电机学 第二篇交流电机共同理论

第二篇交流电机的共同理论问题主要内容：第6章交流电机的电枢绕组及其电动势第7章交流绕组的磁动势退出下一页交流电机的共同问题包括：(1)三相交流绕组的结构(2)三相交流绕组产生的感应电势分析(3)三相交流绕组产生的磁势分析返回上一页下一页第6章交流电机的电枢绕组及其电动势6.1交流绕组的基本要求和分类6.2槽电动势星形图6.3三相单层绕组6.4三相双层绕组6.5正弦分布磁场下绕组的电动势6.6非正弦分布磁场下电动势中的高次谐波及其削弱方法下一页上一页返回退出交流绕组的基本要求和分类有关交流绕组的几个概念交流绕组排列及连线的原则单层绕组和双层绕组交流电机的电枢绕组的电动势内容提要下一页上一页返回6.1交流绕组的基本要求和分类6.1.1交流绕组的基本要求6.1.2绕组的分类下一页上一页返回退出6.1.1交流绕组的基本要求交流绕组尽管形式多样，但其基本功能相同，即感应电动势、导通电流和产生电磁转矩，所以其构成原则也基本相同。一般来说，对交流绕组的基本要求有:（1）在一定的导体数下，有合理的最大绕组合成电动势和磁动势。（2）各相的相电动势和相磁动势波形力求接近正弦波，即要求尽量减少它们的高次谐波分量。下一页上一页返回（3）对三相绕组，各相的电动势和磁动势要求对称（大小相等且相位上互差120°），并且三相阻抗也要求相等。（4）绕组用铜量少，绝缘性能和机械强度可靠，散热条件。（5）绕组的制造、安装和检修要方便。下一页上一页返回6.1.2绕组的分类:由于交流电机应用范围非常广，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。下一页上一页返回（2）按相数分，可分为单相、两相、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。下一页上一页返回6.2槽电动势星形图6.2.1极对数、电角度、极距和每极每相槽数6.2.2槽电动势星形图下一页上一页返回退出6.2.1极对数、电角度、极距和每极每相槽数认识交流绕组（与绕组有关的几个概念）★线圈（绕组元件）：是构成绕组的基本单元。绕组就是线圈按一定规律的排列和联结。线圈可以区分为多匝线圈和单匝线圈（图6-1，6-2）。与线圈相关的概念包括：有效边；端部；线圈节距等（看图6-3）相关概念的介绍:下一页上一页返回图6-1多匝线圈图6-2单匝线圈下一页上一页返回图6-3线圈的有效边；端部；线圈节距等下一页上一页返回★极距：沿定子铁心内圆每个磁极所占的范围用长度表示：下一页上一页返回pD2用槽数表示：（36槽4极电机的极距为多少槽？）★电角度：转子铁心的横截面是一个圆，其几何角度为360度。从电磁角度看，一对N,S极构成一个磁场周期，即1对极为360电角度;电机的机对数为p时，气隙圆周的角度数为p*360电角度。（看图6-4）下一页上一页返回pZ21图6-4电角度、机械角度下一页上一页返回★节距一个线圈两个有效边之间所跨过的槽数称为线圈的节距。用y表示。（看下图）yτ时，线圈称为短距线圈；y=τ时，线圈称为整距线圈；yτ时，线圈称为长距线圈。下一页上一页返回下一页上一页返回★单层绕组和双层绕组单层绕组：一个槽中只放一个元件边双层绕组：一个槽中放两个元件边下一页上一页返回★槽距角，相数，每极每相槽数一个槽所占的电角度数称为槽距角，用α表示：相数用表示每个极域内每相所占的槽数称为每极每相槽数，用表示。下一页上一页返回10360Zpam3mqpmZq216.2.2槽电动势星形图：槽电动势星形图：当把电枢上各槽内导体按正弦规律变化的电动势分别用相量表示时，这些相量构成一个辐射星形图，槽电动势星形图是分析交流绕组的有效方法，下面我们用具体例子来说明。下一页上一页返回例：下图是一台三相同步发电机的定子槽内导体沿电枢内圆周的分布情况，已知2p=4,电枢槽数Z=24,转子磁极逆时针方向旋转，试绘出槽电动势星形图。下一页上一页返回解：先计算槽距角：设转子磁极磁场的磁通密度沿电机气隙按正弦规律分布，则当电机转子逆时针旋转时，定子圆周上的导体切割磁力线，感应出电动势。由于各槽导体在空间电角度上彼此相差一个槽距角α，因此各槽导体感应电动势彼此之间存在着相位差，其大小等于槽距角α。下一页上一页返回下一页上一页返回下一页上一页返回从槽电动势星形图上我们可以看出：槽电动势星形图的一个圆周的距离使用电角度3600，即一对磁极的距离。所以，1—12号相量和13—24重合。一般来说,当用相量表示各槽的导体的感应电动势时,由于一对磁极下有Z/P个槽,因此一对磁极下的Z/P个槽电动势相量均匀分布在3600的范围内,构成一个电动势星形图.下一页上一页返回6.3三相单层绕组：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以下的小型交流异步电机中，很少在大、中型电机中采用。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链式、同心式和交叉式等型式。下一页上一页返回退出★构造方法和步骤：分极分相:将总槽数均匀分开（N,S极相邻分布）并标记假设的感应电势方向。；将每个极域的槽数按三相均匀分开。三相错开120电角度。下一页上一页返回连线圈和线圈组：（看图）将一对极域内属于同一相的某两个圈边连成一个线圈（共有q个线圈，为什么？）将一对极域内属于同一相的q个线圈连成一个线圈组（共有多少个线圈组？）以上连接应符合电势相加原则。下一页上一页返回下一页上一页返回连相绕组：将属于同一相的p个线圈组连成一相绕组，并标记首尾端。串联与并联。下一页上一页返回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:下一页上一页返回o△接法或者Y接法下一页上一页返回以上是等元件式整距叠绕组，同心式绕组、链式绕组、交叉链式绕组如下：下一页上一页返回下一页上一页返回下一页上一页返回6.4三相双层绕组★构造方法和步骤：（Z1=24,2p=4,整距,m=3)将总槽数均匀分开（N,S极相邻分布）并标记假设的感应电势方向；★分极分相:将每个极域的槽数按三相均匀分开。三相在空间错开120电角度。下一页上一页返回退出★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。将同一极域内属于同一相的某两个圈边连成一个线圈（共有q个线圈，为什么？）下一页上一页返回★连相绕组：将属于同一相的2p个线圈组连成一相绕组，并标记首尾端。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。下一页上一页返回双层叠绕组亦有△接法或者Y接法.双层叠绕组的主要优点在于：1）可以灵活地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。下一页上一页返回主要缺点在于：1）嵌线较困难，特别是一台电机的最后几个线圈；2）线圈组间连线较多，极数多时耗铜量较大。一般10KW以上的中、小型同步电机和异步电机及大型同步电机的定子绕组采用双层叠绕组。下一页上一页返回6.5正弦分布磁场下绕组的电动势6.5.1导体中的感应电势6.5.2线圈的电动势和短距系数6.5.3线圈组电动势和分布系数6.5.4相电动势和线电动势6.5.5感应电动势和绕组所链磁通的相位关系下一页上一页返回退出正弦分布磁场下绕组的电动势在交流电机中，一般要求电机绕组中的感应电动势随时间作正弦变化，这就要求电机气隙中磁场沿空间为正弦分布。要得到完全严格的正弦波磁场很难实现，但是可以采取各种方法使磁场尽可能接近正弦波。在国家标准中，常用波形正弦性畸变率来控制电动势波形的近似程度。本节首先研究在正弦分布磁场下定子绕组中感应出的电动势。下一页上一页返回交流同步电机的模型结构同步电机的模型结构如图所示：转子上有成对磁极，定子上有三相对称交流绕组。原动机带动转子旋转，形成旋转磁场，该磁场在气隙空间可以取基波（正弦）进行研究。下一页上一页返回基波磁场示意图下一页上一页返回6.5.1导体中的感应电势感应电势随时间变化的波形和磁感应强度在空间的分布波形相一致。下一页上一页返回感应电势的频率–磁场转过一对极，导体中的感应电势变化一个周期；–磁场旋转一周，转过（电机的极对数）对磁极；–转速为（r/min)的电机，每秒钟转过()对极；–导体中感应电势的频率=()Hz.–问题：四极电机，要使得导体中的感应电势为50Hz,转速应为多少？p下一页上一页返回nf60/pn60/pn感应电势的大小下一页上一页返回o感应电势的最大值：导体与磁场的相对速度：o磁感应强度峰值和平均值之间的关系：o感应电势最大值：感应电势的有效值：下一页上一页返回小结：绕组中均匀分布着许多导体，这些导体中的感应电势有效值，频率，波形均相同；但是他们的相位不相同。6.5.2线圈的电动势和短距系数：线圈一般由Nc匝构成，当Nc=1时，为单匝线圈。单匝时：y1=τ称为整距线圈。如图所示：由于整距线匝两有效边感应电动势的瞬时值大小相等而方向相反，故整距线匝的感应电动势为：下一页上一页返回下一页上一页返回其有效值为：而对于的短距线圈，其有效边的感应电动势相量相位差所以短距线匝的电动势为：y1τ下一页上一页返回其有效值为：其中ky1称为线圈的短距系数，其大小为:下一页上一页返回很明显，不管第一节距大于极距还是小于极距，短距系数总是小于1。由于线圈内的各匝电动势相同、大小相等，所以当线圈有Nc匝时，其整个线圈的电动势为：下一页上一页返回111144.4fkNENEyCtCy6.5.3线圈组电动势和分布系数：线圈在下线时，是以线圈组为单位的，每个极（双层绕组时）或每对极（单层绕组时）下有个线圈串联，组成一个线圈组，所以线圈组的电动势等于个串联线圈电动势的相量和。q下一页上一页返回q下一页上一页返回每对极下属于同一相的个线圈，构成一个线圈组。图中每个线圈的感应电势由两个圈边的感应电势矢量相加而成。整个线圈组的感应电势由所有属于该组的导体电势矢量相加。在该例中，该组的感应电势为三个线圈的感应电势矢量相加。矢量式对应于图1100-83q下一页上一页返回q下一页上一页返回由图可知，线圈组电动势的有效值为：式中：下一页上一页返回下一页上一页返回当时，，称为集中绕组。线圈组电动势的有效值为：式中称为绕组系数，它计及由于短距和分布引起线圈组电动势减小的程度。下一页上一页返回11111144.444.4fkqNfkkqNENCqyCq1q11qk111qyNkKk6.5.4相电动势和线电动势：我们知道在多极电机中每相绕组均由处于不同极下一系列线圈组构成，这些线圈组既可串联，也可并联。此时绕组的相电动势等于此相每一并联支路所串联的线圈组电动势之和。下一页上一页返回如果设每相绕组的串联匝数（即每一并联支路的总匝数）为N，每相并联支路数为a时，相电动势为：下一页上一页返回三相绕组由在空间错开120电角度对称分布的三个单相绕组构成，三相相电势在时间上相差120度。三相线电势与相电势的关系：三角形接法，线电势=相电势；星形接法，下一页上一页返回6.5.5感应电动势和绕组所链磁通的相位关系当绕组所链磁通最大时，绕组线圈感应电动势为0，故感应电动势滞后绕组所链磁通900。下一页上一页返回6.6.1磁极磁场非正弦分布所引起的谐波电动势6.6.2磁极磁场非正弦分布引起的谐波电动势的削弱方法6.6非正弦分布磁场下电动势中的高次谐波及其削弱方法下一页上一页返回退出一般在同步电机中，磁极磁场不可能为正弦波。比如在凸极同步电机中，磁极磁场沿电机电枢表面一般呈平顶波形，见图所示。应用傅立叶级数将其分解可得到基波和一系列奇次谐波，图中