04第4章-直流电机解析

第四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4.2三相双层绕组4.3正弦磁场下交流绕组的感应电动势4.4通有正弦交流电时单相绕组的磁动势4.5通有对称的三相电流时三相绕组的磁动势本章主要讨论交流绕组的连接规律，正弦磁场下交流绕组的感应电动势，通有正弦电流时单相绕组的磁动势，以及通有对称三相电流时三相绕组的磁动势。第四章交流绕组及其电动势和磁动势本章重点：1、掌握交流绕组感应电动势计算2、掌握交流绕组磁动势分析与计算方法3、着重掌握脉振和圆形旋转磁动势的性质、波形、幅值及相互关系交流绕组感应电动势计算第四章交流绕组及其电动势和磁动势一、交流电机的简单工作原理图示一台交流同步电机的示意图。定子内表面均布36个槽，每个槽内放置相同的导体（为简单起见，图中未画槽）。转子上有4个磁极（极对数p=2），磁极由原动机拖动以转速n逆时针旋转。将定子槽内的导体按照一定的规律连接起来构成三相交流绕组。第四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一、构成原则1.合成电动势和合成磁动势的波形要接近正弦形（基波、谐波），幅值要大。2.三相绕组对称（节距、匝数、线径相同、空间互差电角度）（即保证各相电动势磁动势对称，电阻电抗相同）3.铜耗减小，用铜量减少。4.绝缘可靠、机械强度高、散热条件好、制造方便.第四章交流绕组及其电动势和磁动势二、基本要求1、要获得正弦波电动势或磁动势，则根据e=blv,只要磁场B在空间按正弦规律分布，则它在交流绕组中感应的电动势就是随着时间按正弦规律变化。2、用槽电势星形图保证三相绕组基波电势、基波磁势对称。3、用600相带的绕组获得较大的基波电动势。第四章交流绕组及其电动势和磁动势三、交流绕组的分类(见图4-1)四、基本概念pZpD22或Zp0360按相数分为：单相、三相、多相按槽内层数分为：单层（同心式、链式、交叉式）、双层（叠绕组、波绕组）、单双层按每极每相槽数q分：整数槽、分数槽1.极距τ：2.线圈节距y：整距y=τ；短距yτ。3.槽距角α（电角度）：第四章交流绕组及其电动势和磁动势4.每极每相槽数q:pmZq25.电角度=p×360°=p×机械角度计量电磁关系的角度称为电角度（电气角度）。电机圆周在几何上占有角度为360°，称为机械角度。而从电磁方面看，一对磁极占有空间电角度为360°。一般而言，对于p对极电机，电角度=p×机械角度。6.并联支路数a第四章交流绕组及其电动势和磁动势7.相带：60度相带——将一个磁极分成m份，每份所占电角度120度相带——将一对磁极分成m份，每份所占电角度(见图4-2)8.极相组——将一个磁极下属于同一相（即一个相带）的q个线圈，按照一定方式串联成一组，称为极相组（又称为线圈组）。9.线圈组数=线圈个数/q第四章交流绕组及其电动势和磁动势4.2三相双层绕组一、特点：mqQ1⑴每个槽内放置上下两个线圈边⑵线圈个数等于槽数Q1（定子）⑶线圈组个数=Q1/q⑷每相线圈组数第四章交流绕组及其电动势和磁动势⑸每个线圈匝数为=每槽导体数/2CNCNaN每相总的串联匝数apqNC2⑹每个线圈组的匝数为*q⑺每相串联匝数N（即每极每条支路的匝数）第四章交流绕组及其电动势和磁动势4.3三相单层绕组一、特点：⑴每个槽内只有一个线圈边⑵线圈个数等于Q1/2⑶线圈组个数=Q1/2q⑷每相线圈组的个数=p（60°相带时）⑸每个线圈匝数Nc=每槽导体数⑹每个线圈组的匝数qNc⑺每相串联匝数N=每相总的串联匝数/a=pqNc/a=定子总导体数/2ma（即每条支路的匝数）第四章交流绕组及其电动势和磁动势步骤1:绘制槽电势星形图槽距电角=200,槽电势星形图如上图（注意：不是槽星形图，而是槽电势星形图）步骤2:分相、构成线圈每极每相槽数=36/4/3=3；每相在每个极下所占有的槽数。步骤3:极相组划分（按上层边划分）第四章交流绕组及其电动势和磁动势步骤4:极距=36/4=9；一个极在定子圆周上所跨的距离，用槽数计。节距y1=7τ,短距;一个线圈的两边在定子圆周上所跨的距离，用槽数计。交流绕组中，通常5次和7次谐波对电势、磁势波形影响比较大，为此选择双层短距绕组，节距。这里y1=7说明线圈的一个边放在m槽上层，另一边放在m+y1槽的下层。第四章交流绕组及其电动势和磁动势步骤5:确定并联支路数。（一般双层绕组每相最大并联支路数等于极数）.本例a=2步骤6:展开图第四章交流绕组及其电动势和磁动势第四章交流绕组及其电动势和磁动势•总结：•步骤1:绘制槽电势星形图•步骤2:分相、构成线圈•步骤3:极距=36/4=9•步骤4:极相组划分（按上层边划分）•步骤5:确定并联支路数。•步骤6:展开图第四章交流绕组及其电动势和磁动势二、优点：•⑴可采用短距，改善电动势、磁动势的波形•⑵线圈尺寸相同，便于绕制•⑶端部排列整齐，利于散热机械强度高•三、分类•⑴叠绕组——相邻两个串联绕组中，后一个绕组叠加在前一个线圈上•⑵波绕组——两个相连接的线圈成波浪式前进第四章交流绕组及其电动势和磁动势4.3正弦磁场下交流绕组的感应电动势一、一根导体的电动势1.电动势频率：2.电动势波形：由e=BLV可知，由气隙磁密沿气隙分布的波形决定；3.基波电动势大小：式中：为每个磁极基波电动势的大小。第四章交流绕组及其电动势和磁动势二、线匝电动势及短矩系数（见图4-4），短矩系数：三、线圈电动势•设线圈为Nc匝数，则有：y0190sinyky11144.4ytkfE11144.4ycykfNE第四章交流绕组及其电动势和磁动势四、线圈组电动势及分布系数q个线圈组成，集中绕组：分布绕组：分布系数：绕组系数：11144.4ycqkfqNE111)1(144.4qycqqkkfqNE2sin2sin1qqkq111qywkkK第四章交流绕组及其电动势和磁动势五、相电动势和线电动势设一相绕组的串联匝数为N（即一条支路的串联匝数）则一相的感应电动势对于单层绕组，因为每相有p个线圈组所以每相串联匝数对于双层绕组，因为每相有2p个线圈组所以每相串联匝数式中:a为并联支路数11144.4fkEapqNNapqnN2第四章交流绕组及其电动势和磁动势若已知定子槽数为，每槽导体数为Z，则电机总导体数为，电机总匝数为每相全部线圈串联匝数为，每相支路串联匝数N=线电动势星接时角接时若已知定子槽数为，每槽导体数为Z，则电机总导体数为，电机总匝数为每相全部线圈串联匝数为，每相支路串联匝数N=线电动势星接时角接时1Q1ZQZQm1211121ZQZQma1211LE1E31LE1E第四章交流绕组及其电动势和磁动势4.5感应电动势中的高次谐波因为磁场波形相对于磁极中心线左右对称，所以谐波磁场中无偶次谐波（见图4-5），故γ=3，5，7，9，11……一、高次谐波电动势谐波电动势⑴谐波磁场的极对数：pγ=γpp——激波磁场的极对数⑵谐波磁场的极距：τγ=τ/γτ——激波磁场的极距⑶谐波磁场的槽距角：dγ=γd第四章交流绕组及其电动势和磁动势⑷谐波磁场的转速：nr=ns主磁极的转速（同步转速）⑸谐波感应电动势的频率：fv=pv*nv/60=vpns/60=vf1⑹谐波感应电动势的节距因数kpv⑺谐波感应电动势的分布因数kdv⑻谐波感应电动势的绕组因数kwv=kpvkdv⑼谐波电动势（相值）EΦv=4.44fυNRwrΦr第四章交流绕组及其电动势和磁动势2、齿谐波电动势⑴齿谐波——谐波次数v与一对极下的齿数Q1/p具有特定关系的谐波即v=Q1/p±1=2mq±1的谐波⑵齿谐波的特点kWV（V=2mq±1）=kW13、谐波的相电动势和线电动势EΦ=ELEL中三次及3的倍数次谐波。因为3k次谐波电动势同相位、幅值相同，所以星接时线电动势为零角接时产生环流，环流产生的压降恰好被抵消。第四章交流绕组及其电动势和磁动势4.谐波的弊害⑴使电动势波形变坏，发电机本身能耗增加，η↑，从而影响用电设备的运行性能•⑵干扰临近的通讯线路第四章交流绕组及其电动势和磁动势二、消除谐波电动势的方法因为EΦv=4.44fυNRwvΦv所以通过减小KWr或Φr可降低EΦr1.采用短距绕组2.采用分布绕组，降低。3.改善主磁场分布4.斜曹或斜极第四章交流绕组及其电动势和磁动势以p=1为例，每相共有pq=1个线圈，线圈为整距。三相绕组沿定子圆周的空间分布以及其展开图如图所示。线圈AX构成A相绕组，BY构成B相绕组，CZ构成C相绕组。当AX通如电流i后，将产生一个2极磁场，磁力线的分布如图中虚线所示。设线圈匝数为Nc，由安培环路定律可知，每根磁力线所构成的磁通闭合回路的磁动势均为iNc。假若略去铁心磁阻，该磁动势消耗在两个气隙中，每个气隙中消耗的磁动势为iNc/2。于是得到如图所示的磁动势沿气隙圆周的空间分布波形。磁动势波形的意义是：曲线上某点的磁动势表示表示气隙圆周该点的磁位。4.5通有正弦交流电时单相绕组的磁动势一、整距集中绕组的磁动势第四章交流绕组及其电动势和磁动势4.6通有正弦交流电时单相绕组的磁动势一、整距集中绕组的磁动势设气隙均匀，通以正弦交流电流，Nc匝，则每个气隙上的磁动势为：tIisin2iNiHdlctFtNIiNfcmcccsinsin2221第四章交流绕组及其电动势和磁动势结论：①波形：矩形波；②脉动(脉振)磁动势：空间位置固定、幅值大小和方向随时间而变化的磁动势。脉振磁动势的幅值的最大值称为振幅。③分解：(见图4-6）其中：用电角度表示的空间距离。④基波磁动势的幅值：xtFxtFxtFtxfcmcmcmccossin3cossincossin),(31xININFcccm9.02241第四章交流绕组及其电动势和磁动势⑤ν次谐波磁势的幅值：⑥基波磁动势的性质：按正弦规律变化的脉动磁动势。二、分布绕组的磁势1.整距分布绕组的磁势（q个）2.双层短矩分布绕组的基波磁动势INFccm9.011111)(9.0qcqcmqmkIqNkqFFIkqNIkkqNkkIqNkFFwcyqcyqcyqmmq11111111)2(9.0)2(9.0)9.0(22第四章交流绕组及其电动势和磁动势以p=1、q=3为例，每相共有pq=3个线圈，线圈为整距。三相绕组沿圆周的空间分布如图所示。其中A1X1、A2X2、A3X3串联成一个线圈组，构成A相绕组。由于三个线圈的匝数一样，流过电流相同，因此三个线圈产生的矩形波磁动势的幅值完全相同，波形一样。将三个矩形波叠加起来，使得到分布绕组磁动势波形—梯形波（如图所示）。该磁动势亦为脉振磁动势。将坐标原点取在线圈组的中心上，对梯形波进行傅立叶分解，同样可得基波和奇次谐波。单层分布绕组相绕组磁动势表达式为：一、整距分布绕组的磁势第四章交流绕组及其电动势和磁动势第四章交流绕组及其电动势和磁动势三、单相绕组的磁动势相电流为Iφ、每相串联匝数N、绕组并联支路数a、则单相磁动势为：IpNkFwm119.0xtIpNkxtFtxfwmcossin9.0cossin),(111第四章交流绕组及其电动势和磁动势单相脉动磁动势的分解xtFtxfmcossin),(11)sin(21)sin(2111xtFxtFmm),()(1),()(1txtxff结论：两个磁动势的性质：①圆形旋转磁动势；②幅值为单相磁动势幅值的一半；③转速：fxtdx2min)/(60)/(221rpfsrpfpfn第四章交流绕组及其电动势和磁动势4.7通有对称的三相电流时三相绕组的磁动势1.圆形旋转磁动势①数学法分解后相加的三相合成磁动势为：xtFfmAcossin11)120cos()120sin(11xtFfmB)120cos()120sin(11xtFfmC)sin(2311xt