第5章--交流电机的绕组和电动势

电机学清华大学出版社国家“十一五”规划教材主编：孙旭东上页下页目录第5章交流电机的绕组和电动势第一章12第二章3第三章4第四章5第五章上页下页目录第5章交流电机的绕组和电动势5.1交流电机的基本工作原理，对交流绕组的基本要求上页下页目录交流电机的种类绕线转子异步电机同步电机异步电机凸极同步电机笼型异步电机隐极同步电机可以作为发电机，也可以作为电动机。上页下页目录交流电机同步电机和异步电机运行原理不同。但是两者在定子结构、定子绕组以及绕组感应电动势和绕组产生磁动势等方面有很多共同的地方，将这些作为共同问题来一起进行研究。上页下页目录同步电机的基本工作原理原动机拖动转子旋转。励磁绕组中通入直流电。导体切割磁感应线，产生感应电动势。导体A定子气隙NS转子n1磁感应线励磁绕组上页下页目录同步电机的基本工作原理导体感应电动势lvbe与导体所在处的气隙磁通密度、长度和相对运动速度有关。导体A定子气隙NS转子n1磁感应线励磁绕组上页下页目录同步电机的基本工作原理感应电动势的方向用右手定则判断；图中所示时刻电动势的方向为出纸面。导体A定子气隙NS转子n1磁感应线励磁绕组上页下页目录同步电机的基本工作原理•转子转过一周，定子导体感应电动势正负交变一个周期。•带上负载则可以输出电能。导体A定子气隙NS转子n1磁感应线励磁绕组上页下页目录同步电机的基本工作原理转速n1的单位为r/min。对于p对极的电机而言，转子每转过一周，定子导体感应电动势正负交变p个周期。导体A定子气隙NS转子pSN601pnf上页下页目录同步电机的基本工作原理同步电动机的基本原理定子通电形成旋转磁场，等效为旋转的磁极。导体A定子气隙NS转子n1励磁绕组n1NS上页下页目录同步电机的基本工作原理极对数p一定时，定子导体感应电动势的频率f与转子转速n1有严格的关系，称为同步关系。转子转速n1称为同步转速。这种电机称为同步电机。601pnf上页下页目录异步电机的工作原理笼型异步电机定子气隙1nNSAfBnf转子上页下页目录异步电机的工作原理转子转速n是否会等于定子磁场的转速n1？•不会，否则无法感应电动势，不会有电流，不会产生转矩。•因为转子转速n与定子磁场转速n1之间没有严格的同步关系，所以称为异步电机。上页下页目录交流绕组由交流电机的工作原理可见，交流绕组是电机进行能量转换的关键部件。产生感应电动势；产生磁动势。上页下页目录对交流绕组的要求导体数一定情况下，能产生较大的基波电动势和磁动势；三相绕组感应电动势对称；三相绕组阻抗相等；电动势和磁动势的波形尽可能接近正弦；较好的散热，一定的绝缘强度；工艺简单、维护方便。上页下页目录交流绕组的电动势和磁动势研究交流绕组的感应电动势和产生磁动势的问题。同步电机、异步电机都存在这些共同问题。先研究绕组和电动势问题，以同步发电机为对象。上页下页目录交流绕组的电动势交流电机的绕组是由放置在铁心槽中的导体通过一定的方式联结而成的。导体线匝线圈线圈组相绕组由简单到复杂上页下页目录交流绕组的构成上页下页目录交流绕组的电动势绕组联结的原则尽量充分利用导体（产生的感应电动势尽可能大）。电动势质量好。波形接近正弦三相对称节省材料。上页下页目录5.2三相单层集中整距绕组及其电动势导体感应电动势eblv与导体所在处的气隙磁通密度b、导体长度l和相对运动速度v有关。对于确定的电机而言，长度和转速都是确定的，所以着重分析气隙磁通密度。上页下页目录导体感应电动势为方便进行数学描述，建立直角坐标系在转子表面；原点、横坐标、纵坐标。规定物理量的参考方向气隙磁通由转子进入定子方向为正，相应的磁通密度也为正；电动势以出纸面方向为正。上页下页目录导体感应电动势励磁磁动势Ff＝NfIf产生气隙磁场，用气隙磁通密度b表示。上页下页目录导体感应电动势气隙磁通密度的空间分布为平顶波。谐波分析应用叠加定理；由磁通密度波形的特点，可知傅里叶级数分解后，只含有奇数次的正弦项。上页下页目录导体感应电动势气隙磁通密度可以表示为531bbbb5sin3sinsinm5m3m1BBBb分别研究各次磁通密度的作用，再综合。可以看成是导体以角速度向着与转子转向相反的方向运动，12π60np上页下页目录导体的基波感应电动势t＝0时，t时刻，11msinbBtt111msineblvBlvt1m1sin2sinEtEt110,0,0be211mEE为基波感应电动势的有效值。lvBEmm11为导体A基波感应电动势的最大值。上页下页目录导体的基波感应电动势习惯上采用每极磁通量来计算电动势1122.2fΦE11mp2πΦBl11m12EBlv11pπ26060nnvDp1为气隙基波每极磁通量；p为极距。上页下页目录导体的基波感应电动势te02A112sineEt+jA1E上页下页目录电角度与机械角度导体A定子气隙NS转子pSN转子转过一对极，定子感应电动势就交变一次，即经过360。上页下页目录电角度与机械角度在电机学中，将一对极在空间上占据的机械角度定义为360，称为空间电角度，用表示。原来的空间一周对应的360，称为空间机械角度，用表示。p上页下页目录结论空间上正弦分布的磁通密度波，通过转子旋转产生了时间上正弦变化的电动势。转子在一段时间内转过的空间电角度和电动势在时间上经过的角度相等，即转子在空间上转过多少电角度，电动势就在时间上经过了多少电角度。上页下页目录导体的基波感应电动势与导体A相距一个角度的导体B的感应电动势t时刻，11m0sin()bBt0tB1102sin()eEteB1与eA1的有效值相同，但相位不同。A112sineEt上页下页目录导体的基波感应电动势A112sineEtB1102sin()eEt+jA1EB1E0te020eA1eB1上页下页目录结论导体B与导体A在空间上相差电角度，它们的感应电动势在时间上也相差电角度。顺着转子转动的方向看，空间上超前，则感应电动势在时间上滞后。上页下页目录导体的谐波感应电动势同理也可以得到5次、7次等各次谐波电动势33msin3bB333m3sin32sin3eblvBlvtEt33322.2fΦE上页下页目录整距线匝的感应电动势铁心端部1y首端末端线匝1y--节距上页下页目录整距线匝的感应电动势要使线匝的感应电动势最大，应选节距等于一个极距的两根导体联结成线匝。节距等于一个极距，称为整距。1πy节距可以不等于一个极距，可以形成短距或者长距。1π,y长距1π,y短距上页下页目录整距线匝的感应电动势整距线匝的基波感应电动势有效值为T114.44EfΦ上页下页目录整距线圈的感应电动势多个同样的线匝构成线圈。整距线圈就是多匝的整距线匝，各线匝之间相互绝缘。线圈的匝数为Nk（即Nk个线匝串联）。K1KT1K14.44ENEfNΦ整距线圈的基波感应电动势有效值为上页下页目录三相单层集中整距绕组沿着转子转动的方向看，空间上超前，则感应电动势在时间上滞后。定子气隙NS转子AXBCYZ三相对称的交流电动势•三相有效值相同；•A相电动势超前B相120电角度，B相超前C相120电角度。上页下页目录三相单层集中整距绕组铁心端部AXBYCZNSπ上页下页目录三相单层集中整距绕组三相绕组可以联结成星形或者三角形AXBYCZAEBECEABEAXBYCZAEBECEABEAE＝上页下页目录三相单层集中整距绕组AXBYCZA3EB3EC3EAB3EA332sin3eEtB333A32sin3(120)2sin3eEtEte星形联结时，线电动势中不含有3次或3的倍数次谐波电动势。AB30e3次谐波电动势上页下页目录三相单层集中整距绕组A3B3C332sin3eeeEt三角形联结时，线电动势中不含有3次或3的倍数次谐波电动势，但有循环电流，产生损耗。3333333ZEZEIAB3A3330UEZIAXBYCZA3EB3EC3EAB3U上页下页目录三相单层集中整距绕组三相单层集中整距绕组，非常简单。绕组集中，发热集中，散热困难。铁心表面有很多空间没有利用，不经济。电动势的波形不好。上页下页目录5.3三相单层分布绕组及其电动势为充分利用空间，沿圆周均布多根导体。•电动势尽可能大•三相对称以p＝2，定子上均匀分布24槽为例进行说明。（定子槽数Q＝24）上页下页目录三相单层分布绕组电动势星形相量图槽距角——相邻两个槽之间相距的空间电角度。36023603024pQ上页下页目录三相单层分布绕组分相相带——每极下每相占有的区域。60相带每极每相槽数qm为相数2422232Qqmp上页下页目录三相单层分布绕组绕组展开图上页下页目录三相单层分布绕组绕组展开图相绕组的联结（并联支路数）。最大并联支路数a＝p。根据分相的结果对线圈边进行联结，形成线圈组。每一对极下形成一个线圈组，共p个线圈组。上页下页目录三相单层分布绕组整距分布线圈组电动势的计算K11EK12EK13EK11EK12EK13Eq1E上页下页目录三相单层分布绕组整距分布线圈组电动势的计算d1sin2sin2qkqq1K1K1d1sin2sin2qEqEqEkqkd1称为基波分布因数。K11EK12EK13Eq1E上页下页目录三相单层分布绕组q1Kd114.44EfqNkΦ在线圈集中在一起时的电动势基础上乘上基波分布因数kd1。也可看成线圈仍集中在一起，但有效匝数减小为qNkkd1。d1sin2sin2qkqdsin2sin2qkq对于次谐波，上页下页目录三相单层分布绕组整距分布相绕组电动势的计算每相每支路串联匝数q1Kd114.44EfqNkΦ线圈组1Kd111d1114.444.44EfqNkpΦafNkΦK1pqNNa相绕组K1K14.44EfNΦ线圈基波上页下页目录三相单层分布绕组谐波电动势qKd4.44EfqNkΦ线圈组Kd1d14.444.44EfqNkpΦafNkΦ相绕组上页下页目录三相单层分布绕组的特点线圈数（槽数Q的一半）最大并联支路数（极对数p）每相每支路串联匝数上页下页目录三相单层分布绕组优点有效利用铁心表面空间；可以削弱绕组的谐波电动势；每个槽内只有一个线圈边，嵌线方便；便于散热。10kW以下的三相异步电动机采用。缺点单层分布绕组不能任意短距，无法利用短距进一步削弱谐波电动势，改善电动势的波形。上页下页目录5.4三相双层分布短距绕组及其电动势为了进一步削弱谐波电动势，使电动势波形接近正弦。采用双层分布短距绕组，利用短距来进一步改善电动势波形。上页下页目录三相双层分布短距绕组双层绕组是在每个槽中放置两个线圈边，线圈的一个边在一个槽的上层，另一边则在另外一个槽的下层。各线圈的构成相同。节距不受限制，可取为需要的值。上页下页目录三相双层分布短距绕组双层叠绕组上页下页目录短距线圈的感应电动势线圈节距y1＝yy为短距比，是线圈节距与极距之比。上页下页目录短距线圈的感应电动势基波感应电动势为基波节距因数。K1Kp114.44EfNkΦp1πsin2ky首端末端K1eA1eX1e+jA1EX1EK1E1πyyAXb01nπ2π1bNSAX上页下页目录短距线圈的感应电动势短距时，基波短距因数kp1总小于1，所以短距使线圈的基波电动势减小，在整距线圈电动势的基础上乘上kp1。也可以理解为线圈仍为整距，但是其匝数不是Nk，而是Nkkp1。p