电机动画：轴向视图、特性、空间矢量和磁场等

随风1

搜集电机控制资料期间，发现一个通过动画描述电机的轴向视图、特性、空间矢量和磁场等信息的学校网站，在此分享给有需要的朋友，英文原文网址：Table of contents for animations (umn.edu)。
查了是美国明尼苏达大学的良心制作，赞👍

接下来就注意看图的动态变化！！！

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1 直流机原理图换向器的作用是产生电枢导体中电流方向的固定空间分布，与轴旋转无关。这些电流产生的场（电枢反应）是水平定向的，由空间矢量 Ia 表示。定子磁极励磁建立的磁场沿垂直轴定向，由空间矢量λf表示。电磁转矩可以表示为 Te = k（ Ia x λf ），如下所示：


source: dc machine (umn.edu)

2 无刷直流机原理图
永磁体产生的转子磁通密度分布由绿色空间矢量Br表示。功率处理单元向定子绕组提供三相电流，使得定子电流空间矢量比转子磁通矢量领先 90°。在固定三相绕组中流动的定子电流产生的 mmf 分布等效于在磁轴与 Is 对齐的单个正弦分布旋转绕组中流动的 Is。

source: Brushless dc motor (umn.edu)
3 直流电机的位置控制

直流电机的位置控制系统框图表示如下所示：



source: Position control of a dc motor (umn.edu)直流电机最初处于静止状态，当施加 1 弧度的初始步长时，位置设置为 0 弧度，然后降低 0.5 弧度的步长。在指定时间也会施加阶梯机械载荷, 下图示意了位置瞬变。

source: Position control of a dc motor (umn.edu)
4 绕线转子感应电动机原理图
绕线转子感应电机的三相定子由 3 个彼此位移 120°的集中线圈表示。绕线转子也由 3 个集中线圈表示，它以 n=0.8 pu 的速度旋转。在定子线圈中平衡三相正弦电流时，建立1.00 pu速度的旋转磁场（由黄色空间矢量表示），该磁场以滑移速度（1-n）超过转子，从而在转子线圈中感应出滑移频率电压和相应的电流。


source: Wound rotor induction motor (umn.edu)
5 鼠笼式感应电机的结构
这个片段说明了鼠笼式感应机的基本结构。可以看到带有两个端环的鼠笼在定子内旋转。


source: Squirrel-cage structure (umn.edu)
6 鼠笼式感应电动机及发电机的工作原理
由空间矢量 Bm（或等效地由磁化电流 Im 表示）表示的旋转磁化场相对于定子（或静止）观察器以同步速度 ωs 移动，相对于转子观察器以滑移速度 ωsl = ωs - ωm 移动。在ωm<ωs的电机工作模式下，转子相对于磁场有效地向后（顺时针）移动，在每个bar中感应出一个电压，该电压具有指示的极性，其大小与滑移速度u和作用在bar上的场强成正比（根据磁通切割规则v = Blu）。由于磁场在空间中呈正弦分布，因此转子棒中的感应电压也会随之变化。忽略转子泄漏的影响（即假设转子是纯电阻的），产生的转子电流与感应电压同相，因此在空间中呈正弦分布，在滑移频率下随时间正弦变化;然后，它们可以由空间矢量 Ir 表示，该空间矢量 Ir 相对于转子以滑移速度 ωsl 旋转，相对于定子以同步速度 ωs 旋转。由于 Bm 不能随固定的定子输入电压而变化（根据法拉第定律），因此会产生定子空间矢量 IR 以补偿转子效应，从而使产生的定子电流变为 Is = IR + Im。施加在转子杆上的电磁力可以从 f = Bli 规则得出，并且在电机的当前情况下，它以正向或逆时针方向（与转子速度相同）作用。转子上产生的合成扭矩也作用于同一方向。跟随一个转子杆在周围移动时所走的路径，观察杆电流的极性和大小（由大小描述）。在 ωm > ωs 的发电机中，所有极性和方向都是相反的，如右图所示（磁化组件除外）。

source: Squirrel-cage structure (umn.edu)
7 鼠笼式感应机的轴向视图1）定子视图定子相位的三相正弦平衡激励产生以激励频率ωs旋转的正弦分布场。该场可以看作是由单个等效正弦绕组创建的，该绕组由直流电流激励并且也在旋转。磁通密度分布在这里由状态矢量 Bm 表示（或等效地由磁化电流 Im 表示）。它在气隙中用阴影颜色描绘，颜色越强烈，场强越高，蓝色指向转子，红色指向定子。这种分布在定子静止坐标系的定子频率ωs下旋转，在滑移频率ωslip=ωs-ωm下相对于转子以ωm转动的方式旋转，从而在转子杆中产生滑移频率的正弦电压和相应的正弦滑移频率电流，由于转子泄漏的存在而延迟。该转子电流分布相对于转子以 ωslip 旋转，相对于静止定子观察器以 ωs 旋转。因此，它可以用转子空间矢量 Ir 表示。由于 Bm（或 Im）不能改变，因此定子电流 Is 必须包含分量 IR = - Ir 。

source: Squirrel-cage induction motor (axial view) (umn.edu)2）转子视图
在转子参考系中，转子转速ωm实际上为零。由空间矢量 Bm（或等效地由磁化电流 Im 表示）表示的磁通密度波现在相对于转子以滑移速度移动，在转子杆中感应出正弦分布的滑移频率电流。结果被看作是一个正弦分布的转子绕组，其轴由空间矢量 Ir 表示;绕组和空间矢量 Ir 都以滑移速度 ωsl 旋转。同样，补偿转子效应的定子空间矢量 IR 和由此产生的定子电流 Is = IR + Im 都以滑移速度移动。

source: Squirrel-cage induction motor (axial view) (umn.edu)
3）同步视图
在同步参考系中，所有变量都显示为稳态直流量。所有空间向量都冻结在空间中所示的固定位置，其前提是原始静止参考系和同步旋转的参考系在时间 t = 0 时重合。然后，这些矢量可以直接与感应电机的（每相）相量相关联，组合在相量图中，并通过由磁化电感与与电阻串联的转子漏感并联组成的等效磁感来解释。

source: Squirrel-cage induction motor (axial view) (umn.edu)
8 鼠笼式感应机的开发视图鼠笼转子在转子参考系的 2 极场中的反应：正弦分布的磁通密度波以滑移速度移动，在转子笼电压中引起蓝色垂直线指示的量级。由于漏感，产生的条形电流被延迟，如红线所示。相应的转子-mmf及其基本分量显示在青色阶跃波中。

source: Squirrel-cage induction motor (developed view) (umn.edu)9 三相正弦分布绕组三相（2极）交流电机的定子可以由3个正弦分布绕组[RGB]表示，其轴位移为120度。当绕组被平衡的三相正弦电流激励时，每相都会产生一个脉动正弦场，该场由沿绕组轴方向的空间矢量描述，并指向磁场最大为正的位置。综合效应相当于具有单个正弦分布绕组，该绕组以恒定电流激励并以激励频率旋转。图示了相关空间矢量的运动。

source: ece.umn.edu/users/riaz/animations/abcvec.html‍10 单相激励引起的磁场分布正弦分布绕组由正弦电流激励。由此产生的脉动径向磁通密度分布图示在气隙中沿圆形路径绘制（为了视觉目的，该路径大大放大）。图示了 2 极和 4 极配置。在 2 极视图中，空间正弦场分布可以由沿绕组（水平）轴的二维空间向量表示;向量指向场最大为正的位置，并且其长度与该时刻的最大场强成正比。介绍了分布的横截面视图和展开视图。



            




source: Single-phase sinusoidally distributed winding (umn.edu)

11 三相激励引起的气隙磁通量

旋转的正弦分布绕组以恒定电流激励。气隙中的通量图也会旋转。在线路拥挤的地方，相应的磁场密度 B 很高，而在线路浓度降低的地方，B 也很高。因此，气隙 B 场在空间中呈正弦分布并且也在旋转。它可以由一个恒定大小的旋转空间向量表示，该向量指向场的最大正值。



source: Air-gap flux plot (umn.edu)

12 三相交流机中的 MMF分布
在交流电机的平衡三相正弦激励下，每相产生的场空间分布是以轴为中心的正弦分布脉动波。ABC [RGB] 轴相距 120 度。合成场（黑色）是以与激励频率相对应的速度移动的恒定振幅的行波。


source: Wave space distributions (umn.edu)13 三相激励系统中空间矢量的运动

交流电机中由平衡正序三相正弦电流创建的 mmf 分布的空间矢量表示。每个 ABC （RGB） 空间矢量都沿其各自的轴脉动。1.5倍幅度大小的合成矢量（黑色）在激励频率下旋转。





source: Three-phase space vectors (umn.edu)

14 三相激励系统中空间矢量的运动
该演示对平衡正弦条件下的空间矢量运动进行动画处理，显示为以激励频率旋转的恒定振幅矢量。组件取决于参考系的选择。在稳态 αβ 帧中，分量是时变的，表示定子频率下的两相正弦信号。在旋转同步 dq 帧中，dq 分量是常数，其值取决于空间向量相对于 dq 轴的方向。状态向量 Is（定子电流）和 λr（转子磁链）显示在公共 dq 同步帧中。当d_axis与转子磁场对齐时，这一过程称为磁场定向--,λrq = 0，扭矩表示为 Te = k1 isd isq。电流 isd 是场分量，isq 是定子电流空间矢量 Is 的扭矩分量。




source: Three-phase mmf distributions (umn.edu)

15 小结
到此就就翻译了前十几个动图，有兴趣自行查阅:


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