电机学第六章课件

电机学Exit第1页第六章交流电机绕组及其感应电动势•第一节旋转电机的基本作用原理•第二节交流绕组•第三节绕组的感应电势•第四节谐波电动势及其削弱方法电机学Exit第2页第一节旋转电机的基本作用原理旋转电机的结构转子定子空气隙铁芯：构成磁的通路绕组：构成电的通路•励磁绕组：通产生磁场的电流•电枢绕组：通传递能量的电流旋转电机工作时，磁场与电枢绕组之间有相对运动，可以在电枢绕组内感应出电动势，同时，电枢电流与气隙磁场相互作用又会产生电磁转矩。由此实现机电能量转换。电机学Exit第3页一、同步电机的基本作用原理结构模型定子：嵌有三相对称绕组（匝数相同，空间位置互差120º）。转子：装有励磁绕组，通上直流电后可以产生恒定磁场，该磁场在气隙中按正弦规律分布。工作原理：原动机带动转子以恒定转速旋转，气隙中的磁场也随转子恒速旋转，相当于绕组反向切割磁力线，绕组中会有感应电动势产生（发电）。电机学Exit第4页正在嵌入线圈的定子正在安装转子的同步发电机定子铁芯电机学Exit第5页感应电动势波形：正弦波三相绕组感应电动势之间的相位关系：互差120º。注意时空量的对应关系，在转子恒速的情况下：气隙磁场在空间上按正弦规律分布→绕组感应电动势随时间按正弦规律变化三相绕组在空间上互差120º→三相绕组的感应电动势在时间相位上互差120º电机学Exit第6页若将三相绕组的x、y、z三个端点接在一起作为中性点，a、b、c三个端点接三相对称负载，则三相绕组内有三相对称电流流过，三相电流与励磁磁场相互作用产生电磁转矩。在发电机运行状态下，该转矩与原动机输入的转距及转子的转向相反，为保持转子的转速不变，原动机必须不断地输入机械转矩，即不断输入机械能。电机学Exit第7页二、异步电机的基本作用原理异步机定子结构与同步机相同，转子绕组是一个闭合绕组。定子三相对称绕组通入三相对称交流电时，会在空间产生一个旋转磁场，该磁场的转速称为同步速。由于旋转磁场与转子之间有相对运动，该磁场会在转子绕组内感应电势。由于转子绕组是一个闭合绕组，有电流流通，转子的感应电流与气隙旋转磁场相互作用产生电磁转矩，电动机状态下，该转矩将驱动转子旋转。如果电机轴上带有机械负载，则电机将带动负载旋转，输出机械能。电机学Exit第8页电机学Exit第9页电机学Exit第10页第二节交流绕组交流绕组的基本要求1、三相基波电动势和磁动势要对称，即大小相等，相位互差120º（电角度）。2、力求获得较大的基波电动势和磁动势，波形要接近正弦波，尽量减少或消除谐波分量。3、提高导线的利用率，提高制造的工艺性（绝缘可靠、机械强度高、散热条件好、制造方便）。交流绕组：同步电机的电枢绕组和异步电机的定、转子绕组电机学Exit第11页电机学Exit第12页电角度：几何上定义一个圆周为360º机械角度电机理论中，导体每转过一对磁极，电势变化一个周期，定义一对磁极距对应的角度为360º电角度。p对磁极的电机，一个圆周对应p个周期，也就是p×360º电角度。电角度=p×机械角度一、有关术语电机学Exit第13页相带：每个极面下每相绕组占有的范围，单位为电角度。60º相带：将一个磁极所占范围等分给3相，每相占60º电角度（六分之一周期）。120º相带：将一对磁极所占范围等分给3相，每相占120º电角度（三分之一周期）。p=2p=1电机学Exit第14页每极每相槽数：pmZq2Zp0360槽距角（电角度）：pD2极距τ弧长表示：槽数表示：pZ2q=1：集中绕组；q≠1：分布绕组。q为整数：整数槽绕组；q为分数：分数槽绕组。电机学Exit第15页电机学Exit第16页元件（线圈）节距y：线圈两圈边之间的距离，一般用槽数表示。y=τ为整距，yτ为长距，yτ为短距。电机学Exit第17页电机学Exit第18页槽导体电势星形图：各槽导体电势组成的相量图。例：Z=24，p=2，m=3的电机，q=2，α=30º，相邻两槽导体电势相差30º，槽导体电势星形图如右图所示。电机学Exit第19页二、三相单层绕组特点：每槽只有一个线圈边。线圈数等于二分之一槽数；通常是整距绕组优点：嵌线方便；无层间绝缘；槽利用率高缺点：电势、磁势波形比双层绕组差。一般用于小型（10kW以下）交流电机电机学Exit第20页•交流绕组的构成原则▪1.均匀原则•每个极面下的槽数（线圈数）要相等，各相绕组在每个极面下所占的槽数应相等–每极槽数用极距τ表示–每极每相槽数pmZq2pZ2电机学Exit第21页•2.对称原则▪三相绕组的结构完全一样，在电机圆周空间互相错开120º电角度。▪如槽距角为α，则相邻两相错开的槽数为120º/α。•3.电势相加原则▪线圈两个圈边的感应电势应该相加；线圈与线圈之间的连接也应符合这一原则。▪如线圈的一个边在N极下，另一个应在S极下。电机学Exit第22页展开图绘制方法例：槽数为24槽的3相4极电机整距单层绕组每极每相槽数：2322242pmZq3024360236000Zp槽距角：采用60º相带。电机学Exit第23页•1.分极分相▪将总槽数按给定的极数均匀分开（N、S极相邻分布），并标记假设的感应电势方向；▪将每个极面下的槽数按三相均匀分开。三相在空间错开120º电角度。电机学Exit第24页•2.连线圈和线圈组▪将一对极面下属于同一相的某两个圈边连成一个线圈（共有q个线圈）；▪将一对极面下属于同一相的q个线圈连成一个线圈组（每相p个线圈组）。▪以上连接应符合电势相加原则电机学Exit第25页电机学Exit第26页•3.连相绕组▪将属于同一相的p个线圈组连成一相绕组，并标记首末端；▪串联或并联，符合电势相加原则。串联电机学Exit第27页并联电机学Exit第28页•4.连三相绕组▪按照同样的方法构造其他两相；▪将三个构造好的单相绕组连成完整的三相绕组。△接法或者Y接法电机学Exit第29页电机学Exit第30页•单层绕组分类▪1.等元件绕组（即前面构造的绕组）•特点：所有线圈都是整距▪2.链式绕组特点：所有线圈都是短距优点：端接部分较短，可以节省铜线适用于q=2，p1的小型交流电机电机学Exit第31页电机学Exit第32页适用于q=3的小型异步电机，依次二大一小交叉布置为交叉式绕组3.交叉式绕组电机学Exit第33页适用于q较大的场合。一大一小组成一个同心式线圈组4、同心式绕组电机学Exit第34页注意：虽然三相单层绕组有不同的绕组型式，但是各种绕组的电磁性质是一样的，因为属于某相的导体并没有改变，这些导体的电动势和电流方向也都没有改变。由于所有绕组都是由相差180º电角度相带内的导体组成的，所以从每相电势的角度来看，单层绕组都是整距绕组。电机学Exit第35页二、三相双层绕组特点：每槽有两个线圈边，分上下层放置。两个线圈边一个在一个槽的上层，一个在另一个槽的下层。线圈数等于槽数一般用于10kW以上电机电机学Exit第36页展开图绘制方法例：槽数为24槽的3相4极电机整距双层绕组每极每相槽数：2322242pmZq3024360236000Zp槽距角：采用60º相带。电机学Exit第37页•1.分极分相▪将总槽数按给定的极数均匀分开（N、S极相邻分布），并标记假设的感应电势方向；▪将每个极面下的槽数按三相均匀分开。三相在空间错开120º电角度。电机学Exit第38页•2.连线圈和线圈组▪根据给定的线圈节距连线圈（上层边与下层边合一个线圈）；▪以上层边所在槽号标记线圈编号；▪将同一极面下属于同一相的某两个圈边连成一个线圈（共有q个线圈）；▪将同一极面下属于同一相的q个线圈连成一个线圈组（每相2p个线圈组）。▪以上连接应符合电势相加原则电机学Exit第39页电机学Exit第40页•3.连相绕组▪将属于同一相的2p个线圈组连成一相绕组，并标记首末端；▪串联或并联，符合电势相加原则。电机学Exit第41页按照以上规律联接，每相有8个线圈，可组成4个线圈组，它们之间可以并联、串联或串并联。联接方式不同，每相并联支路数a不同，对应的每相电势和每相电流也不同。电机学Exit第42页a=1：相电势=4*线圈组电势相电流=线圈电流a=2：相电势=2*线圈组电势相电流=2*线圈电流a=4：相电势=线圈组电势相电流=4*线圈电流电机学Exit第43页•4.连三相绕组▪按照同样的方法构造其他两相；▪将三个构造好的单相绕组连成完整的三相绕组。△接法或者Y接法短距和整距整距：一个槽中上、下层圈边属同一相短距：某些槽中上、下层圈边可能不属于同一相。上、下层间有较大电位差，应加强层间绝缘优点：即可以节省铜线又可以削弱谐波。电机学Exit第44页短距：yτ。用短距角β表示短距程度。上层导体电势与下层导体电势相位差180-β电角度电机学Exit第45页注意：各相槽号分配不变，部分线圈的下层边在属于其他相的槽内。优点：即可以节省铜线又可以削弱谐波。电机学Exit第46页第三节绕组的感应电势•分析顺序：▪线圈电势▪线圈组电势▪相绕组电势•1．单层绕组•2．双层绕组电机学Exit第47页•旋转电机中的几个速度变量▪机械转速nr/minn/60r/s▪机械角速度Ω=2πn/60▪频率f=pn/60▪电角速度ω=2πf=2πpn/60=pΩ▪线速度v=2πrn/60=2pτn/60电机学Exit第48页一、线圈电势设气隙磁场按正弦规律分布，则每极总磁通1220sinmmmmBSBSBSBl感应电动势频率60pnf电势决定于磁场的大小与分布，及磁场与线圈间的相对运动气隙磁场每转过一对磁极，线圈中的电势便经历一个周期。电势的频率用每秒转过的磁极对数表示。电机学Exit第49页电机学Exit第50页设线圈匝数为Nc，感应电势的瞬时值为有效值即为Nc匝整距线圈电动势cosmt方法1：电机学Exit第51页方法2：更易用的推导方式，即用左手定则表达式：磁场为在空间正弦分布的波形，但从线圈边这个位置点看出去，经过其上的磁场强度随时间变化关系记录下来就是一个通常意义上的时间相量——随时间按正弦规律变化的波形。注意：这个简单的关系是旋转电机时空联系的基础。电机学Exit第52页对整距绕组来说，一个元件的两个线圈边感应电势正好反相，这样整个元件感应电势为：如此，可得到单个线圈边感应电势为：电机学Exit第53页Nc匝短距线圈电动势对短距绕组来说，一个元件的两个线圈边感应电势相差π-βmcaccfNENE2cos44.42cos2电机学Exit第54页电机学Exit第55页定义节距因数2cos44.42cos44.4)()(mcmcycycpfNfNEEK很显然，Kp1，即短距线圈的电动势比整距线圈的电动势有所减小。如果认为整距绕组的短距角β=0，则线圈的电动势可表示为：mpccKfNE44.4电机学Exit第56页三、线圈组的电动势2sin2qREq分布绕组q个线圈合成电势单个线圈电势2sin2REc电机学Exit第57页电机学Exit第58页定义分布因数2sin2sinqqqEEKcqd线圈组感应电势有效值mpdccdqKKfqNqEKE44.4mNcKfqN44.4很显然，Kd1，即分布绕组线圈组q个线圈电动势的相量和比集中绕组线圈组q个线圈电动势的相量和略小。绕组因数KN=KdKp，反映分布和短距对电势的影响电机学Exit第59页四、相绕组的电动势N为每相绕组总的串联匝数apqNNC1.单层绕组p对极的电机，每相有p个线圈组，可以串联、并联或混合连接。如有a条并联支路，则每相电势为mNmNcqfNKKapqNfEapE44.444.42.双层绕组apqNNC2电机学Exit第60页电机学Exit第61页mNfNKE