目录
一、交流旋转电机的绕组结构
（1）磁极对数有什么影响？整磁场、控转速！
（2）串并联连接方式对于磁极对数有什么影响？
（3）简单总结
二、交流绕组中的基本概念
（1）机械角度与电角度
（2）槽距角
（3）每极每相槽数
（4）相带
（5）极距和节距
三、交流绕组的感应电动势
（1）基波的感应电动势
（2）高次谐波的感应电动势
（3）感应电动势的电频率分析
四、交流绕组的磁动势
（1）脉动磁场与旋转磁场
（2）为什么旋转磁场的强度是恒定的？
在实际工程中，同步电机、异步电机都是比较常见的电机种类，而他们的核心思想就是交流旋转电机，本文我们先来分析二者公共的部分---定子为什么能产生旋转磁场，为以后学习同步、异步电机打好基础。
一、交流旋转电机的绕组结构
（1）磁极对数有什么影响？整磁场、控转速！
我们将其进行简化（图中磁极数量可能很多，不利于分析），可以得到串联、并联两种形式的绕行连接方式。下面画出的是两组线圈情况下的4极、2极电机。
为什么我们要了解这个磁极对数呢？
（1）回忆我们在直流电机工作原理中提及的：需要尽量让磁场方向指向圆心，能最大的优化安培力，而磁极对数越多，磁场方向就越接近于指向圆心！（这个是直流电机就提到的观点）
（2）不过当磁极对数达到一定程度时，磁场早已趋近于指向圆心，此时提升磁极对数的作用就不明显了。而在交流电机中，还有额外的功能：通过调节磁极对数，控制电机的转速区间。于是这个成为交流旋转电机磁极对设计的首要要求。（这一点在后面能看到！）
（2）串并联连接方式对于磁极对数有什么影响？
串并联本质上只是电路的连接形式，它本身不能直接决定磁极对数。 真正决定磁极对数、磁极排布的，是相邻线圈中电流的相对环绕方向。
- 同向串联：相邻线圈电流环绕方向一致，磁场依次叠加，产生多对磁极。 就像前面的例子，两组线圈同向串联，得到 p=2（4 极）；继续增加同向串联的线圈，磁极对数可以继续增加。
- 同向并联：所有线圈绕向、电流方向保持一致，并联只起到分流作用，每个线圈产生的磁场依然叠加。 磁极排布、磁极对数和同向串联完全相同，区别仅在于电路特性：串联时线圈电流相同、总电压叠加；同向并联时线圈两端电压相同、总电流被分流。
- 反向串联 / 反向并联：相邻线圈电流环绕方向相反，相邻的 N 极与 S 极面对面，磁场相互抵消。 哪怕线圈数量不变，原本可以形成 4 极的绕组，通过反向接线，磁场抵消之后最终只保留 p=1（2 极）。
所以以后在看到并联、串联结构的时候，不要担心记混，直接把每个线圈的电流方向分析出，进而得到磁场方向，叠加判断是否有抵消即可。
一般我们在大磁场场景会采取并联分流方式，提高每个线圈流过的励磁电流的大小，从而得到更强的磁场。
（3）简单总结
我们这个交流旋转电机，依靠线圈里的励磁电流来建立磁场，不像永磁直流电机依靠永磁体。线圈通电之后会形成磁极，存在磁极对数 p。 在直流电机里面，磁极对数越多，磁场越贴近径向、指向圆心，磁场品质更好；但交流电机设计磁极对数，首要目的不是这个，而是调速。
我们国家电网是固定 50Hz 工频，频率不能随便改。根据同步转速公式 n=60f/p，调速就两条路线：一条是改变磁极对数，也就是变极调速；另一条是改变电源频率，也就是变频调速，变频需要电力电子变换器。
这里非常关键：磁极对数，和串联、并联没有直接关系。 决定磁极对数的，是每一组线圈的电流流向、磁场是叠加还是抵消。做题千万不要想当然认为串联极数一定比并联多一倍，这个是错的！我们必须看相邻线圈电流方向。
工程上大功率电机想要更强磁场时，如果定子线圈的铜线规格一致，一般采用同向并联。 原因：恒压供电下，并联时每个线圈都直接拿到额定电压，每一支线圈都可以跑到铜线允许的最大电流，充分发挥磁动势；串联的时候线圈分压，线圈内部电流被压低，磁场上不去。 串联的特点是回路内部电流处处相等，但这个电流大小受电压限制，不一定能跑满铜线的载流能力；并联是各支路电压相同，支路分流，每一路独立工作，总安匝叠加，磁场更强，代价是外部进线总电流变大，进线电缆需要更粗。
二、交流绕组中的基本概念
（1）机械角度与电角度
电角度决定了转速与电频率之间的关系。
这里电角度是因为我们单抽离一个绕组出来（螺线管形状的绕组），会发现中间的磁场
从N->S->N变化刚好就是导线通交流电后一个周期的变化，于是在磁场中我们认为只要发生了完整的N->S->N就为一个周期，即电学中的360°
（2）槽距角
槽距角的定义是：相邻两个定子凹槽之间的电角度。比方说一个4极24槽的交流旋转电机，由于他的磁极对数是2，所以机械角度转1圈=电角度转2圈，即720度。那么每个凹槽之间的电角度就间隔720/24=30°。直接通过下方的公式计算出来也是相同的。
槽距角决定了相邻凹槽内电动势的相位差，也是后续学习分析的基础概念。
（3）每极每相槽数
定义是：每个极下，每相绕组所占的槽数。
依旧以4极24槽的交流旋转电机为例，他的每一个极占据的槽数是24/4=6个槽，而这6个槽要平均分配给ABC三相，所以每一相都只能分得2个凹槽。而这6个槽我们称为一组，每一组线圈都负责产生一个磁极。
注意：这里说的磁极，是ABC三相分别产生磁极的合成，而非单单指其中一相产生的磁极。（这一点我们在后面第四标题中详解）
每极每相槽数q反映了绕组的分布情况。q值越大，则用于产生一个极的槽数越多，即ABC三相用来合成这一相磁极的线圈数量也越多，合成也约平滑，高次谐波抑制效果越好。
（4）相带
相带其实是每极每相槽数引申出来的一个概念，他表示一相绕组在一个磁极下所占据的电角度范围。
比如以4极24槽的交流旋转电机为例，每一个磁极由6个槽合成而来，于是ABC三相各分得2槽，按平滑的角度来说应该是ABCABC的排布方式最好，但实际由于工艺的限制，真正的排布方式是AABBCC（这一点我们了解即可，是电机设计的知识，本科不用管它），于是也就产生了相带的概念，两个A相连在一起了，他们占据了2个凹槽，槽距角又是30°，所以相带就是60°。
60°相带也是三相电机中最为常见的形式，能有效抑制高次谐波。
（5）极距和节距
极距就是每一个磁极所占据的槽数，比如4极24槽的交流电机，每一个磁极都占据6个槽位。
而节距指的是一个绕组线圈（比如说A相的一个绕组线圈）两端之间的槽数距离，在平均分的思想下，我们会很直白的想到4极24槽的交流电机，那不就是6槽距离的间隔吗？
其实确实如此，这种极距和节距相等的情况我们称为“整距”，他是单层绕组中用的最多的。
但是极距和节距之间的不同，可以有不同的影响：
整距的感应电动势最大，幅值最高。但是波形最差。
短距通过削弱磁通量的接受范围，让幅值可接受的降低，却让波形更好。
长距与短距类似，用相邻磁极来削弱一定的磁通量，也能让波形变好。
这部分内容，我们也仅仅了解即可，同样是电机设计才需要深入学习的部分。
三、交流绕组的感应电动势
这里主要讨论的是把交流旋转电机当做发电机来使用，即用磁+切割去生电的应用场景。
（1）基波的感应电动势
我们之前在变压器章节学过4.44公式：他指的是当电网电压固定时，产生的磁场大小也是固定的。
但这是在变压器这种磁通量损耗极小的场景中，而在交流绕组中，由于绕组的空间分布问题（圆形），势必会让绕组线圈中感受到的磁通量有所不同，一般会变小一点。
我们把这个变小的百分比抽离出来，称为绕组系数Kw，他也是磁通量的打折系数。它是短距+分布情况共同削弱磁通量的结果。
于是现在的基波感应电动势公式变成了：E=4.44fnφ0*Kw
（2）高次谐波的感应电动势
由于线圈中看到的磁通量是一个平顶波（直流电机中说过，磁极对数越多，越接近平顶波磁场，尽管这里的磁场是由定子感应得到的，仍然是平顶波。），再由傅里叶思想可以拆解成很多的高次谐波磁通量。比如可以拆解成3次、5次、7次、9次谐波，他们都是造成波形偏离正弦波的原因。所以我们需要想办法削弱高次谐波。
削弱3次、9次等3的倍数的高次谐波非常容易，只需要让定子绕组接成Y型连接即可，因为我们之前分析过，只要让Y型连接没有中性引出点，就无法让3的倍数次谐波通过，从而直接由电路约束削减掉该次谐波的影响。
但其他的高次谐波由于相位不同，无法简单的用Y型连接来消除，所以通常会采取短距的连接方式。经过工程实践上的验证，一般想削减哪一次谐波，就把节距削减成多少。比如我们想要削减5次谐波的干扰，就让节距为1-1/5的极距；想要削减7次谐波，就让节距为1-1/7的极距。而如果都想要削弱，则取中间值，让节距为1-1/6的极距。
简单来说就是：由于法拉第电磁感应定律的存在，我们希望次磁场也是正弦变化的，才能在切割时产生正弦感应电动势，从而发电。所以定子的连接方式就必须用短距连接，这是工程上的经验，如果用整距就会变成平顶波，产生高次谐波感应电动势！
（3）感应电动势的电频率分析
电机定子绕组感应电动势的频率，由极对数和转速决定，公式为：
其中，p为磁极对数，n为转子的机械转速。他们乘积的结果就是每分钟磁场旋转的电角度圈数（1圈360度），然后除以60秒得到的就是每秒的电角度圈数，而一个周期就是电角度转一圈，所以这里就是每秒电角度走多少个周期，即频率f。
这个频率f也是后续交流电机调速的原理，通过调整交流电的频率，直接改变旋转磁场的旋转频率，从而间接改变电机转子的旋转频率。
比如一个4极的交流电机，磁极对数是p=2，国家电网交流电频率为50HZ，则机械转速n=50*60➗️2=1500r/min。
四、交流绕组的磁动势
以下的分析是把交流旋转电机当做电动机而言的。且为了简单分析，我们只采用了2极电机（每一相电，都只有一个线圈，从第一章串并联连接方式可以知道他就是一对磁极对，极P=1）
（1）脉动磁场与旋转磁场
磁场是由定子绕组产生的。当定子中某一相绕组单独通入交变电流时，会产生一个随电流大小同步变化的磁场。
由于绕组的几何位置是固定的，这个磁场的宏观轴线（N/S 极连线）方向也始终固定不变，只是磁场的大小随电流正弦规律 “强弱交替变化”，我们把这种方向固定、大小脉动的磁场，称为脉动磁场。
仅仅靠单相绕组产生的脉动磁场，是无法让转子持续旋转的，交流电机的工作，必须依赖旋转磁场。好在我们的定子采用的是三相对称绕组，空间上互差 120° 电角度；通入的也是三相对称交流电，时间上也互差 120° 电角度。三个绕组各自产生的脉动磁场，通过矢量叠加后，会合成一个幅值恒定、方向随时间匀速旋转的磁场，这就是我们需要的旋转磁场。
（2）为什么旋转磁场的强度是恒定的？
于是我们后续就可以理解成：
旋转磁场就好比一个正弦波，趴在圆周上面绕行。（这里特指2极电机，因为磁动势是个三角函数形式，在一组里面只会有半个周期，所以两个组合起来才是一个完整的NS磁极对，即磁极对数才是圆周上绕行的正弦波数量）
