第5章交流电机的绕组和电动势

1、电电 机机 学学 清华大学出版社清华大学出版社 国家国家“十一五十一五”规划教材规划教材 主编：孙旭东主编：孙旭东 上页上页 下页下页 目录目录 1 2 3 4 5 上页上页 下页下页 目录目录 上页上页 下页下页 目录目录 交流电机的种类交流电机的种类 绕线转子异步电机绕线转子异步电机 同步同步电机电机 异步异步电机电机 凸极同步电机凸极同步电机 笼型异步电机笼型异步电机 隐极同步电机隐极同步电机可以作为可以作为 发电机，发电机， 也可以作也可以作 为电动机。为电动机。 上页上页 下页下页 目录目录 交流电机交流电机 w同步电机和异步电机运行原理不同。同步电机和异步电机运行原理不同。 w但是

2、两者在定子结构、定子绕组以及绕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，将这些作为共同问有很多共同的地方，将这些作为共同问 题来一起进行研究。题来一起进行研究。 上页上页 下页下页 目录目录 (1)(1)同步电机的基本工作原理同步电机的基本工作原理 w原动机原动机拖动转子旋转。拖动转子旋转。 w励磁绕组中通入直流电励磁绕组中通入直流电。 w 导体切割磁感应线，产导体切割磁感应线，产 生感应电动势生感应电动势 lvbe 用右手定则判断；图中所用右手定则判断；图中所 示时刻电动势的方向为出示时刻电动势的方向为出 纸面

3、。纸面。 转子转过一周，定子转子转过一周，定子 导体感应电动势正负交导体感应电动势正负交 变一个周期。带上负载变一个周期。带上负载 则可以输出电能。则可以输出电能。 上页上页 下页下页 目录目录 同步电机的基本工作原理同步电机的基本工作原理 转速转速n1的单位为的单位为r/min。 对于对于p p对极的电机而对极的电机而 言，转子每转过一言，转子每转过一 周，定子导体感应周，定子导体感应 电动势正负交变电动势正负交变p p个个 周期。周期。 60 1 pn f 上页上页 下页下页 目录目录 同步电机的基本工作原理同步电机的基本工作原理 p同步电动机的基本原理同步电动机的基本原理 定子通电形成旋

4、转定子通电形成旋转 磁场，等效为旋转磁场，等效为旋转 的磁极。的磁极。定子绕组磁定子绕组磁 势产生的势产生的气隙圆形旋气隙圆形旋 转磁场转磁场与转子励磁产与转子励磁产 生的磁场有相同的极生的磁场有相同的极 对数，磁极相互吸引，对数，磁极相互吸引， 驱动转子旋转驱动转子旋转同同 步电动机步电动机 上页上页 下页下页 目录目录 同步电机的基本工作原理同步电机的基本工作原理 w极对数极对数p一定时，定子导体感应电动势的一定时，定子导体感应电动势的 频率频率f 与转子转速与转子转速n1有严格的关系，称为同有严格的关系，称为同 步关系。转子转速步关系。转子转速n1称为同步转速。称为同步转速。 w这种电机

5、称为同步电机。这种电机称为同步电机。 60 1 pn f 上页上页 下页下页 目录目录 (2)(2)异步电机的工作原理异步电机的工作原理 p笼型异步电机笼型异步电机 (1)(1)电生磁电生磁：三相对称绕三相对称绕 组通往三相对称电流产组通往三相对称电流产 生圆形旋转磁场。生圆形旋转磁场。 (2)(2)磁生电磁生电：旋转磁场旋转磁场 切割转子导体感应电切割转子导体感应电 动势和电流。动势和电流。 (3)(3)电磁力电磁力：转子载流转子载流 （有功分量电流）体在（有功分量电流）体在 磁场作用下受电磁力作磁场作用下受电磁力作 用，形成电磁转矩，驱用，形成电磁转矩，驱 动电动机旋转，将电能动电动机旋转

6、，将电能 转化为机械能。转化为机械能。 上页上页 下页下页 目录目录 交流绕组交流绕组 p由由交流电机的工作原理可见，交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流绕组是电机进行能量转换的关键 部件。部件。 p产生感应电动势；产生感应电动势； p产生磁动势。产生磁动势。 上页上页 下页下页 目录目录 2.2.对交流绕组的要求对交流绕组的要求 p导体数一定情况下，能产生较大的基波电导体数一定情况下，能产生较大的基波电 动势和磁动势；动势和磁动势； p三相绕组感应电动势对称；三相绕组感应电动势对称； p三相绕组阻抗相等；三相绕组阻抗相等； p电动势和磁动势的波形尽可能接近正弦；电动

7、势和磁动势的波形尽可能接近正弦； p较好的散热，一定的绝缘强度；较好的散热，一定的绝缘强度； p工艺简单、维护方便。工艺简单、维护方便。 上页上页 下页下页 目录目录 交流绕组的电动势交流绕组的电动势 交流电机的绕组是由放置在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铁心槽中的导体通过一定的方式 联结而成的。联结而成的。 导体导体 线匝线匝线圈线圈 线圈组线圈组 相绕组相绕组 由简单到复杂由简单到复杂 上页上页 下页下页 目录目录 元件元件( (线圈线圈) ) 上页上页 下页下页 目录目录 绕组绕组 上页上页 下页下页 目录目录 术语术语1 1：电角度 p磁场每转过一对磁极，电势磁

8、场每转过一对磁极，电势 变化一个周期，称为（一个周变化一个周期，称为（一个周 期）期）360360电角度。在电机中电角度。在电机中一 对磁极所对应的角度定义为 360电角度。（几何上，把一。（几何上，把一 圆周所对应的角度定义为圆周所对应的角度定义为360360 机械角度。）机械角度。） p磁极对数为磁极对数为p p 圆周机械角度为圆周机械角度为360360 电角度为电角度为 p p* *360360 上页上页 下页下页 目录目录 术语术语2 2：相带 p为了三相绕组对称，为了三相绕组对称，在每个极面下每相绕组应占 有相等的范围相带。 p每个极对应于每个极对应于180180电角度，如电机有电角

9、度，如电机有m m相，则每相，则每 个相带占有个相带占有 电角度。三相电机电角度。三相电机m m3 3，其相带其相带 为为6060，按，按6060相带排列的绕组称为相带排列的绕组称为6060相带绕组。相带绕组。 m 180 上页上页 下页下页 目录目录 6060相带绕组相带绕组 p把把每对极所对应的定子槽等分为六个等分。所对应的定子槽等分为六个等分。 依次称为依次称为a a、cc、b b、aa、c c、bb相带，各相相带，各相 绕组放在各自的相带范围内绕组放在各自的相带范围内 N N S S N N S S S S N N 上页上页 下页下页 目录目录 术语术语3 3：每极每相槽数每极每相槽数

10、q q p每个极面下每相占有的槽数。已知总槽数。已知总槽数Z Z、 极对数极对数p p和相数和相数m m为，则为，则 pq1q1分布绕组分布绕组 p整数槽绕组整数槽绕组q q为整数为整数 p分数槽绕组分数槽绕组q q为分数为分数 pm Z q 2 上页上页 下页下页 目录目录 术语术语4 4：槽距角槽距角 p相邻两槽之间的电角度 p已知总槽已知总槽数数Z Z、极对数极对数p p 圆周的电角度 Z p 360 上页上页 下页下页 目录目录 术语术语5 5：极距极距 p相邻两磁极对应位置两点之间的圆周距离 几何尺寸几何尺寸每极所对应的定子内圆弧每极所对应的定子内圆弧 长长 设设D D为定子内圆直径

11、。为定子内圆直径。 p槽数表示极距：槽数表示极距： 即基波磁场每极所对应的槽数即基波磁场每极所对应的槽数 p D 2 p Z 2 上页上页 下页下页 目录目录 上页上页 下页下页 目录目录 术语术语6 6：节距节距 y (y (跨距跨距) ) p表示元件的宽度。元件放在槽内，其宽度表示元件的宽度。元件放在槽内，其宽度 可可用元件两边所跨越的槽数表示。 上页上页 下页下页 目录目录 交流绕组的构成交流绕组的构成 上页上页 下页下页 目录目录 交流绕组的电动势交流绕组的电动势 p绕组联结的原则绕组联结的原则 p尽量充分利用导体（产生的感应尽量充分利用导体（产生的感应 电动势尽可能大）。电动势尽可能

12、大）。 p电动势质量好。电动势质量好。 p波形接近正弦波形接近正弦 p三相对称三相对称 p节省材料。节省材料。 上页上页 下页下页 目录目录 导体感应电动势导体感应电动势 eb lv 与导体所在处的气隙磁通密度与导体所在处的气隙磁通密度b 、导体长度、导体长度 l 和和 相对运动速度相对运动速度 v 有关。有关。 对于确定的电机而言，长度和转速都是确定的，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。所以着重分析气隙磁通密度。 上页上页 下页下页 目录目录 导体感应电动势导体感应电动势 p为为方便进行数学描述，建立直角坐标系方便进行数学描述，建立直角坐标系 p在转子表面

13、；在转子表面； p原点、横坐标、纵坐标。原点、横坐标、纵坐标。 p规定物理量的参考方向规定物理量的参考方向 p气隙磁通由转子进入定子方向为正，相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；应的磁通密度也为正； p电动势以出纸面方向为正。电动势以出纸面方向为正。 上页上页 下页下页 目录目录 导体感应电动势导体感应电动势 p励磁磁动势励磁磁动势FfNf If 产生气隙磁场，用气产生气隙磁场，用气 隙磁通密度隙磁通密度 b 表示。表示。 上页上页 下页下页 目录目录 导体的基波感应电动势导体的基波感应电动势 p习惯上采用每极磁通量来习惯上采用每极磁通量来 计算电动势计算电动势 1 2

14、60 n p 11 22. 2fE 11mp 2 Bl 11m 1 2 EBlv 11 p 2 6060 nn vDp 1 为气隙基波每极磁通量；为气隙基波每极磁通量； p 为极距。为极距。 a)二极交流发电机b)主极磁场在空间的分布c)导体中感应电动势的波形 图4-10 气隙磁场正弦分布时导体内的感应电动势 N S e1 b B1 t 0 e1 N 0 180 0 360 b n e1 定子 上页上页 下页下页 目录目录 导体的基波感应电动势导体的基波感应电动势 A11 2sineEt 上页上页 下页下页 目录目录 电角度与机械角度电角度与机械角度 w转子转过一对极，转子转过一对极， 定子感

15、应电动势定子感应电动势 就交变一次，即就交变一次，即 经过经过360 。 上页上页 下页下页 目录目录 电角度与机械角度电角度与机械角度 w在在电机学电机学中，将中，将一对极一对极在空间上占据在空间上占据 的机械角度定义为的机械角度定义为360，称为，称为空间电角空间电角 度，用度，用 表示。表示。 w原来的空间一周对应的原来的空间一周对应的360 ，称为，称为空空 间机械角度，用间机械角度，用 表示。表示。 p 上页上页 下页下页 目录目录 导体的基波感应电动势导体的基波感应电动势 p与导体与导体A相距一个角度相距一个角度 的导体的导体B的感应电动势的感应电动势 t 时刻，时刻， 11m0

16、sin()bBt 0 t B110 2sin()eEt eB1与与eA1的有效值相同，但相位不同。的有效值相同，但相位不同。 A11 2sineEt 上页上页 下页下页 目录目录 导体的基波感应电动势导体的基波感应电动势 A11 2sineEt B110 2sin()eEt 上页上页 下页下页 目录目录 结论结论 w导体导体B 与导体与导体A 在空间上相差在空间上相差 电电 角度，它们的感应电动势在时间上角度，它们的感应电动势在时间上 也相差也相差 电角度。电角度。 w顺着转子转动的方向看，空间上顺着转子转动的方向看，空间上 超前超前，则感应电动势在时间上滞则感应电动势在时间上滞 后。后。 上

17、页上页 下页下页 目录目录 导体的谐波感应电动势导体的谐波感应电动势 p同理也可以得到同理也可以得到5 5次、次、7 7次等各次谐次等各次谐 波电动势波电动势 33m sin3bB 333m3 sin32sin3eb lvBlvtEt 33 322. 2fE 上页上页 下页下页 目录目录 整距线匝的感应电动势整距线匝的感应电动势 线匝线匝 1 y -节距 上页上页 下页下页 目录目录 整距线匝的感应电动势整距线匝的感应电动势 w要使线匝的感应电动势最大，应选节距等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。于一个极距的两根导体联结成线匝。 w节距等于一个极距，称为整距

18、。节距等于一个极距，称为整距。 1 y w节距可以不等于一个极距，可以形成短距节距可以不等于一个极距，可以形成短距 或者长距。或者长距。 1 ,y 长距 1 ,y 短距 上页上页 下页下页 目录目录 整距线匝的感应电动势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整距线匝的基波感应电动势有效值为 T11 4.44Ef 上页上页 下页下页 目录目录 整距线圈的感应电动势整距线圈的感应电动势 w多个同样的线匝构成线圈。多个同样的线匝构成线圈。 w整距线圈就是多匝的整距线匝，整距线圈就是多匝的整距线匝， 各线匝之间相互各线匝之间相互绝缘绝缘。 线圈的匝数为线圈的匝数为Nk（即（即Nk个个

19、线匝串联）。线匝串联）。 K1KT1K1 4.44EN EfN 整距线圈的基波感应电动势整距线圈的基波感应电动势 有效值为有效值为 上页上页 下页下页 目录目录 三相单层集中整距绕组三相单层集中整距绕组 p沿着转子转动的方沿着转子转动的方 向看，空间上超前，向看，空间上超前， 则感应电动势在时间则感应电动势在时间 上滞后。上滞后。 w 三相对称的交流电动势三相对称的交流电动势 三相有效值相同；三相有效值相同； A相电动势超前相电动势超前B相相 120电角度，电角度，B相超相超 前前C相相120电角度。电角度。 上页上页 下页下页 目录目录 三相单层集中整距绕组三相单层集中整距绕组 上页上页 下

20、页下页 目录目录 三相单层集中整距绕组三相单层集中整距绕组 p三相绕组可以联结成星形或者三角形三相绕组可以联结成星形或者三角形 上页上页 下页下页 目录目录 三相单层集中整距绕组三相单层集中整距绕组 w三相单层集中整距绕组，非常简单。三相单层集中整距绕组，非常简单。 w绕组集中，发热集中，散热困难。绕组集中，发热集中，散热困难。 w铁心表面有很多空间没有利用，不经铁心表面有很多空间没有利用，不经 济。济。 w电动势的波形不好。电动势的波形不好。 上页上页 下页下页 目录目录 上页上页 下页下页 目录目录 * * 连连成成三相绕组三相绕组 上页上页 下页下页 目录目录 w为充分利用空间，沿圆周均

21、布多根导体。为充分利用空间，沿圆周均布多根导体。 电动势尽可能大电动势尽可能大 三相对称三相对称 以以p2，定子上均匀分，定子上均匀分 布布24槽为例进行说明。槽为例进行说明。 （定子槽数（定子槽数Q24） 上页上页 下页下页 目录目录 三相单层分布绕组三相单层分布绕组 p电动势星形相量图电动势星形相量图w 槽距角槽距角 相 邻 两 个 槽相 邻 两 个 槽 之 间 相 距 的之 间 相 距 的 空间电角度。空间电角度。 360 2 360 30 24 p Q p分相分相 相带相带每极下每每极下每 相占有的区域相占有的区域。 60相带相带 p每极每相槽数每极每相槽数q m为相数为相数 24 2

22、 22 3 2 Q q mp 上页上页 下页下页 目录目录 三相单层分布绕组三相单层分布绕组 p绕组展开图绕组展开图 上页上页 下页下页 目录目录 三相单层分布绕组三相单层分布绕组 p绕组展开图绕组展开图 w 相绕组的联结（并联支路数）。相绕组的联结（并联支路数）。 w 最大并联支路数最大并联支路数ap。 w 根据分相的结果对线圈边进行联结，形成根据分相的结果对线圈边进行联结，形成 线圈组。线圈组。 w 每一对极下形成一个线圈组，共每一对极下形成一个线圈组，共p个线圈组。个线圈组。 上页上页 下页下页 目录目录 三相单层分布绕组三相单层分布绕组 p整距分布线圈组电动势的计算整距分布线圈组电动势

23、的计算 上页上页 下页下页 目录目录 三相单层分布绕组三相单层分布绕组 q1K d11 4.44EfqN k p在线圈集中在一起时在线圈集中在一起时 的电动势基础上乘上基的电动势基础上乘上基 波分布因数波分布因数kd1 。 p也可看成线圈仍集中也可看成线圈仍集中 在一起，但有效匝数减在一起，但有效匝数减 小为小为qNkkd1。 d1 sin 2 sin 2 q k q d sin 2 sin 2 q k q w对于对于 次次谐波，谐波， 上页上页 下页下页 目录目录 三相单层分布绕组三相单层分布绕组 p整距分布相绕组电动势的计算整距分布相绕组电动势的计算 每相每支路串联匝数每相每支路串联匝数

24、q1K d11 4.44EfqN k 线圈组线圈组 1K d11 1 d11 1 4.44 4.44 EfqN kp a fN k K 1 pqN N a 相绕组相绕组 K1K1 4.44EfN 线圈线圈 基波基波 上页上页 下页下页 目录目录 三相单层分布绕组三相单层分布绕组 p谐波电动势谐波电动势 qK d 4.44EfqN k 线圈组线圈组 K d 1 d 1 4.44 4.44 EfqN kp a fN k 相绕组相绕组 上页上页 下页下页 目录目录 三相单层分布绕组的特点三相单层分布绕组的特点 p线圈数（槽数线圈数（槽数 Q 的一半）的一半） p最大并联支路数（极对数最大并联支路数（

25、极对数p） p每相每支路串联匝数每相每支路串联匝数 上页上页 下页下页 目录目录 三相单层分布绕组三相单层分布绕组 p优点优点 p有效利用铁心表面空间；有效利用铁心表面空间； p可以削弱绕组的谐波电动势；可以削弱绕组的谐波电动势； p每个槽内只有一个线圈边，嵌线方便；每个槽内只有一个线圈边，嵌线方便； p便于散热。便于散热。 10kW以下的三相异步电动机采用。以下的三相异步电动机采用。 p缺点缺点 p单层分布绕组单层分布绕组不能任意短距不能任意短距，无法利用短距进，无法利用短距进 一步削弱谐波电动势，改善电动势的波形。一步削弱谐波电动势，改善电动势的波形。 上页上页 下页下页 目录目录 p为了

26、进一步削弱谐波电动势，使电为了进一步削弱谐波电动势，使电 动势波形接近正弦。动势波形接近正弦。 p采用双层分布短距绕组，利用短距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。来进一步改善电动势波形。 上页上页 下页下页 目录目录 上页上页 下页下页 目录目录 上页上页 下页下页 目录目录 三相双层分布短距绕组三相双层分布短距绕组 p双层绕组是在每个双层绕组是在每个 槽中放置两个线圈边，槽中放置两个线圈边， 线圈的一个边在一个线圈的一个边在一个 槽的上层，另一边则槽的上层，另一边则 在另外一个槽的下层。在另外一个槽的下层。 p各线圈的构成相同。各线圈的构成相同。 w 节距不受限制，可节

27、距不受限制，可 取为需要的值。取为需要的值。 上页上页 下页下页 目录目录 三相双层分布短距绕组三相双层分布短距绕组 p双层叠绕组双层叠绕组 上页上页 下页下页 目录目录 短距线圈的感应电动势短距线圈的感应电动势 p基波感应电动势基波感应电动势 为基波节距因数。为基波节距因数。 K1K p11 4.44EfN k p1 sin 2 ky 上页上页 下页下页 目录目录 三相双层分布短距绕组三相双层分布短距绕组 p如何来联结导体，形成三相双层分如何来联结导体，形成三相双层分 布短距绕组布短距绕组 以极对数为以极对数为2、定子上均匀分布、定子上均匀分布 36槽为例进行说明。槽为例进行说明。 上页上页

28、 下页下页 目录目录 三相双层分布短距绕组三相双层分布短距绕组 p电动势星形相量图电动势星形相量图 w 槽距角槽距角 3602 360 20 36 p Q p2，Q36 36 3 22 3 2 Q q mp w 每极每每极每 相槽数相槽数 w每个相量表示的是每每个相量表示的是每 个个线圈线圈的电动势相量。的电动势相量。 w线圈数等于槽数。线圈数等于槽数。 p分相分相 将线圈划分给三相。将线圈划分给三相。 60 相带法相带法 120 相带法相带法 上页上页 下页下页 目录目录 三相双层分布短距绕组三相双层分布短距绕组 p节距的选择节距的选择 w短短1/3节距，可以节距，可以 完全消除完全消除3次

29、谐波；次谐波； w 需要削弱的主要是需要削弱的主要是 5、7次谐波电动势；次谐波电动势； w 短短1/5节距，可以节距，可以 完全消除完全消除5次谐波。次谐波。 上页上页 下页下页 目录目录 三相双层分布短距绕组三相双层分布短距绕组 p绕组展开图绕组展开图 w 每相在每极下有一个线圈组每相在每极下有一个线圈组极相组。极相组。 w 极相组数极相组数2p。最大并联支路数。最大并联支路数2p。 上页上页 下页下页 目录目录 A Z B X C Y 图图4 41 1 三相双层绕组的槽电动势星形图三相双层绕组的槽电动势星形图 (36,24)Qp 上页上页 下页下页 目录目录 相带相带 槽号槽号 极极 对

30、对 ABCXYZ 1,2,34,5,67,8,910,11,12 13,14,15 16,17,18 19,20,21 22,23,24 25,26,27 28,29,30 31,32,33 34,35,36 第一对极下第一对极下 （1槽槽18槽）槽） 第二对极下第二对极下 （19槽槽36槽）槽） 表4-1 各个相带的槽号分布 上页上页 下页下页 目录目录 1 35 7 9 11 13151719 21232527 29313335 1 2 3 10 11 1219 20 2128 29 30 N NN NS S S S 图4-2 三相双层叠绕组的A绕组的展开图 上页上页 下页下页 目录目录

31、-1-2-3- -10-11-12-19-20-21- -28-29-30- 图：图：A相绕组线圈的连接图（一条并联支路）相绕组线圈的连接图（一条并联支路） 123 192021 101112 282930 图4-3 A相绕组线圈的连接图（两条并联支路） 1 A 1 X 2 A 2 X X X A A 1 A 1 X 2 A 2 X 上页上页 下页下页 目录目录 图4-5 极相组的合成电动势 上页上页 下页下页 目录目录 1 , s ft 1 t 1 t 2 t 2 t 3 t 3 t s 图4-6 不同瞬间时单相绕组的基波脉振磁动势 上页上页 下页下页 目录目录 三相双层分布短距绕组三相双层分布短距绕组 1K d1 p111 d