第4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本章研究三相交流绕组的构成和连接规律，交流绕组的感应电动势和磁动势，即交流电机理论中的共同问题，亦是研究感应电机和同步电机原理的基础。交流电机的基本工作原理第一节交流绕组的构成原则和分类第二节三相双层绕组第四节正弦磁场下交流绕组的感应电动势第五节感应电动势中的高次谐波第六节通有正弦电流时单相绕组的磁动势第七节通有对称三相电流时三相绕组的磁动势交流电机的基本工作原理一、同步电机的基本工作原理lvbe601pnfn1，转子转速。p，转子极对数。感应电动势频率：v，导体与磁密的相对线速度，单位m/s。L，导体的轴向长度，单位m。bδ，导体所在处磁通密度，单位T。导体中感应电动势：pfn601同步转速最简单的同步发电机模型BACXYZ1nNS1nfINS定子定子绕组转子二、异步电机（感应电机）的基本工作原理1nn电动机运行时：pfn601旋转磁场转速n1i，导体中感应电流，单位A。L，导体的轴向长度，单位m。bδ，导体所在处磁通密度，单位T。libf导体受电磁力作用：转子转速n?1nn最简单的鼠笼型异步电动机模型BACYXZ1nnn1ABNS定子三相对称绕组通三相对称正弦电流，在气隙中产生正弦分布的旋转磁场，旋转磁场切割转子绕组导体，在闭合的转子绕组导体中产生感应电流，处于磁场中的转子导体将受到电磁力的作用。第一节交流绕组的构成原则和分类主要介绍交流绕组的构成原则和绕组的分类一、交流绕组的分类单层有同心式绕组、链式绕组和交叉式绕组双层有叠绕组和波绕组4、绕法分：3、每极下每相槽数分：整数槽绕组和分数槽绕组2、层数分：单层、双层和单双层混合1、相数分：单相和多相4、绝缘要可靠，机械强度、散热条件要好，制造要方便。3、绕组的铜耗要小，用铜量要省。2、对三相绕组，各相的电动势和磁动势要对称，电阻、电抗要平衡。1、合成电动势和合成磁动势的波形要接近于正弦波，数量上以求获得较大的基波电动势和基波磁动势。二、交流绕组的构成原则第二节三相双层绕组三相绕组的材料利用率比单相绕组好，三相电机的运行性能亦比单相电机好，采用三相制还可以节约输电线路的材料，所以现代动力用中、大型电机大多做成三相电机。本节主要介绍电机槽内导体感应电动势的特点和由此产生的三相双层绕组的结构。交流绕组的线圈节距：pQy21QSQS21双层绕组线圈数等于槽数，即，单层绕组。,pQy21,pQy21短距绕组。长距绕组。，，整距绕组。021,pQy1y双层绕组，线圈的一条边放在某一槽的上层，另一条边放在相隔一个线圈节距的另一槽的下层。3、端部形状排列整齐，有利于散热和增强机械强度。2、所有线圈具有同样的尺寸，便于制造。1、可以选择最有利的节距，同时采用分布绕组，改善电动势和磁动势波形。双层绕组的优点：机座定子绕组定子铁心一、槽电动势星形图和相带划分由于一个上层导体和一个下层导体对应一个槽，所以用槽号表示槽内导体，相应的槽内导体电动势相量称为槽相量，一个线圈上下层两个边相距一个节距且反串联，则上层槽相量也用于表示线圈相量。一台三相四极36槽的电机定子来说明槽内导体的感应电动势和属于各相的导体是如何分布的：1、槽电动势星形图凸极式同步电机NNSSn1918192736ABCoooQp20363602360一对极相当于3600电角度，4极电机一周7200，沿定子表面有Q个槽相邻两槽间电角度（槽距角）α：334362pmQq每极每相槽数q：每个磁极下每一相绕组所占有的槽121934567891011121314151617182021222324252627282930313233343536ABCXYZ把每个极下每相槽所占的区域称为相带。1）60O相带绕组2、相带划分60O相带绕组以A相为例，在每个极下A相应有q个槽，整个定子中A相应有2pq个槽。为使合成电动势最大，在第一个N极下选取相邻的q个槽作为A相带，q个槽中上层边所在的相邻线圈串联，构成每极每相线圈组（简称极相组），合成电动势最大。相隔1800在第一S个极下选取相邻的q个槽作为X相带，q个相邻线圈串联构成极相组。两极相组电动势相反，反串联后串联感应电动最大。相应的在相隔3600和5400的第二对极下得到两个极相组，最后把四个极相组按照一定的规律连接起来，即可得到A相绕组。121934567891011121314151617182021222324252627282930313233343536ABCXYZN1（N2）S1（S2）把每个极下每相槽所占的区域称为相带。1）60O相带绕组2、相带划分60O相带绕组同样的规律，在与A相相距1200和2400处开始选取B相和C相极相组。每个绕组的每个相带各占600电角度，称为600相带绕组。通常的三相绕组都是600相带绕组.121934567891011121314151617182021222324252627282930313233343536ABCXYZN1（N2）S1（S2）3212060::EE60O相带绕组与120O相带绕组合成电动势比：2）120O相带绕组120O相带绕组121934567891011121314151617182021222324252627282930313233343536ABC在一对极下连续取2q个相邻槽作为相带，构成的绕组称为1200相带绕组。二、叠绕组三相四极36槽的双层绕组，为例。81y3,9q画展开图时，上层线圈边用实线表示，下层线圈边用虚线表示，线圈端接线上方的号为线圈号，线圈号和线圈上层边所在的槽同号。与上层边相连的出线端称为首端，与下层边相连的出线端称为尾端。叠绕组：相邻的两个线圈中，后一个线圈紧叠在前一个线圈上。83610291,.....,NSNS1A1X2A2X1357911131517192123252729313335101112192021282930123AXn1a叠绕组每极每相线圈串联时，应把极相组A和极相组X反向串联。连接规律：AX1211101X2120192A3029282X3211Aeeee一条串联支路时的联结用途：一般为多匝，用于一般电压、额定电流不太大的中小型同步电机和感应电机的定子绕组中每台电机的最后几个线圈的嵌线较困难，极间连线较长，在极数较多时相当费铜。缺点：短距时端部可以节约部分用铜。优点：3211A1211101X2120192A3029282XAX2a3211A1211101X2120192A3029282XAX4a每相的极相组数等于极数，所以双层叠绕组最多并联支路数等于2p，2p是实际支路数a的整数倍。两条串联支路时的联结四条串联支路时的联结三、波绕组2a两组绕组并联：1a两组绕组串联整数槽绕组:22mqpQy波绕组：1y叠绕组：合成节距y：相串联的两个线圈其对应线圈边之间的距离连接规律：把所有同一极性下属于同一相的线圈按波浪形依次串联起来，组成一组；再把所有另一极性下属于同一相的线圈按波浪形依次串联起来，组成另一组；最后把两大组线圈根据需要串联或并联，构成一相绕组。绕组特点：线圈为单匝线圈，两个相连接的线圈成波浪形前进。1S1N2S2Ny1y1y对于3相4极36槽，y1=8的波绕组，。18pQy波绕组用途：多极、支路导线截面较大的交流电机（水轮发电机），整数槽波绕组在绕线电机转子中应用较多三相双层绕组A相绕组的展开图S2N1S1N22A1A1X2X2829301231011121920212830323436246810121416182022242621191202213AA21102811291230XX极下21NN,极下21SS,AX小结双层绕组的优点是，可以同时利用短距和分布的办法来改善感应电动势和磁动势的波形，使电机得到较好的电磁性能。双层绕组主要用于中、大型电机。双层绕组中又有叠绕组和波绕组两类，两者的连接规律虽然不同，但有效材料的利用情况却基本相同。构成一个三相绕组，大体上要经过以下几步：①确定每板每相槽数q；②划分相带；③把每极下同一相带内的线圈串联起来组成一个极相组；④把属于A相的所有极相组连接起来，组成A相绕组；③同理组成B相和C相绕组。简单绕经可用表格法来划分相带，较复杂的绕组可用电动势星形图来划分。为得到尽可能大的基波电动势和磁动势，三相绕组一般采用600相带；为使三相对称，划分相带时应使B相和C相的槽号分别滞后于A相1200和2400电角度。不同极性下的极相组互相串联时要反向连接，以免电动势互相抵消。第三节正弦磁场下交流绕组的感应电动势本节介绍电机槽内导体的感应电动势，整距线圈的感应电动势，短距线圈的感应电动势和节距因数，分布绕组的电动势和分布因数、绕组因数，由极相组构成的每相绕组电动势以及线电动势。节距因数、分布因数、绕组因数，以及每相绕组电动势、线电动势是本章重点。一、导体的感应电动势lvBE1121导体感应电动势有效值。tElvtBblvesinsin1112时间t时，α=ωt，感应电动势：设t=0时导体在极间，转子角频率为ω。sin1Bb转子表面距原点α处的气隙磁密：设主磁场在气隙内为正弦分布，坐标取在转子上，原点位于极间，α为距离原点的电角度。1、感应电动势波形气隙磁场正弦分布时导体内的感应电动势t0360018001e1eb1Bv定子NnNS1e2、正弦电动势的频率211lvBEpD2fpDpnDnv2260260而为极距。3、导体电动势的有效值中国：；美国、日本：HzfN50HzfN60电机为一对极：；电机为p对极：60nf60pnf111122lBlBlBav每极磁通：10121BtdtBBavsin一极下平均磁密：lfBflBE111222从而有：11122222ffE.从而有：1eb1Bv定子Nb二、整距线圈的电动势若线圈有NC匝：1114442CCCfNENE.'有效值：''''11112EEEEC单匝线圈电动势：1y整距线圈：N'1E''1ES1y1CEsn'1''1''1E'1E''1EO1801CE整距匝电动势NSn'1''1''1整距短距端部匝电动势N'1E''1ES1y1y1CEsn合适的短距能有效地抑制线圈谐波电动势。opyk9011sin线圈节距因数：111444pCCkfNE.若线圈有NC匝：11111144490221802pooCfkyEEE.sincos''一匝线圈电动势有效值：'''''1011110EEEEEC一匝线圈电动势：短距：对应节距：pQy21ooy1801801三、短距线圈的电动势，节距因数NSn'1''1''1整距短距端部1CE''1E'1E''1E单匝线圈短距时感应电动势相量求和21800四、分布绕组的电动势、分布因数和绕组因数一个极相组由q个嵌放在相邻槽内的线圈串联组成，它们在切割磁力线时相位依次相差α角，。每极每相绕组的合成电动势应为q个线圈的电动势相量的相量和。qo601qE60O相带双层定子绕组60O相带绕组121934567891011121314151617182021222324252627282