第二篇交流电机的共同问题

第二篇交流电机的共同问题——第六章交流电机绕组及其感应电动势——第七章交流绕组的磁动势——第八章电机的发热和冷却第六章交流电机绕组及其感应电动势旋转电机结构上的共同点：定子，转子，绕组三个主要部分。一般由励磁绕组产生磁场，电枢绕组上实现机-电能量的转换。励磁绕组和电枢绕组可以在定子上也可以在转子上，之间有气隙隔开。电枢绕组与磁场的相对运动，同时产生感应电势，感应电势电流和磁场相互作用产生电磁转矩。§6-1旋转电机的基本作用原理电机的可逆性一台旋转电机从理论上，既可作发电机也可作电动机。发电机状态：当电磁转矩与电机转速的方向相反，或者说电机的旋转依赖于外部机械转矩输入时，则此时电机工作在发电机状态；电动机状态：当电磁转矩与转速同向，或者说电机输出电磁转矩，则电机工作于电动机状态。从电功率侧来看，向电网输出电功率为发电机，吸收电网功率为电动机。从磁场的角度看：直流电机的磁场在空间上是固定的；(三相)交流电机的磁场是旋转的，以定子圆周为参考，转速由电网频率和电机的磁极数确定，称为同步转速，通常用n1表示。产生圆形旋转磁场NSABCXZY同步电机（机械旋转磁场）异步电机（电气旋转磁场）特点：1、三相电枢（定子）在空间按120°对称布置。2、转子转速和旋转磁场转速相同(同步)。3、三相感应电势互差120°电角。一、同步电机转子转动产生电磁转矩中受力带电转子导体在磁场流转子导体闭合有感应电动势产生感应电切割转子导体产生旋转磁场的电流三相对称称分布的定子导体通入以电动机为例：三相对二、异步电机1、三相空间对称定子绕组（按极对数），转子为三相短路绕组。2、当三相空间对称绕组通以三相对称电流时，产生旋转磁场，切割转子绕组，转子导体中产生感应电流，与磁场相互作用，形成电磁转矩。3、设磁场转速为n1（同步转速），转子转速为n，则转子绕组中产生感应电流的必要条件是n1-n≠0，才有磁场对导体的切割。以转差率S=(n1-n)／n1表示。4、转子转速与同步转速不同，异步电机基本概念：按一定规律排列和连接的线圈的总称.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要求磁势和电势三相对称，电阻、电抗要平衡；③电力系统都有统一的标准频率，我国规定工业标准频率为50Hz；④在一定的导体数下，获得较大的基波电势和基波磁势。⑤绕组的铜耗要小，用铜量要省；⑥绝缘要可靠，机械强度、散热条件要好，制造要方便。§6-2交流绕组交流电机绕组主要是同步电机电枢绕组和异步电机励磁绕组，部置在定子槽中。如以三相交流绕组为例，绕组构成的原则是：：对称：每相绕组在定子空间占位对称；均匀：各相间在定子空间错位为120°电角度；保证各相的电动势和磁动势要对称，电阻、电抗要平衡；电势相加：线圈两个圈边的感应电势应该相加，如线圈的一个边在N极下，另一个应在S极下。交流绕组的构成原则元件（线圈）绕组的相关术语术语1：电角度几何上，把一圆周所对应的角度定义为360°机械角度。在电机中，磁场每转过一对磁极，电势变化一个周期，称为（一个周期）360°电角度。一对磁极所对应的角度定义为360°电角度。磁极对数为p时，圆周机械角度为360°，则电角度为=p*360°术语2：相带为了三相绕组对称，在每个极面下每相绕组应占有相等的范围——相带。每个极对应于180°电角度，如电机有m相，则每个相带占有电角度。三相电机m＝3，其相带为60°，按60°相带排列的绕组称为60°相带绕组。m180术语3：每极每相槽数qq1——分布绕组整数槽绕组——q为整数分数槽绕组——q为分数pmZq2每个极面下每相占有的槽数。已知总槽数Z、极对数p和相数m为，则术语4：槽距角已知总槽数Z、极对数p相邻两槽之间的电角度Zp360术语5：极距τ相邻两磁极对应位置两点之间圆周距离。弧长表示：基波磁场每极对应槽数表示：pD2p2Z术语6：节距y(跨距)表示元件的宽度。元件放在槽内，其宽度可用元件两边所跨越的槽数表示。长距。短距；整距；yyy分析工具：槽导体电势星形图相距360度电角度，导体电势时间上同相位把电枢上各槽内导体按正弦规律变化的电势分别用矢量表示，构成一辐射星形图第一对极第二对极一、三相单层绕组单层——每槽中只放置一层元件边，元件数等于槽数的一半，无需层间绝缘，结构和嵌线较简单单层绕组只适用于10kW以下的小型异步电动机，其极对数通常是p＝l,2,3,4单层绕组通常有链式、交叉式和同心式等三种不同排列方式.——单层绕组的构造方法和步骤（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。将每极的槽数按三相均匀分开，空间错开120电角度。等元件组（2）连线圈和线圈组（符合电势相加原则）：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？）（3）连相绕组（串联与并联，电势相加原则）：将属于同一相的p个线圈组连成一相绕组，并标记首尾端。（4）连三相绕组（△接法或者Y接法）：将三个构造好的单相绕组连成完整的三相绕组。每槽电相角00030243602360ZP例：设定子槽数Z=24，2P=4，三相(m=3)交流电机定子绕组。解：按照对称原则每相所占槽数为)(8324槽mZ)(232224Pm2Zq槽每极每相槽数为)(6424P2Zτ槽极距（每极槽数）1,23,45,67,89,1011,1213,1415,1617,1819,2021,2223,24极对相带ac’ba’cb’第一极对1，23，45，67，89，1011，12第二极对13，1415，1617，1819，2021，2223，24N极下的电流方向一致，S极下的电流方向一致，azbxcyazbxcyINIτ2178INIτ13141920ax20图：单层绕组排列步骤2，连线圈，线圈组以a相为例，a相的一个极绕组为1-7-2-8占去4槽，若为整距，y=τ，则另一极绕组只能形成同极性磁极∴相距Z／P=24／2=12槽，为13-19-14-20。a相完成。一个线圈组：两个线圈共有P个线圈组cIcIcIcIcIcI2cI21a2acqcqIpEaIapEEIP说明：属于a相8个槽，即l、2、7、8、13、14、19、20.根据槽导体电势星形图，按电势相加原则构成元件，每个元件都是整距，y=τ=6槽，即每元件的跨距为6个槽，同为单层，每相每对极可以连接成一个元件组。2对极，每相2个元件组，1—7—2—8，13一19一14—20。元件组之间可串联或并联形成不同并联支路数.单层绕组每相有p个元件组，如串联方式连接，则并联支路a＝1，相电势E=pEq，相电流I＝Ic。每相功率P＝EI＝pEqIc。根据相间120°电角差可安排b相绕组的槽位置为5-11-6-12和17-23-18-24；c相绕组的槽位置为9-15-10-16和21-3-22-4。完成三相绕组布置。链式绕组适用于q=2，p＞1的小型异步电机。例如m＝3，p＝2，Z=24，q＝2，α=30°1、三相单层链式绕组65y合理改变每相8个线圈边的连接法，可得到链式、交叉式、同心式三种不同绕组.127813141920NISIτNISIτax278141320119a相：2-7-13-8-14-19-20-1b相：6-11-17-12-18-23-5-24c相：10-15-21-16-22-3-9-4链式绕组的每个元件都是短距。从相电势和磁势角度看——具有整距性质2、交叉式绕组交叉式绕组适用于q＝3的小型异步电机。例如：m＝3，p=2，q＝3，则定子槽数Z=2pmq=2*2*3*3＝36，槽距角α=p*360/Z=20°属于a相的元件有1、2、3、10、ll、12、19、20、21、28、29、30共12个元件边y=8y=712310111219两个大圈一个小圈2—10，3—11相连，是节距为8的（大）线圈12—19相连，节距为7的（小）线圈20—28，21—29相连，节距为8的大线圈30—1相连，节距为7的小线圈。依次二大一小交叉布置为交叉式绕组，交叉式绕组可看成链式绕组中的q=3，无法均分为两半，只能一边为1，另一边为2，节距也不同。b相和c相的连接规律与a相完全一样，α=20°，相间相差6个槽。如第2槽为a相首端，则b相首端是第8槽，c相首端是第14槽。属于a相的有8个元件边，把1与12相连构成一个大线圈，2与11相连构成一个小线圈。这一大一小组成一个同心式线圈组。13与24相连，14与23相连组成另一同心式线圈组。然后把两个线圈组反向串联，以保证电势相加.相带极对ac’ba’cb’第一对极23,24,1,23,4,5,67,8,9,1011,12,13,1415,16,17,1819,20,21,223、同心式绕组对于p＝l的小型三相异步电动机和单相异步电动机，每极每槽数q较大，采用同心式绕组嵌线.例如：m＝3，p=1，q＝4。则定子槽数Z=2mpq＝2*3*l*4＝24，槽距角α＝15°111213142324ax大圈在外，小圈在内在外形上有多种绕组型式：元件节距可以整距、短矩或长短，合理选用绕组型式，可以节省铜线，简化工艺。分析相电势：采用槽电势星形图。绕组型式不同只不过是元件构成方式不同、导体连接先后次序不同，而构成绕组的导体所占的槽号是相同的，都在属两个相差180°电角度的相带内，三相单层绕组的节距因数均为1，具有整距绕组性质。优点：绕组因数中只有分布因数，基波绕组因数较高，无层间绝缘，槽利用率高。缺点：对削弱高次谐波不利，无法改善电势波形和磁势波形，漏电抗较大。使用：一般用于10kW以下小功率电机。（功率较大或对波形要求较高的电机，通常采用双层绕组。）三相单层绕组小结由于有效边可以重叠，故节距选择可有整距y=Z／2P，短(长)距y=(Z／2P)±ε，且ε可以为小数，为电机的结构设计和改造带来方便。二、三相双层绕组（叠绕组）双层——每槽中有两个元件边，分为上下两层放置。靠近槽口的为上层，靠近槽底部为下层。双绕组一般为等元件绕组，每个元件均有一个边放在上层，一个边放在另一槽的下层，相隔距离取决于节距。线圈数=槽数，每相元件数即为槽数的三分之一。——构造方法和步骤（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；将每个极域的槽数按三相均匀分开。空间错开120电角度。（2）连线圈和线圈组（电势相加原则）：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。将同一极域内属于同一相的q个线圈连成一个线圈组。（3）连相绕组：将属于同一相的2p个线圈组连成一相绕组，并标记首尾端。串联或并联。按照同样的方法构造其他两相。（4）连三相绕组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接法极对相带ac’ba’cb’第一极对1，23，45，67，89，1011，12第二极对13，1415，1617，1819，2021，2223，24例：Z=24，2p=4，m=3，则每极每相槽数q＝2，槽距角α＝30°，分别用整距和短距布置绕组。整矩绕组：跨距y＝τ＝6，每个元件的上层边与下层边相距6个槽。例如第l槽的上层边应与第7槽的下层边接成一个元件。同理2-8’，3-9’，4-10’，...相连，共计有24个元件。“’”为下元件边，用虚线表示，整距a相8个元件分成4个元件组，各元件组的连接规律为l-7‘-2-8’，7-13‘-8-14’，13-19‘-14-20’，19-1‘-20-2’，分别用I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表示。整距绕组当磁场切割绕组时，该四个元件组的电势大小相等，I、Ⅲ组电势时间上同相，Ⅱ、IV组电势与I、Ⅲ组电势反相。各元件组可以串联、并联、或一半串联后再并联。相绕组可以有不同