电机拖动与控制第4章

第4章交流电机的定子绕组、磁动势及感应电动势第4章交流电机的定子绕组、磁动势及感应电动势4.1交流电机的定子绕组4.2绕组的磁动势4.3绕组的感应电动势思考题与习题第4章交流电机的定子绕组、磁动势及感应电动势4.1交流电机的定子绕组4.1.11.三相交流绕组的基本要求（1）每相绕组的阻抗要求相等，即每相绕组的匝数、形状都是相同的。（2）在导体数目一定的情况下，力争获得较大的电动势和磁动势。（3）电动势和磁动势中的谐波分量应尽可能小，电动势和磁动势的波形力求接近正弦波。第4章交流电机的定子绕组、磁动势及感应电动势（4）对基波而言，三相电动势和磁动势必须对称。（5）端部连线尽可能短，以节省用铜量。（6）绝缘性能可靠，制造、维修方便。第4章交流电机的定子绕组、磁动势及感应电动势2.三相交流绕组的分类三相交流绕组按照槽内元件边的层数分为单层绕组和双层绕组。单层绕组按连接方式不同可分为等元件、链式、交叉式和同心式绕组等；双层绕组则分为双层叠绕组和双层波绕组。单层绕组与双层绕组相比，电气性能稍差，但槽利用率高，制造工时少，因此小容量电动机中(PN≤10kW)一般都采用单层绕组。第4章交流电机的定子绕组、磁动势及感应电动势3.为了便于分析三相绕组的排列和连接规律，必须先了解一些与交流绕组有关的基本量。1）电角度电机圆周的几何角度恒为360°，这称为机械角度。从电磁观点来看，若电动机的极对数为p，则每经过一对磁极，磁场就变化一周，相当于360°电角度。因此，电动机圆周按电角度计算为p×360°，即电角度＝p×机械角度（4.1.1）第4章交流电机的定子绕组、磁动势及感应电动势2）槽距角α相邻两个槽之间的电角度称为槽距角α。因为定子槽在定子内圆上是均匀分布的，所以若定子槽数为Z1，电动机极对数为p，则1360Zp（4.1.2）第4章交流电机的定子绕组、磁动势及感应电动势3）每极每相槽数q每一个极下每相所占有的槽数称为每极每相槽数q，若绕组相数为m1，则pmZq112（4.1.3）若q为整数，则称为整数槽绕组；若q为分数，则称为分数槽绕组。第4章交流电机的定子绕组、磁动势及感应电动势4）在感应电动机中，一般将每对磁极下的导体平均分给各相，每相绕组在每个极面下所连续占有的宽度(用电角度表示)称为相带。因为每个磁极占有的电角度是180°，所以对三相绕组而言，每相占有60°的电角度，称为60°相带。由于三相绕组在空间彼此要相距120°电角度，因而相带的划分沿定子内圆应依次为U1、W2、V1、U2、W１、V2，如图4.1.1所示。这样只要掌握了相带的划分和线圈的节距，就可以掌握绕组的排列规律。第4章交流电机的定子绕组、磁动势及感应电动势图4.1.160°相带三相绕组第4章交流电机的定子绕组、磁动势及感应电动势单层链式绕组是由形状、几何尺寸和节距都相同的线圈连接而成，就整体外形来看，形如长链故称为链式绕组。当2p＝2，q＝1是一种最简单的情况，定子铁心内圆上共有Z1＝2m1pq＝6个槽，每个相带中只有一个槽，其中Ul、U2的线圈边构成一相绕组，V1、V2和Wl、W2构成另外两相绕组。图4.1.2为绕组展开图。当2p＝4，q＝1时定子槽数Z1＝12，每对极下有6个槽，每对极下三相绕组的排列完全相同，相当于把图4.1.2的情况重复一次，这样每相绕组就有两个线圈，它们可以并联联接，也可以串联联接。图4.1.3是串联联接的情况。第4章交流电机的定子绕组、磁动势及感应电动势图4.1.2三相2极交流绕组展开图第4章交流电机的定子绕组、磁动势及感应电动势图4.1.3三相4极绕组展开图第4章交流电机的定子绕组、磁动势及感应电动势下面以Z1＝24，2p＝4的三相感应电动机定子绕组为例，来说明链式绕组的构成。[例4.1.1]设有一台极数2p＝4的电动机，定子槽数Z1＝24，三相单层链式绕组的电机，说明单层绕组的构成原理并绘出绕组展开图。解(1)计算极距τ、每极每相的槽数q和槽距角α:642421pZ第4章交流电机的定子绕组、磁动势及感应电动势223224211pmZq302436023601Zp2）分相。将槽依次编号，绕组采用60°相带，则每个相带包含两个槽，列表4.1.1中。第4章交流电机的定子绕组、磁动势及感应电动势表4.1.1相带槽号对应表相带槽号U1W2V1U2W1V2第一对极1，23，45，67，89，1011，12第二对极13，1415，1617，1819，2021，2223，24第4章交流电机的定子绕组、磁动势及感应电动势(3）构成一相绕组，绘出展开图。将属于U相的导体2和7，8和13，14和19，20和1相连，构成四个节距相等的线圈。当电动机中有旋转磁场时，槽内导体将切割磁力线而感应电动势，U相绕组的总电动势将是导体1、2、7、8、13、14、19、20的电动势之和(相量和)。四个线圈按“尾—尾”、“头—头”相连的原则构成U相绕组，其展开图如图4.1.4所示。采用这种连接方式的绕组称为链式绕组。第4章交流电机的定子绕组、磁动势及感应电动势图4.1.4单层链式U相绕组展开图第4章交流电机的定子绕组、磁动势及感应电动势用同样的方法，可以得到另外两相绕组的连接规律。V、W两相绕组的首端依次与U相首端相差120°和240°空间电角度。图4.1.5为三相单层链式绕组的展开图。链式绕组主要用于q＝2的4、6、8极小型三相异步电动机中，具有工艺简单、制造方便、线圈端部连线少、省铜等优点。第4章交流电机的定子绕组、磁动势及感应电动势图4.1.5三相单层链式绕组的展开图第4章交流电机的定子绕组、磁动势及感应电动势2.单层交叉式绕组交叉式绕组是由线圈个数和节距都不相等的两种线圈组构成的，同一线圈组中各线圈的形状、几何尺寸和节距均相等，各线圈组的端部都互相交叉。【例4.1.2】设一台交流电动机，极数2p＝4，定子槽数Z1＝36，说明三相单层交叉式绕组的构成原理并绘出展开图。解（1）计算极距τ、每极每相的槽数q和槽距角α：第4章交流电机的定子绕组、磁动势及感应电动势943621pZ323236211pmZq203636023601Zp第4章交流电机的定子绕组、磁动势及感应电动势（2）分相。将槽依次编号，绕组采用60°相带，则每极每相包含三个槽，相带与槽号的对应关系列于表4.1.2中。表4.1.2相带与槽号的对应关系（三相单层交叉式绕组）相带槽号U1W1V1U2W2V2第一对极1,2,34,5,67,8,910,11,1213,14,1516,17,18第二对极19,20,2122,23,2425,26,2728,29,3031,32,3334,35,36第4章交流电机的定子绕组、磁动势及感应电动势(3)构成一相绕组，绘出展开图根据U相绕组所占槽数不同，把U相所属的每个相带内的槽导体分成两部分2—10，3—11构成两个节距y1＝8的大线圈；1—30构成一个y1＝7的小线圈。同理，20—28，21—29构成两个大线圈，19—12构成一个小线圈，形成两对极下依次出现两大一小的交叉布置。根据电动势相加的原则，线圈之间的联接规律是：两个相邻的大线圈之间应按“头—尾”相联，大、小线圈之间应按“尾—尾”、“头—头”规律相联。展开图如图4.1.6。这种联接方式的绕组称为交叉式绕组。第4章交流电机的定子绕组、磁动势及感应电动势图4.1.6单层交叉式U相绕组展开图第4章交流电机的定子绕组、磁动势及感应电动势图4.1.7三相单层交叉式绕组展开图第4章交流电机的定子绕组、磁动势及感应电动势3.单层同心式绕组同心式绕组由几个几何尺寸和节距不等的线圈连成同心形状的线圈组所构成。【例4.1.3】设一台交流电动机，极数2p＝2，定子槽数Z1＝24，说明三相单层同心式绕组的构成原理并绘出展开图。解（1）计算极距τ、每极每相的槽数q和槽距角α：1222421pZ413224211pmZq152436013601Zp第4章交流电机的定子绕组、磁动势及感应电动势（2）分相。由q＝4和60°相带的划分顺序可得如表4.1.3所示的相带表4.1.3相带与槽号的对应关系（同心式绕组）相带U1W2V1U2W1V2槽号1,2,3,45,6,7,89,10,11,1213,14,15,1617,18,19,2021,22,23,24第4章交流电机的定子绕组、磁动势及感应电动势（3）构成一相绕组，绘出展开图。把U相的每一相带内的槽分成两半，3和14槽内的导体构成一个节距为11的大线圈，4和13槽内的导体构成一个节距为9的小线圈，把两个线圈串联组成一个同心式的线圈组，再把15和2、16和1槽内的导体构成另一个同心式线圈组。两个线圈组之间按“头接头、尾接尾”的反串联规律相连，得到U相同心式绕组展开图，如图4.1.8所示。第4章交流电机的定子绕组、磁动势及感应电动势图4.1.8同心式U相绕组的展开图第4章交流电机的定子绕组、磁动势及感应电动势同心式绕组端部连接线长，适用于q＝4、6、8等偶数的两极小型三相感应电动机。综上分析，单层绕组的线圈节距在不同形式的绕组中是不同的，但从电动势计算角度来看，每相绕组中的线圈电动势均是属于两个相差180°空间电角度的相带内线圈边电动势的相量和，因此它仍是整距绕组。单层绕组不宜用于大、中型电动机。第4章交流电机的定子绕组、磁动势及感应电动势4.1.3双层绕组每个槽内导体分作上、下两层，线圈的一个边在一个槽的上层，另一个边则在另一个槽的下层，因此总的线圈数等于槽数。双层绕组按线圈形状和端部连接的方式不同分为双层叠绕组和双层波绕组，这里仅介绍双层叠绕组。双层绕组相带的划分与单层绕组相同，现用一个具体例子说明双层叠绕组的构成。第4章交流电机的定子绕组、磁动势及感应电动势【例4.1.4】设一台交流电动机，极数2p＝4，定子槽数Z1＝24，试绘出三相双层叠绕组展开图。解（1）计算极距τ、每极每相的槽数q和槽距角α:642421pZ223224211pmZq30360236011ZZp第4章交流电机的定子绕组、磁动势及感应电动势（2）分相。由q＝2和60°相带的划分顺序可得如表4.1.4所示的相带与槽号的对应关系。表4.1.4相带与槽号的对应关系（三相叠绕组）相带槽号U1W2V1U2W1V2第一对极1，23，45，67，89，1011，12第二对极13，1415，1617，1819，2021，2223，24第4章交流电机的定子绕组、磁动势及感应电动势（3）构成一相绕组，绘出展开图。根据表4.1.4对上层线圈边的分相以及双层绕组的下线特点（一个线圈的有效边放在上层，另一个有效边放在下层）来放置线圈。如果1号线圈的一个有效边放在1号槽的上层，则另一有效边根据线圈节距y1的大小放置在7号槽的下层边；2号线圈的一个有效边在2号槽的上层，则另一有效边应在2+6＝8号槽的下层。一个极面下属于U相的1、2两个线圈串联构成一个线圈组，再将第二个极面下属于U相的7、8两个线圈串联构成第二个线圈组。按照同样的方法，另两个极面下属于U相的13、14和19、20线圈分别构成第三、第四个线圈组。如此直至每极面下都有一个属于U相的线圈组，因此双层绕组的线圈组数和磁极对数相等。最后，根据电动势相加的原则把4个线圈组串联起来，组成U相绕组，如图4.1.9所示。第4章交流电机的定子绕组、磁动势及感应电动势图4.1.9三相叠绕组U相绕组展开图第4章交流电机的定子绕组、磁动势及感应电动势其他两相绕组亦可按同样方法构成。图4.1.10是一个三相双层短距叠绕组的展开图。图4.1.10三相双层短距叠绕组展开图第4章交流电机的定子绕组、磁动势及感应电动势4.2绕组的磁动势4.2.1单相绕组的磁动势——1.图4.2.1（a）所示为一台两极感应电动机的示意图，定子上有一个整距线圈U1U2，线圈中通以电流I，在图示瞬间，电流由U2流入，从U1流出，电流I所建立的磁场的磁力线分布如图中虚线所示，为一两极磁场。