f</mi><mo>&RightArrow;</mo> </mover> <mo>+</mo></msub><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>&alpha;</mi><mn>0</mn> </msub> <mo>,</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn></mfrac><mi>F</mi><mi>cos</mi><mi>&alpha;</mi><msub> <mover><mi>r</mi><mo>&RightArrow;</mo> </mover> <mo>+</mo></msub><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>7</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><msub> <mover><mi>f</mi><mo>&RightArrow;</mo> </mover> <mo>-</mo></msub><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>&alpha;</mi><mn>0</mn> </msub> <mo>,</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn></mfrac><mi>F</mi><mi>cos</mi><mi>&alpha;</mi><msub> <mover><mi>r</mi><mo>&RightArrow;</mo> </mover> <mo>-</mo></msub><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>8</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>表示正向旋轉(zhuǎn)矢量的徑向單位矢量，表示反向旋轉(zhuǎn)矢量的徑向單位矢量，兩者盡管單位相同，但徑行方向不一致，在氣隙上則表示不同的物理空間位置。表示起始位置為α0的正向旋轉(zhuǎn)磁場矢量，表示起始位置為α0的反向旋轉(zhuǎn)磁場欠量，兩者的幅度都為旋轉(zhuǎn)角速度為ωe。公式(6)在數(shù)學(xué)上是成立的，但將原始矢量和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)矢量及放到氣隙圓周上(見圖1)，就會發(fā)現(xiàn)原始矢量是個(gè)始終保持在氣隙上α0位置的脈振矢量，它的作用是在α0位置產(chǎn)生電磁效應(yīng)；而兩個(gè)旋轉(zhuǎn)矢量及卻要沿氣隙圓周移動(dòng)，不能始終與原始矢量保持在同一位置α0，即不能始終在α0位置產(chǎn)生電磁效應(yīng)，而是沿著氣隙圓周移動(dòng)作用于不同空間位置。通過上述分析得知雙向旋轉(zhuǎn)磁場理論是個(gè)數(shù)學(xué)上等值而物理上不等效的矢量分解，它不符合物理學(xué)上磁場矢量疊加原理使用的條件，即矢量分量必須在同一時(shí)刻與原始矢量保持在同一位置。3)旋轉(zhuǎn)磁場不是由單個(gè)矢量在中心位置上旋轉(zhuǎn)而形成的，而是由分布在氣隙圓周上的磁場矢量沿氣隙圓周單向同步移動(dòng)所形成的。使用相量分析，將在氣隙圓周上分布的脈振磁場移動(dòng)到中心位置，磁場將不再呈分布狀態(tài)而會在中心位置合成為一個(gè)矢量。按照電機(jī)理論教科書上的方法，這個(gè)單一脈振磁場矢量將分解為兩個(gè)反向恒幅恒速旋轉(zhuǎn)矢量(見圖2)，即 <mrow><mover> <mi>F</mi> <mo>&RightArrow;</mo></mover><mo>=</mo><msub> <mover><mi>F</mi><mo>&RightArrow;</mo> </mover> <mo>+</mo></msub><mo>+</mo><msub> <mover><mi>F</mi><mo>&RightArrow;</mo> </mover> <mo>-</mo></msub><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>9</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中 <mrow><mo>|</mo><msub> <mover><mi>F</mi><mo>&RightArrow;</mo> </mover> <mo>+</mo></msub><mo>|</mo><mo>=</mo><mo>|</mo><msub> <mover><mi>F</mi><mo>&RightArrow;</mo> </mover> <mo>-</mo></msub><mo>|</mo><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn></mfrac><mo>|</mo><mover> <mi>F</mi> <mo>&RightArrow;</mo></mover><mo>|</mo><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn></mfrac><mi>F</mi><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>10</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>這種移動(dòng)導(dǎo)致不能真實(shí)地反應(yīng)磁場的實(shí)際物理位置，不能代表在氣隙上分布的磁場的電磁效應(yīng)。F2009100485571C0000022.tif,F2009100485571C0000023.tif,F2009100485571C0000027.tif,F2009100485571C0000028.tif,F2009100485571C0000029.tif,F2009100485571C00000210.tif,F2009100485571C00000211.tif,F2009100485571C00000212.tif,F2009100485571C00000213.tif,F2009100485571C00000214.tif,F2009100485571C00000215.tif,F2009100485571C00000216.tif,F2009100485571C00000217.tif,F2009100485571C00000218.tif
2.交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的單向移動(dòng)矢量模式交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子繞組是固定的線圈，只能產(chǎn)生脈振磁場。脈振磁場沿氣隙圓周分布，其幅度連線隨時(shí)間變化形成了單向旋轉(zhuǎn)波線。為了描述單向旋轉(zhuǎn)波線的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立了單向移動(dòng)矢量模式，描述由沿氣隙圓周單向同步移動(dòng)的矢量分布形成單向旋轉(zhuǎn)波線的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在磁場分布不對稱狀態(tài)下，旋轉(zhuǎn)矢量以變幅變速方式沿氣隙圓周移動(dòng)；在磁場分布對稱狀態(tài)下，旋轉(zhuǎn)矢量以恒幅恒速方式沿氣隙圓周移動(dòng)。以磁動(dòng)勢表示磁場。對于單極對交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，氣隙上的基波脈振磁場可表達(dá)為兩相垂直繞組產(chǎn)生的基波脈振磁場沿氣隙圓周的疊加f(a，t) = FHcos a cos co et+Fvsin a sin co et (11)f (a ， t)表示在a位置上基波徑向脈振磁場矢量隨時(shí)間t的變化規(guī)律。其中，a以角度表示徑向脈振磁場矢量在氣隙圓周上的位置，a = [0，360) ;"e為電源的角頻率；t表示時(shí)間；FH表示水平磁場的最大幅值，F(xiàn)Hc0Sa表示水平磁場沿氣隙圓周的幅度分布，F(xiàn)HCOsacos"et表示水平磁場在氣隙上a位置的脈振運(yùn)動(dòng)規(guī)律；同理，F(xiàn)v表示垂直磁場的 最大幅值；Fvsina表示垂直磁場沿氣隙圓周的幅度分布；Fvsina sina^t表示垂直磁場在 氣隙上a位置的脈振運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在氣隙圓周上分布的徑向脈振磁場矢量的端點(diǎn)構(gòu)成閉合連線，隨時(shí)間變化，形成了一 個(gè)沿氣隙圓周單向移動(dòng)的旋轉(zhuǎn)波線，旋轉(zhuǎn)波線中每個(gè)移動(dòng)矢量的極坐標(biāo)表達(dá)式為<formula>formula see original document page 4</formula>公式(12)就是單極對交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)基波脈振磁場形成的旋轉(zhuǎn)磁場的單向移動(dòng)矢量 表達(dá)式，^("。力表示起始位置為a。的旋轉(zhuǎn)矢量沿氣隙圓周的移動(dòng)規(guī)律。其中—表示徑向 單位矢量；a 。表示移動(dòng)矢量的起始位置，由于a 。 = [0， 360) ， f ("。,f)表示的不只是一個(gè)矢 量，而是在氣隙圓周上的矢量分布；Ft為<formula>formula see original document page 4</formula>Ft表示旋轉(zhuǎn)矢量的幅度隨時(shí)間變化，F(xiàn)t的大小等于兩個(gè)垂直脈振矢量FHCos"J和 Fvsin " J疊加形成的橢圓旋轉(zhuǎn)矢量的幅度，F(xiàn)tcoS a 。表示旋轉(zhuǎn)矢量的幅度分布與起始位置 a。呈余弦關(guān)系。所有的旋轉(zhuǎn)矢量同步朝一個(gè)方向沿氣隙圓周移動(dòng)，旋轉(zhuǎn)的角速度為<formula>formula see original document page 4</formula>對于多極對交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，單向旋轉(zhuǎn)磁場矢量的極坐標(biāo)表達(dá)式為<formula>formula see original document page 4</formula>公式(15)就是多極對交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)基波旋轉(zhuǎn)磁場的單向移動(dòng)矢量表達(dá)式。其中，N表示極對數(shù)，N二 1，2，3，...等自然數(shù)；Ft如公式(3)所述；旋轉(zhuǎn)矢量的同步移動(dòng)角速度為當(dāng)FH # Fv時(shí)，表示交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)工作在磁場分布不對稱狀態(tài)；當(dāng)FH = Fv時(shí)，表示交 流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)工作在磁場分布對稱狀態(tài)。 2. 3旋轉(zhuǎn)磁場的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 2. 3. 1對于單極對交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)1) 公式(12)以單向移動(dòng)矢量模式描述了單極對交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場在氣隙圓周 上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，它是由公式(11)的脈振磁場沿氣隙圓周的幅度分布隨時(shí)間變化形成的；反 過來講，公式(2)描述的是旋轉(zhuǎn)磁場分布也會在氣隙圓周上形成公式(1)表達(dá)的脈振磁場 分布；2) 所有旋轉(zhuǎn)矢量沿氣隙圓周同步移動(dòng)，其矢量端點(diǎn)的連線形成一個(gè)單向同步移動(dòng)的旋 轉(zhuǎn)波線；3) 當(dāng)交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)工作在磁場分布不對稱狀態(tài)下時(shí)，起始位置為a。的旋轉(zhuǎn)矢量以 變幅(公式(13)所示)和變速(公式(14)所示)方式沿氣隙網(wǎng)周移動(dòng)；沿氣隙圓周移動(dòng)一 周，其矢量端點(diǎn)形成一個(gè)閉合的橢圓形軌跡；當(dāng)交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)工作在磁場分布對稱狀態(tài) 下時(shí)，旋轉(zhuǎn)矢量恒幅恒速移動(dòng)，其矢量端點(diǎn)沿氣隙圓周旋轉(zhuǎn)一周形成一個(gè)閉合的圓形軌跡。2. 3. 2對于多極對交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)1) 公式(15)以單向移動(dòng)矢量模式描述了多極對交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場在氣隙圓周上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；2) 所有旋轉(zhuǎn)矢量沿氣隙圓周同步移動(dòng)，旋轉(zhuǎn)矢量的角速度與極對數(shù)成反比，其矢量端點(diǎn)的連線形成一個(gè)單向同步移動(dòng)的旋轉(zhuǎn)波線；3) 當(dāng)交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)工作在磁場分布不對稱狀態(tài)下時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場也是沿氣隙圓周變幅(公式(13)所示)變速(公式(16)所示)移動(dòng)，沿氣隙圓周移動(dòng)一周，每個(gè)移動(dòng)矢量端點(diǎn)將不再形成一個(gè)橢圓形軌跡；當(dāng)交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)工作在磁場分布對稱狀態(tài)下時(shí)，旋轉(zhuǎn)矢量恒幅恒速移動(dòng)，其矢量端點(diǎn)沿氣隙圓周旋轉(zhuǎn)一周仍然形成一個(gè)閉合的圓形軌跡。本發(fā)明建立的描述交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場運(yùn)動(dòng)規(guī)律的單向移動(dòng)矢量模式，適用于描述單極對和多極對交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)脈振磁場的基波分量形成的旋轉(zhuǎn)磁場。
3.依據(jù)交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的單向移動(dòng)矢量模式制作的圖形及動(dòng)畫利用2描述的單向移動(dòng)矢量模式表達(dá)式(12)和(15)及參數(shù)計(jì)算公式(13)、 (14)、(16)，以電子或紙質(zhì)介質(zhì)或其它方式制作的描述交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場運(yùn)動(dòng)規(guī)律的圖形及動(dòng)畫。
全文摘要
利用物理學(xué)和數(shù)學(xué)知識，解釋了現(xiàn)行電機(jī)理論中雙向旋轉(zhuǎn)磁場理論在物理上不可行的原因在氣隙上雙向移動(dòng)的磁場矢量不能始終與原始磁場矢量保持在同一位置，因而不滿足磁場矢量疊加原理的應(yīng)用條件，是個(gè)數(shù)學(xué)上等值而物理上不等效的推論。通過分析交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)脈振磁場的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立了單向移動(dòng)矢量模式，描述交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的運(yùn)動(dòng)規(guī)律交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子繞組只能產(chǎn)生脈振磁場；脈振磁場沿氣隙圓周分布，其幅度連線隨時(shí)間變化形成了單向旋轉(zhuǎn)波線；單向旋轉(zhuǎn)波線可由沿氣隙圓周單向同步移動(dòng)的矢量分布形成；在磁場分布不對稱狀態(tài)下，旋轉(zhuǎn)矢量以變幅變速方式沿氣隙圓周移動(dòng)；變幅變速的單向旋轉(zhuǎn)波線將產(chǎn)生變幅變速的旋轉(zhuǎn)力矩，導(dǎo)致交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)工作時(shí)發(fā)生抖動(dòng)、過熱等問題。本發(fā)明建立的描述交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場運(yùn)動(dòng)規(guī)律的單向移動(dòng)矢量模式，適用于描述單極對和多極對交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)脈振磁場的基波分量形成的旋轉(zhuǎn)磁場。
文檔編號H02K17/02GK101719706SQ20091004855
公開日2010年6月2日 申請日期2009年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月31日
發(fā)明者劉曉東 申請人:劉曉東