电机学第4章 交流电机理论的共同问题

1、,第4章 交流绕组及其电动势和磁动势,4.1 交流绕组的构成原则和分类,交流绕组的构成原则： (1)合成电动势和合成磁动势的波形要接近于正弦形、幅值要大； (2)对三相绕组，各相的电动势和磁动势要对称，电阻、电抗要平衡； (3)绕组的铜耗要小，用铜量要省； (4)绝缘要可靠，机械强度、散热条件要好，制造要方便。,交流绕组的分类: 由于交流电动机应用范围非常广，不同类型的交流电 机对绕组的要求也各不相同，因此交流绕组的种类也非常 多。其主要分类方法有： （1）按槽内层数分，可分为单层和双层绕组。其中，单 层绕组又可分为链式、交叉式和同心式绕组；双层绕组又 可分为叠绕组和波绕组。 （2）按相数分，可分为单相、三相及多相绕组。 （3）按每极每相槽数，可分为整数槽和分数槽绕组。 尽管交流绕组种类很多，但由于三相双层绕组能较好 地满足对交流绕组的基本要求，所以现代动力用交流电机 一般多采用三相双层绕组。,3,4.2 三相双层绕组 双层绕组指电机每一槽分为上下两层，线圈的一个边嵌在某槽的上层，另一边安放在相隔一定槽数的另一槽的下层。双层绕组由于其一槽可安放两个线圈边，所以双层绕组的线圈数和槽数正好

2、相等。 根据双层绕组线 圈形状和连接规律， 三相双层绕组可分为 叠绕组和波绕组两大 类。,交流绕组的基本知识和基本量：, 电角度与机械角度： （1）电角度：在电机理论中，我们把一对主磁极所占的 空间距离，称为360的电角度。 （2）机械角度：一个圆周的空间角度为机械角度360。 很明显，电角度=极对数机械角度。 极对数：指电机主磁极的对数，通常用p表示。 线圈： 组成交流绕组的单元叫线圈，在直流电机中叫元件。 节距： 一个线圈的两个边所跨定子圆周上的距离称为节距， 用y1 表示（以槽数计）。y1 =p，称为整距绕组；y1p为短距；y1p为长距。, 槽距角： 相邻两槽间的距离用电角度表示，叫做槽距角，用表示。 = p3600 / Q 每极每相槽数： 在交流电机中，每极每相占有的平均槽数q是一个重要的参数，q 的大小对电机的参数、附加损耗、温升以及绝缘材料的消耗量等都有影响。如定子槽数为Q，极对数为p，相数为m。则得： q = Q/2pm q =1的绕组称为集中绕组，q1的绕组称为分布绕组。,槽电动势星形图和相带划分 三相绕组需要对称分布，绕组的排列和连接。 给定2p=4, Q=36槽,m

3、=3。 计算每极每相槽数： q = 36/(43) = 3 (槽） 计算槽距角： =23600/36 =200 确定相带： 每个极下每相所占的区域 为相带，通常三相电 动机都采用600相带。,各相带槽号分配：,2、叠绕组 任何两个相邻的线圈都是后一个“紧叠”在另一个上面，故称为叠绕组。 双层叠绕组的主要优点： 1）可以灵活选择线圈节距来改善电动势和磁动势波形； 2）各线圈节距、形状相同，便于制造； 3）可以得到较多的并联支路数； 4）可采用短距线圈以节约端部用铜。 双层叠绕组的主要缺点： 1）嵌线较困难，特别是一台电机的最后几个线圈； 2）极间连线较长，极数较多时比较费铜。 主要用于一般电压、额定电流不大的中、小型同步电动机和异步电动机的定子绕组。,例：三相交流电机Q1=36，2p=4，试绘制三相双层叠绕组展开图。 先计算： （1）= 23600/36 = 200 q = 36/(43) = 3 （槽） = Q1/2p = 36/4 = 9（槽） 取y1=8个槽(短距） （2）画出电动势星形图 （3）分相 （4）画A相绕组展开图,下面我们通过具体例子来说明叠绕组的绕制方法：,11,1,

4、3,5,7,9,11,13,15,17,19,21,23,25,27,29,31,33,35,1,2,3,10,11,12,19,20,21,28,29,30,三相双层叠绕组的A绕组的展开图,12,-1-2-3-,-10-11-12-,-19-20-21-,-28-29-30-,A相绕组线圈的连接图（一条并联支路）,123,192021,101112,282930,A相绕组线圈的连接图（两条并联支路）,2、波绕组 用于多极、支路导线截面积较大的电机，节约极间连线用铜。 其特点是：两个相邻的线圈成波浪形前进，波绕组的连接规律是把所有同一极性（如N1, N2）下属于同一相的线圈按波浪形依次串联起来组成一组，在把另一极性（S1,S2）下的属于同一相的线圈按波浪形依次串联起来，组成另一组， 最后根据需要把这 两组接成串联或并 联，构成相绕组。,例：将前述三相四极36槽、y1=8的绕组制成波绕组。,绘制波绕组展开图的步骤与叠绕组完全相同，该例题槽电动势星形图和相带划分与前例完全相同。 若A相从3号线圈起，则3号线圈一导体边放在3号槽上层用实线表示，另一导体边放在11号槽下层用虚线表示（y1=8）

5、然根据y=18，3号线圈应与21号线圈连接。 为避免绕组闭合，每绕完一周后人为地前进或后退一个槽，才能使绕组继续绕下去。本例后退一个槽。,4.3 三相单层绕组 定子或转子每槽中只有一个线圈边的三相交流绕组称为三相单层绕组。 三相交流绕组由于每槽中只包含一个线圈边，所以其线圈数为槽数的一半。三相单层绕组比较适合于10kW以下的小型交流电机中，很少在大、中型电机中采用。,分类：按照线圈的形状和端部连接方法的不同，三相单层绕组主要可分为同心式、链式和交叉式等型式。 单层绕组嵌线比较方便，因没有槽绝缘，所以槽的利用率较高。,1、同心式绕组 同心式绕组由不同节距的同心线圈组成。 以两极三相 24槽电机为例说明。,优点：嵌线方便，端部不重叠，散热好，便于布置。 缺点：线圈节距不等，绕制不便，端部较长。,同心式绕组,*正弦绕组： 基本原理：采用同心式绕组时，若每个线圈匝数不等 ，使其产生的磁动势接近正弦分布。 以Q1=24，p=1为例：,1）计算每个线圈边离磁极中心线的电角度正弦值：,2）计算每个线圈匝数占每极总匝数的百分比：,同理,可计算出其它线圈匝数占总匝数的百分比分别为： 16.5%、21.4

6、%、25%、26.8%,2、链式绕组 链式绕组的线圈具有相同的节距。就整个绕组外形来看，一环套一环，形如长链。链式线圈的节距恒为奇数。 主要用于每极每相槽数为偶数的小型四、六极小型感应电动机。 特点：线圈大小相等，绕组方便，采用短距时端部用铜较少。 例：三相六极36槽绘制链式绕组展开图。,用极间连线（红线）按相邻极下电流方向相反的原则将六个线圈反向串联，得A相绕组。,3、交叉式绕组 这种绕组主要用在q=奇数的小型四极、六极感应电动机中。如q为奇数，则一个相带内的槽数无法均分为二，必须出现一边多，一边少的情况。因而线圈的节距不会一样，此时采用交叉式绕组。 特点：采用不等距绕组，比同心式绕组的端部短，便于布置。 例：三相四极36槽定子，绘制交叉式绕组展开图：,*单双层绕组： 单双层绕组与单层绕组相比，具有双层绕组的特点，即有较好的气隙磁场波形、较好的启动性能以及较低的附加损耗等优点；与双层绕组相比，能提高短距绕组的基波绕组系数，可减少绕组的实际匝数，缩短绕组的实际节距 ，从而节约绕组用铜，降低铁耗、提高效率。 单双层绕组的缺点：线圈的节距不等，单双层绕组的匝数不同，制作复杂。 以q1=3，

7、p=1，y=8/9Z为例：,* Y 混合绕组： Y 混合绕组是把60相带的三相绕组分成两套三相绕组，这两套三相绕组空间位置相差30电角度，其中一套为接法，一套为Y接法。 Y 混合绕组的优点：提高电机的功率，改善功率因数，削弱谐波，改善转矩特性等；缺点：制作工艺的分散性，容易造成绕组内部环流，引起额外损耗。嵌线及接线比较复杂。,29,4.4 正弦磁场下交流绕组的感应电动势,导体的感应电动势 电动势的波形 正弦电动势的频率 导体电动势的有效值 整距线圈的电动势 短距线圈的电动势、节距因数 分布绕组的电动势、分布因数和绕组因数 相电动势和线电动势,30,在交流电机中有一个以ns转速旋转的旋转磁场，由于旋转的磁场切割定子绕组，所以在定子绕组中将产生感应电动势。 首先求出一根导体中的感应电动势，然后导出一个线圈的感应电动势，再讨论一个线圈组（极相组）的感应电动势，最后推出一相绕组的感应电动势计算公式。,31,1、导体的感应电动势 下图为一台两极同步发电机，转子是直流励磁形成的主磁极（简称主极）定子上放有一根导体，当转子由原动机拖动以后，形成一旋转磁场。定子导体切割该旋转磁场感应电动势。,32,电

8、动势的波形 设主极磁场在气隙内按正弦规律分布，则：,B1：磁场幅值 ：离开原点的电角度,因定子旋转的角频率为，当时间为t 时，转子转过，且=t，则导体感应电动势为：,由上式可见导体中感应电动势是随时间正弦变化的交流电动势。,设：,33,正弦电动势的频率 若p=1，电角度=机械角度，转子转一周感应电动势交变一次，于是导体中电动势交变的频率应为：,若电机为p对极，则转子每旋转一周，导体中感应电动势将交变p次，此时电动势频率为：,在我国工业用标准频率为50HZ，所以当：,34,一根导体电动势的有效值,:一个极下的平均磁密,：一极下磁通量,35,2、整距线圈的感应电动势,y1=时，则线圈的一根导体位于N极下最大磁密处时，另一根导体恰好处于S极下的最大磁密处。所以两导体感应电动势瞬时值总是大小相等，方向相反，设线圈匝数NC=1，则整距线圈的电动势为：,若线圈有NC匝，则：,36,3、短距线圈的电动势，节距因数 y1时，线圈的两个边中感应电动势不再是差1800， 而是相差,基波绕组 节距因数,37,若为NC匝，则：,表示线圈采用短距后感应电动势对比于整距时应打的折扣。,时，,可见采用短距线圈后对基

9、波电动势的大小稍有影响，但当主磁场中含有谐波时，它能有效地抑制谐波电动势，所以一般交流绕组大多采用短距绕组。,时，例如： 取 ，则,38,4、分布绕组的电动势、分布因数和绕组因数 每极下每相有一个线圈组，线圈组由q个线圈组成，且每个线圈互差电角度。 如q=3,39,kd1 -基波分布因数 q个线圈分布在不同槽内，使其合成电动势小于q个集中线圈的合成电动势，所以kd11。 分布因数kd1可理解为各线圈分布排列后感应电动势较集中排列时应打的折扣。,40,为q个线圈的总匝数。,Kw1是既考虑了短距、又考虑了分布后整个绕组合成电动势所打的折扣。,基波绕组因数,5、相电动势和线电动势 根据设计要求，将属于同一相的极相组串联或并联起来得一相的绕组，只要将每相串联总匝数代入极相组方程中便得一相绕组的电动势，设一相绕组串联总匝数为N=2pqNc(双层绕组)，则：,极相组的合成电动势为,41,4.5 感应电动势中的高次谐波,高次谐波电动势 谐波电动势 齿谐波电动势 相电动势和线电动势 谐波的危害 削弱谐波电动势的方法 采用短距绕组 采用分布绕组 改善主极磁场分布 采用斜槽,前面我们假定主机磁场在气隙内为正弦分布，实际上，磁极磁场并非完全按正弦规律分布，此时将磁场波进行谐波分析，可得基波和一系列高次谐波，相应的交流绕组中感应电动势除基波外还有一系列高次谐波电动势。 高次谐波电动势： 交流电机中气隙磁场分布一般呈平顶波如图所示，应用富氏级数可将其分解为基波和一系列谐波的合成。因主机磁场分布与磁极中心线相对称，故偶次谐波为零，所以磁场中仅存在奇次谐波（1，3，5），图中只画出（1，3，5次谐波），且次数越高，幅值越小。,谐波的磁场的性质为：,由于谐波旋转磁场也因转子旋转而形成旋转磁场，转速等于转子转速。,即谐波频率为基波频率的倍。,除基波磁场在绕组中感应电动势外，各次谐波也将在绕组中感应电动势

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