04第4章 直流电机

1、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交流绕组的构成原则和分类 4.2三相双层绕组三相双层绕组 4.3正弦磁场下交流绕组的感应电动势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，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。以及通有对称三相电流

2、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、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、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性质、波形、幅值及相互关系交流绕组 感应电动势计算感应电动势计算 第四章 交流绕组及其电动势和磁动势 一、交流电机的简单一、交流电机的简单 工作原理工作原理 图示一台交流同步电图示一台交流同步电 机的示意图。定子内机的示意图。定子内 表面均布表面均布36个槽，每个槽，每 个槽内放置相同的导个槽内放

3、置相同的导 体（为简单起见，图体（为简单起见，图 中未画槽）。转子上中未画槽）。转子上 有有4个磁极（极对数个磁极（极对数 p=2），磁极由原动机），磁极由原动机 拖动以转速拖动以转速n逆时针旋逆时针旋 转。将定子槽内的导转。将定子槽内的导 体按照一定的规律连体按照一定的规律连 接起来构成三相交流接起来构成三相交流 绕组。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交流绕组的构成原则和分类 一、构成原则一、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。（基波、谐波），幅值要大。 2.三相绕

4、组对称（节距、匝数、线径相同、空间三相绕组对称（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，互差电角度）（即保证各相电动势磁动势对称， 电阻电抗相同）电阻电抗相同） 3.铜耗减小，用铜量减少。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、基本要求二、基本要求 1、要获得正弦波电动势或磁动势，则根据、要获得正弦波电动势或磁动势，则根据e=blv, 只要磁只要磁 场场B在空间按正弦规律分布，则它在交流绕组中感应的电在空间按正弦规律分布，则它在交流绕组中感应的电 动

5、势就是随着时间按正弦规律变化。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。、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、用600相带的绕组获得较大的基波电动势。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、交流绕组的分类三、交流绕组的分类(见图见图4-1) 四、基本概念四、基本概念 p Z p D 22 或 Z p 0 360 按相数分为：单相、三相、多相按相数分为：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

6、双层（叠绕组、波绕组）、单双层 按每极每相槽数按每极每相槽数q分：整数槽、分数槽分：整数槽、分数槽 1.极距极距： 2.线圈节距线圈节距y： 整距整距y=； 短距短距y。 3.槽距角槽距角（电角度）：（电角度）： 第四章 交流绕组及其电动势和磁动势 4.每极每相槽数每极每相槽数q: pm Z q 2 5. 电角度电角度=p360=p机械角度机械角度 计量电磁关系的角度称为电角度（电气角度）。电机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圆周在几何上占有角度为360，称为机械角度。而，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从电磁方面看，一对磁极占有空

7、间电角度为360。 一般而言，对于一般而言，对于p对极电机，电角度对极电机，电角度=p机械角度。机械角度。 6.并联支路数并联支路数a 第四章 交流绕组及其电动势和磁动势 7.相带：相带：60度相带度相带将一个磁极分成将一个磁极分成m份，份， 每份所占电角度每份所占电角度 120度相带度相带将一对磁极分成将一对磁极分成m份，份， 每份所占电角度每份所占电角度(见图见图4-2) 8.极相组极相组将一个磁极下属于同一相（即一将一个磁极下属于同一相（即一 个相带）的个相带）的q个线圈，按照一定方式串联成个线圈，按照一定方式串联成 一组，称为极相组（又称为线圈组）。一组，称为极相组（又称为线圈组）。

8、9.线圈组数线圈组数 = 线圈个数线圈个数/ q 第四章 交流绕组及其电动势和磁动势 4.2 三相双层绕组三相双层绕组 一、特点： mq Q1 每个槽内放置上下两个线圈边每个槽内放置上下两个线圈边 线圈个数等于槽数线圈个数等于槽数Q1（定子）（定子） 线圈组个数线圈组个数 = Q1/q 每相线圈组数每相线圈组数 第四章 交流绕组及其电动势和磁动势 每个线圈匝数为每个线圈匝数为 =每槽导体数每槽导体数/2C N C N a N 每相总的串联匝数 a pqNC2 每个线圈组的匝数为每个线圈组的匝数为 *q 每相串联匝数每相串联匝数N（即每极每条支路的匝数）（即每极每条支路的匝数） 第四章 交流绕组

9、及其电动势和磁动势 4.3三相单层绕组 一、特点：一、特点： 每个槽内只有一个线圈边 线圈个数等于Q1/2 线圈组个数= Q1/2q 每相线圈组的个数= p （60相带时） 每个线圈匝数Nc=每槽导体数 每个线圈组的匝数qNc 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。 步骤步骤3: 极相组划

10、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=7,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：

11、步骤步骤1: 绘制槽电势星形图 步骤步骤2: 分相、构成线圈 步骤步骤3: 极距=36/4=9 步骤步骤4: 极相组划分（按上层边划分） 步骤步骤5: 确定并联支路数。 步骤步骤6: 展开图 第四章 交流绕组及其电动势和磁动势 二、优点二、优点： 可采用短距，改善电动势、磁动势的波形 线圈尺寸相同，便于绕制 端部排列整齐，利于散热机械强度高 三、分类 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 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

12、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： y 0 1 90sin y k y 111 44. 4 yt kfE 1 11 44. 4 ycy kfNE 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： 111 44. 4 ycq kfqNE 111)1(1 44. 4 qycqq kkfqNE 2 sin 2

13、sin 1 q q kq 111qyw kkK 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 111 44.4 fkE a pqN N a pqn N2 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

14、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 1 Q 1 ZQ ZQ m 1 2 11 1 2 1 ZQ ZQ ma 1 2 1 1L E 1 E 3 1 L E 1 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=3，5，7， 9，11 一、高次谐波电动势 谐波电动势 谐波磁场的极对数：p =p p激波磁场的极对数 谐波磁场的极距： =/ 激波磁场的极距 谐波磁场的槽距角：d =d 第四章 交流绕组及其电动势和磁动

15、势 谐波磁场的转速：nr = ns主磁极的转速 （同步转速） 谐波感应电动势的频率：fv= pv* nv/60 = vp ns/60=vf1 谐波感应电动势的节距因数kpv 谐波感应电动势的分布因数kdv 谐波感应电动势的绕组因数kwv= kpv kdv 谐波电动势（相值） Ev = 4.44 fNRwrr 第四章 交流绕组及其电动势和磁动势 2、齿谐波电动势 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/p1=2mq1的谐波 齿谐波的特点 kWV（V=2mq1）= kW1 3、谐波的相电动势和线电动势 E = EL EL中三次及3的倍数次谐波。因为3k次谐波电

16、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 使电动势波形变坏，发电机本身能耗增加， ，从而影响用电设备的运行性能 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Ev=4.44fNRwvv所以通过减小KWr 或r可降低Er 1.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 以以p=1为例，每相共有为例，每相共有pq=1个线圈，线圈个线圈，线圈 为整距。三相绕组沿定子圆周的空间分布为整距。三相绕

17、组沿定子圆周的空间分布 以及其展开图如图所示。线圈以及其展开图如图所示。线圈AX构成构成A相相 绕组，绕组，BY构成构成B相绕组，相绕组，CZ构成构成C相绕组。相绕组。 当当AX通如电流通如电流i后，将产生一个后，将产生一个2极磁场，极磁场， 磁力线的分布如图中虚线所示。设线圈匝磁力线的分布如图中虚线所示。设线圈匝 数为数为Nc，由安培环路定律可知，每根磁力，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个气隙中，每个气隙中消耗的

18、磁动势为 iNc/2。于是得到如图所示的磁动势沿气。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。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

19、的磁动势为： tIisin2 iNiHdl c tFtNIiNf cmccc sinsin 2 2 2 1 第四章 交流绕组及其电动势和磁动势 结论：波形：矩形波； 脉动(脉振脉振)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。 分解：(见图4-6） 其中： 用电角度表示的空间距离。 基波磁动势的幅值： xtFxtFxtFtxf cmcmcmc cossin 3 cossincossin),( 31 x ININF cccm 9 . 0 2 24 1 第四章 交流绕组及其电动势和磁动势 次谐波磁势的幅值： 基波磁动势的性质：按正弦规律变化的脉

20、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 INF ccm 9 . 0 1 1111 )(9 . 0 qcqcmqm kIqNkqFF IkqNIkkqN kkIqNkFF wcyqc yqcyqmmq 111 11111 )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

21、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I、每相串联匝数N、绕组并联支路 数a、则单相磁动势为： I p Nk F w m 1 1 9 . 0 xtI p Nk xtFtxf w m cossin9 . 0 cos

22、sin),( 1 11 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 xtFtxf m cossin),( 11 )sin( 2 1 )sin( 2 1 11 xtFxtF mm ),( )( 1 ),( )( 1 txtx ff 结论结论：两个磁动势的性质：圆形旋转磁动势； 幅值为单相磁动势幅值的一半； 转速： f xt dx 2 min)/( 60 )/( 2 2 1 r p f sr p f p f n 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 数学法 分解后相加的三相合成磁动势为： xtFf mA cossin 11 )120cos()120sin( 11 xtFf mB )120cos()120sin( 11 xtFf mC )sin( 2 3 11 xtFf m 第