交流电机的共同问题+异步电机(最终版)

1、第四章：交流电机的共同问题第四章：交流电机的共同问题 第第1节节：交流绕组的基本概念交流绕组的基本概念 第第2节：节：三相双层绕组三相双层绕组 第第3节：节：三相单层绕组三相单层绕组 第第4节：节：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 第第5节：节：感应电动势中的高次谐波及其削弱方法感应电动势中的高次谐波及其削弱方法 第第6节：节：正弦电流下单相绕组的磁动势正弦电流下单相绕组的磁动势 第第7节节：正弦电流下对称三相绕组的旋转磁动势正弦电流下对称三相绕组的旋转磁动势 第八节第八节：非正弦电流下交流绕组的磁动势非正弦电流下交流绕组的磁动势 4-1交流绕组的基本要求交流绕组的

2、基本要求 交流绕组的基本要求：交流绕组的基本要求： （1）绕组产生的电动势（磁动势）接近正弦波；）绕组产生的电动势（磁动势）接近正弦波； （2）三相绕组的基波电动势（磁动势）必须对称；）三相绕组的基波电动势（磁动势）必须对称； （3）在导体数一定时能获得较大的基波电动势（磁动势）；）在导体数一定时能获得较大的基波电动势（磁动势）； 一、正弦分布的磁场在导体中感应正弦波电动势一、正弦分布的磁场在导体中感应正弦波电动势 在设计电机时保证励磁磁动势在气隙中产生的磁场在空间按正 弦规律分布，则它在交流绕组中感应的电动势就随时间按正弦规律 变化。 tlvBe mc cos 二、用槽电动势星形图分相以保证

3、三相感应电动势二、用槽电动势星形图分相以保证三相感应电动势 对称对称 当正弦分布的磁场以转速n1旋转时，在定子圆周上每槽 导体中感应的电动势都是正弦波，幅值相等，但在时间上相 位不同。 1、电角度与机械角度、电角度与机械角度 电机圆周在几何上分为3600，这个角度称为机械 角度。若磁场在空间按正弦波分布，则经过N、S一对 磁极即为3600。 若电机有P对极 电角度=P360 =P机械角度 0 4-1 交流绕组的基本要求交流绕组的基本要求 4-1 交流绕组的基本要求交流绕组的基本要求 2、槽距角槽距角 定子槽数: 3600 Z Z 3、槽距电角槽距电角 定子槽数: 3600 1 Z Z p 相邻

4、槽之间的电角度 5、相带相带 为了使绕组对称，通常令每个极面下每相绕组所占的范围 相等，这个范围称为相带。即：每极下每相所占有的区域每极下每相所占有的区域 称为相带称为相带。 有600相带 和1200相带两种，一般采用600相带 4-1交流绕组的基本要求交流绕组的基本要求 4、槽电动势、槽电动势 星形图星形图 各槽导体感应电动势大小相等，在时间相位上彼此相 差20度电角度 。槽1导体电动势相量用相量1表示，槽2导 体电动势相量2比相量1滞后20度电角度 ，依此类推，可以 给出36个槽导体的电动势相量，组成一个星形。 4-1 交流绕组的基本要求交流绕组的基本要求 三、采用三、采用60度相带可获得

5、较大的基波电动势度相带可获得较大的基波电动势 4-2 交流电机绕组交流电机绕组 交流绕组有多种分类方法： （1）按相数可分为单相、两相、三相和多相绕组； （2）按槽内层数可分单层、双层绕组、单双层绕组和混合 绕组；其中，双层绕组又分为迭绕组和波绕组，单层绕组又 分为同心式和交叠式等； （3）按每极每相槽数可分为整数槽和分数槽绕组。 4-2 三相单层绕组三相单层绕组 单层绕组每槽只嵌放一个线圈边，因此线圈数等于 槽数1/2。在槽电动势星形图中A相带和X相带导体感应 电动势的反向串联可以通过构造线圈来实现。 1、极距极距 一个极在电机定子圆周上所跨的距离，一般以槽数 计，表示为 p Z 2 4-2

6、 三相单层绕组三相单层绕组 2、节距节距 线圈两边所跨定子圆周上的距离，用y1表示，y1应 接近极距 极距 Z： 定子槽数 ：极对数 长距 短距 整距 y 1 P Z 2 p 3、每极每相槽数每极每相槽数 Pm Z q 2 m:相数 P:极对数 即整个电机定子中每相在每个极下所点有的槽数，亦称为极相组。 二、交二、交叠式绕组叠式绕组 交叠式绕组的线圈具有相同的节距。就整个绕组外形 来看，一环交叠一环。 例：三相四极36槽绘制交叠式绕组展开图 3 322 36 2 Pm Z q 相带 A Z B X C Y 第一对极1，2，34，5，67，8，910，11， 12 13，14， 15 16，17

7、， 18 第二对极19，20， 21 22，23， 24 25，26， 27 28，29， 30 31，32， 33 34，35， 36 4-2 三相单层绕组三相单层绕组 4-2 三相单层绕组三相单层绕组 单层绕组每槽只有一个线圈边线圈数等于槽数的一半。分 同心式、链式和交叉式 同心式同心式 同心式绕组由不同节距的同心线圈组成 以两极三相 24槽电机为例说明。 4 32 24 2 12 2 24 2 3241 Pm Z q P Z mZP 相 带 A Z B X C Y 一 对 极 23，24，1， 2 3，4，5， 6 7，8，9， 10 11，12，13， 14 15，16，17， 18

8、19，20，21， 22 4-2 三相单层绕组三相单层绕组 同心式优点：同心式优点： 下线方便， 端部的重叠 层数较少， 便于布置， 散热好。同 心式绕组主 要用于p=1 的小型感应 电机中。 缺点：缺点：线圈的大小不等、绕制不便，端部 亦较长。 4-2 三相单层绕组三相单层绕组 同心式绕组展开图 4-2 三相单层绕组三相单层绕组 并联支路数 一相绕组可能有多条支路，这些支路能够并联的条件 是每条支路电动势相量必须相等，否则会产生环流。根 据槽电动势星形图和单层绕组展开图，A相第1、2两个 极相组电动势相量相等。这两个极相组可以作为两条支 路并联（a=2），也可以串联成为一条支路（a=1），

9、一般而言，对于单层绕组，每相最大并联支路数等于极 对数，即 amax=p 双层绕组的线圈数等于槽数。每个槽有上下两层，线圈 的一个边放在一个槽的上层，另一个边则放在相隔节距为 y1槽的下层。双层绕组有叠绕和波绕两种。 对于10kw以上的三相交流电机，其定子绕组一般均采 用双层绕组。 4-2 三相双层绕组三相双层绕组 一、双层绕组的特点一、双层绕组的特点 双层绕组 绘制绕组展开图的步骤是： a、选择线圈节距 b、绘制槽电势星形图 c、划分相带 d、确定并联支路，绘制绕组展开图。 四、绘四、绘制绕组展开图制绕组展开图 根据线圈的形状和连 接规律，双层绕组可分 为叠绕组和波绕组两种 4-2 三相双层

10、绕组三相双层绕组 叠绕组线圈波绕组线圈 1 1、叠绕组、叠绕组 两个相邻的线圈后一个叠在前一个上面称为叠绕组。 例：绘制四极三相36槽的双层叠绕组展开图。 3 322 36 9 22 36 3362 qmZP 绘制槽电势星形图和相带划分同上，按y1=8绘制 相带A Z B X C Y 第一 对极 1，2，34，5，67，8，910，11， 12 13，14， 15 16，17， 18 第二 对极 19，20， 21 22，23， 24 25，26， 27 28，29， 30 31，32， 33 34，35， 36 各个相带槽号分布 4-2 三相双层绕组三相双层绕组 4-2 三相单层绕组三相单层

11、绕组 在双层绕组中，上层线圈边的电动势星形图与下层 边的电动势星形图是相似的，其差别在于下层边的电动 势相量相对于其对应上层边的电动势相量位移了y1a1电 角度。将各线圈上层边的电动势相量减去其对应的下层 边的电动势相量就构成了所有线圈的电动势星形图。在 该电动势星形图中，相邻两线圈的电动势相量的相角差 仍然是a1。以上层边边编号，并与槽号一致，则槽电动 势星形图与线圈电动势星形图一致。 4-2 三相双层绕组三相双层绕组 叠绕组展开图 将各极相组连接起来，构成相绕组，图中实线为 上层边，虚线为下层边。 由于由于N N极下的极相组极下的极相组A A与与S S极极 下的极下的极相组相组X的电动势方

12、向相反，电流方向也相反，应的电动势方向相反，电流方向也相反，应 将极相组将极相组A A和极相组和极相组X X反相串联。反相串联。 对于双层绕组，每相绕组最大并联支路数amax=2p 上例中有4个磁极，所以最多并联支路数 a=4 实际支路数通常小于2p，且2p必须是a的整数倍。 4-2 三相双层绕组三相双层绕组 4-2 三相双层绕组三相双层绕组 叠绕组的优点是叠绕组的优点是:短距时能节省端部用铜及得到较多的并联支 路，缺点是线圈组间连接线较长，在线圈组较多时浪费铜材， 主要用于10千瓦以上的交流电机定子绕组。 4-2 三相双层绕组三相双层绕组 在交流电机中有一以n1转速旋转的旋转磁场，本 节讨论

13、旋转磁场在空间正弦分布时，交流绕组中感应 电动势的公式。 首先求出一根导体中的感应电势，然后导出一个 线圈的感应电势，再讨论一个线圈组（极相组）的 感应电势，最后推出一相绕组感应电势的计算公式。 4-3 4-3 正弦磁场下交流绕组的感应电势正弦磁场下交流绕组的感应电势 一、一、导体的感应电势导体的感应电势 4-3 4-3 正弦磁场下交流绕组的感应电势正弦磁场下交流绕组的感应电势 设主极磁场在气隙内按正弦规律分布， 则： cos m Bb Bm：磁场幅值 ：离开原点的电角度 设 00时t 因定子旋转的角频率为，当时间为t时，转子转 过，且=t 则导体感应电势为 tEtlvBblve cmc co

14、s2cos 11 4-3 4-3 正弦磁场下交流绕组的感应电势正弦磁场下交流绕组的感应电势 1 1、正弦电势的频率、正弦电势的频率f f 若p=1 ，电角度=机械角度 ，转子转一周感应电势交变 一次，设转子每分钟转n1转（即每秒转n1/60转）， 导体中电势交变的频率应为： )( 60 1 Z H n f 若电机为P对极，则转子每旋转一周，导体中感应 电势将交变P次，此时电势频率为： )( 60 1 Z H Pn f 在我国工业用标准频率为50HZ 4-3 4-3 正弦磁场下交流绕组的感应电势正弦磁场下交流绕组的感应电势 2 2、导体电势有效值、导体电势有效值 f n pD n R n Rv

15、2 60 2 6060 2 111 111 22. 2 22 ) 2 ( 2 2 2 f f lB f lB f fB l E avmmc ：一个磁极下磁通量 1 11 22. 2fEc ：平均磁密 avmav BBB 2 Bm：磁密幅值 2 1 lvB E m c tEtlvBe cmc cos2cos 11 4-3 4-3 正弦磁场下交流绕组的感应电势正弦磁场下交流绕组的感应电势 二、二、整距线圈的感应电动势整距线圈的感应电动势 1 y ，则线圈的一根导体位于N极下最大磁密处时， 另一根导体恰好处于S极下的最大磁密处。所以两导体感应 电势瞬时值总是大小相等，方向相反，设线圈匝数NC=1，则

16、 整距线圈的电势为 4-3 4-3 正弦磁场下交流绕组的感应电势正弦磁场下交流绕组的感应电势 11111 44.42fEEEE ccct 若线圈有NC匝，则 11 44.4 Ct fNE 三、短距线圈的感应电动势三、短距线圈的感应电动势 1 y 11 1 11111 444 2 sin2 2 sin2 y cccct Kf. y E EEEE 4-3 4-3 正弦磁场下交流绕组的感应电势正弦磁场下交流绕组的感应电势 1 y 若为NC匝 111 44. 4 yCy KNfE 表示线圈采用短距后感应电势较整距时应打的折扣 1y K 可见采用短距线圈后对基波电动势的大小稍有影响， 但当主磁场中含有谐

17、波时，它能有效地抑制谐波电动势 （后述），所以一般交流绕组大多采用短距绕组。 4-3 4-3 正弦磁场下交流绕组的感应电势正弦磁场下交流绕组的感应电势 1 2 sin 1 1 y K y 短距系数（基波） 势）（对应的整距线匝电动 的线匝电动势节距为 1 11 1 2 )( c t y E yE K 四、四、线圈组的电动势、分布因数和绕组因数线圈组的电动势、分布因数和绕组因数 每极下每相有一个线圈组，线圈组由q个线圈组成，且 每个线圈互差电角度 如q=3 Ey1 Ey2 Ey3 4-3 4-3 正弦磁场下交流绕组的感应电势正弦磁场下交流绕组的感应电势 线圈组合成电势 4-3 4-3 正弦磁场下

18、交流绕组的感应电势正弦磁场下交流绕组的感应电势 111111 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 )1(2 11 )44. 4( 2 sin 2 sin 2 sin 2 sin 2 sin 2 sin 1 1 1 1 1 111 qyCqyq y q q qyyy j jq y qjjj yq kkNfqkqEE qE E q q k kqE q Eq q E e e EeeeEE 绕组分布系数： 2 sin 2 sin 1 q q Kq 11111111 )(44. 4)44. 4( NCqCyqyq kfqNKNkfqkqEE C qN为q个线圈的总匝数 绕组系数 111yqN

19、kkk 即考虑了短距和分布后整个绕组合成电势所打的折扣。 五、五、相电动势和线电动势相电动势和线电动势 电机每相绕组有a条并联支路，每条支路有c个极相组串 联而成。由于每个极相组的感应电动势相量相等，故相电 动势的有效值为： 111 44.4 Ncq fkcqNcEE 4-3 4-3 正弦磁场下交流绕组的感应电势正弦磁场下交流绕组的感应电势 4-3 4-3 正弦磁场下交流绕组的感应电势正弦磁场下交流绕组的感应电势 1、对单层绕组对单层绕组 每对极具有一个线圈组，每个线圈组有q个线圈，p对极时 每相有q个线圈，即pq个线圈，若并联支路数为a，每个线圈 为NC匝，则每条支路串联匝数为 11111

20、44. 444. 4 NN Cc c fNkfk a PqN E a pqN cqNN 2 2、对双层绕组、对双层绕组 p对极有2p个线圈组，即2pq个线圈 11111 44. 444. 4 22 NN CC fNkfk a pqN E a pqN N 求出相电势后，根据“星形”或“三角”的接法，可求出 线电势 4-3 4-3 正弦磁场下交流绕组的感应电势正弦磁场下交流绕组的感应电势 对星形连接：线电势= 1 3 E 对三角形连接：线电势= 1 E 本节讨论磁场非正弦分布时所引起的谐波电动势及其削弱方法本节讨论磁场非正弦分布时所引起的谐波电动势及其削弱方法 4-5感应电动势中的高次谐波及其削弱

21、方法感应电动势中的高次谐波及其削弱方法 一、主极磁场非正弦分布引起的高次谐波电动势一、主极磁场非正弦分布引起的高次谐波电动势 交流电机中气隙磁场分布一 般呈平顶波如右图所示，应用富 氏级数可将其分解为基波和一系 列谐波的合成。 谐波磁场的性质为： lBnnPP 21 1 fn Pnp f 1 6060 即谐波频率为基波频率的v倍 除基波磁场在绕组中感应电势外，各次谐波也将 在绕组中感应电势。谐波电势的计算方法与基波电势 计算方法类似， 4-5感应电动势中的高次谐波及其削弱方法感应电动势中的高次谐波及其削弱方法 根据基波感应电势公式 类似的推导得： 111 44. 4 N fNkE N NkfE

22、44. 4 2 sin 2 sin 2 sin 1 1 1 q q K y KKKK qyqyN 二、二、齿谐波电动势齿谐波电动势 在高次谐波中，有一种次数为 的谐波， 称为齿谐波，由该次谐波感应的电动势称为齿谐波电动势。 121mq p Z 式中： 4-5感应电动势中的高次谐波及其削弱方法感应电动势中的高次谐波及其削弱方法 齿谐波电动势比较强的主要原因是定子开槽引起的气隙 磁导不均匀。如不开槽时的气隙中主极磁场为近于正弦分 布的曲线，如图曲线1所示，开槽后在正弦曲线上叠加一个 与定子齿数相应的附加周期性磁导分量，致使电动势波形 出现明显的谐波波纹，如图下图所示。 4-5感应电动势中的高次谐波

23、及其削弱方法感应电动势中的高次谐波及其削弱方法 考虑谐波电势时， 相电势的有效值应为 ： 2 1 5 2 1 3 1 2 5 2 3 2 1 )()(1 E E E E EEEEE 正常情况下高次谐波电动势对相电动势大小的影响很小， 主要影响电动势的波形。对星接因在对称三相系统中，各相 的三次谐波在时间上同相位，大小相等。线电动势中的3次 谐波互相抵消。 三、三、相电势和线电势的有效值相电势和线电势的有效值 4-5感应电动势中的高次谐波及其削弱方法感应电动势中的高次谐波及其削弱方法 333 3 3 3 3 3 ZIE Z E I 由于E 3 完全消耗于环流的 电压降 , 所以线端不会出 现三次

24、谐波电势。但是三次 谐波环流所产生的杂散损耗， 会使电机效率下降，温升增 高，所以一般采用星形连接。 33 ZI 对于线电势无论是角接还是星接，均无对于线电势无论是角接还是星接，均无3及及3的倍数次的倍数次 谐波。谐波。 注：注： 4-5感应电动势中的高次谐波及其削弱方法感应电动势中的高次谐波及其削弱方法 四、削弱谐波电动势的方法四、削弱谐波电动势的方法 由于谐波电势对电机的危害，所以，在设计电机时，应 尽可能削弱电势中高次谐波分量，国标规定（GB755-81电 机基本技术要求）对300KVA以上的同步发电机，线电压波 形的正弦波畸变率不应超过5%。 正弦波畸变率 %100 1 2 7 2 5

25、 2 3 E EEE 下面分别介绍减少谐波电势和齿谐波电势的方法。 4-5感应电动势中的高次谐波及其削弱方法感应电动势中的高次谐波及其削弱方法 N NkfE44. 4 1、削弱谐波电动势的方法削弱谐波电动势的方法 适当地选择线圈的节距，使某次谐波的短距系数 接近或等于零，以达到削弱或消除某次谐波的目的。 1）选用短距绕组）选用短距绕组 可通过减少KNV和 的方法削弱 E 4-5感应电动势中的高次谐波及其削弱方法感应电动势中的高次谐波及其削弱方法 如要消除V次谐波，只要使 0 2 sin 1 y K P 即 k y 2 1 12 2 1 k k y 尽可能接近整距的短距 则 ）（ 1 -1 1

26、y 上式表明，要消除V次谐波，只要选用比整距短 的线圈即可。 4-5感应电动势中的高次谐波及其削弱方法感应电动势中的高次谐波及其削弱方法 2）采用线圈组）采用线圈组 当q增加时，基波的分布系数减小不多，但谐波的分布系 数显著减小 但q增多，必增加电机槽 数，使电机成本提高。考虑到 q6时，分布系数的下降已不 明显，所以一般选6q2， 4-5感应电动势中的高次谐波及其削弱方法感应电动势中的高次谐波及其削弱方法 3）改善主极极靴外形）改善主极极靴外形 改善磁极极靴外形（凸极同步电机）或励磁绕组的分布（隐极同步电机） 使磁极磁场沿电枢表面分布接近于正弦波。 75. 070. 00 . 25 . 1

27、min max p b 凸极电机： 隐极电机安放励磁绕组部分与极距之比为0.700.80 4-5感应电动势中的高次谐波及其削弱方法感应电动势中的高次谐波及其削弱方法 4-6正弦电流下单相绕组的磁动势正弦电流下单相绕组的磁动势 一、一、整距线圈的磁动势整距线圈的磁动势 对于正规60度相带的双层绕组，当p=1，q=1，整个电机只 有6个线圈，其线圈分布如图所示，短矩线圈节距为y1，槽距 电角为a1。 4-6正弦电流下单相绕组的磁动势正弦电流下单相绕组的磁动势 若线圈中的电流为恒定电流，则矩形波的高度恒定不变。 而在交流绕组中通入的是交变电流即 ，则该 正负矩形波高度也随时间按正弦规律变化，变化的速

28、度取决于 电流的频率。空间位置固定不动，波幅的大小和正负随时间变 化的磁动势称为脉振磁动势。 tIi cc cos2 cos 2 sin 4 5cos3coscos)( .5 , 3 , 1 11 531 yiN FFFf C cccc CyCCCCyCC IkNFFIkNF 1111 2411 , 24 tIkNtf CyCc coscos 24 ),( 11 为了得到该磁动势波形的基波和谐波，以线圈AA的轴线为中心， 将上述的矩形分布的脉振磁动势用富氏级数进行分解，得： tIi c cos2 4-6正弦电流下单相绕组的磁动势正弦电流下单相绕组的磁动势 tFtIkNf ccyccv cosc

29、oscoscos 241 1 二、二、线圈组的磁势线圈组的磁势 1、整距线圈的线圈组磁势整距线圈的线圈组磁势 3q如线圈组的线圈数为： 则整距线圈组产生的磁动势由右图。 4-6正弦电流下单相绕组的磁动势正弦电流下单相绕组的磁动势 tFtkqkINkqff qqyccdcq coscoscoscos 24 )( 111111 1 1 1 2 sin 2 sin q y q K q q qF F tkqkNIf sqyCCq coscos 24 111 4-6正弦电流下单相绕组的磁动势正弦电流下单相绕组的磁动势 三、一三、一相绕组的磁势相绕组的磁势 设电机每相绕组有a条并联支路，每条支路有c个极相

30、组 串联而成，由于每个极相组的磁动势相量相等，故相绕组磁 动势的幅值为： I p Nk kIpqN p kkIcqNF N NccqyccA 1 1111 9 . 0)2( 22 )( 24 利用相绕组的一条支路总串联匝数N、相电流I来描述相 绕组磁动势，将相绕组的总安匝数进行如下变换，为： a pqN N C a qN P N C a PqN N C 2 a qN P N C 2 单相绕组基波磁势的幅值: （双层）（单层） 4-6正弦电流下单相绕组的磁动势正弦电流下单相绕组的磁动势 tI p Nk f N A coscos9 . 0 1 1 tI p Nk f N A coscos 1 9

31、. 0 单相绕组基波磁动势的瞬时值为 单相绕组 次谐波磁动势的瞬时值为 说明磁动势既是空间角度 的函数，又是时间 的函数。t 4-6正弦电流下单相绕组的磁动势正弦电流下单相绕组的磁动势 1、一相绕组的磁势是一种空间位置固定，幅值随时间变 化的脉振磁势，其脉振频率取决于电流的频率。 注：磁势即是空间位置的函数，也是时间的函数。空间分 布用以电角度的空间位置角来表达，随时间变化规律用 时间t来表达。 2、基波磁动势的幅值为 次谐波磁动势的幅值为 3、定子绕组多采用短距和分布绕组，因而合成磁势中谐 波含量大大消弱。一般情况下只考虑基波磁势的作用。 I P NK F N A 1 1 9 . 0 I P

32、 NK F N A 1 9 . 0 综合以上分析对单相绕组磁势的性质归纳如下：综合以上分析对单相绕组磁势的性质归纳如下： 4-7 正弦电流下对称三相绕组的磁动势正弦电流下对称三相绕组的磁动势 一、对称三相绕组的基波合成磁动势一、对称三相绕组的基波合成磁动势 用解析法和图解法对三相绕组的基波合成磁动势进行分析。 1、解析法、解析法 )240cos()240cos( )120cos()120cos( coscos 00 11 00 11 11 tFf tFf tFf sC sB sA )cos()cos( 2 1 coscos 定子绕组是对称设置的，其轴线在空间相关120电角度， 三相电流也是对称

33、的，在时间上互差120度电角度。 根据三角函数积化和差的公式： 4-7 正弦电流下对称三相绕组的磁动势正弦电流下对称三相绕组的磁动势 I P NK FF tFtFffff tFtFf tFtFf tFtFf W sscbc ssC ssB ssA 1 11 111111 0 111 0 111 111 9 . 0 2 3 2 3 )cos()cos( 2 3 )120cos( 2 1 )cos( 2 1 )240cos( 2 1 )cos( 2 1 )cos( 2 1 )cos( 2 1 三相合成磁势是一个波幅恒定的旋转波。三相合成磁势是一个波幅恒定的旋转波。 4-7 正弦电流下对称三相绕组的

34、磁动势正弦电流下对称三相绕组的磁动势 2、图解法、图解法 下面用图解法分析三相基波合成磁势，左边为不同瞬时的 三相电流向量图，中间为A,B,C三相的各基波脉振磁势及三相 合成磁动势，右边为磁动势矢量图。 三相对称绕组通入三相对称电流后，所形成的合 成磁动势为幅值不变的旋转波 4-7 正弦电流下对称三相绕组的磁动势正弦电流下对称三相绕组的磁动势 4-7 正弦电流下对称三相绕组的磁动势正弦电流下对称三相绕组的磁动势 综合上述分析，得出三相基波合成磁势具有以下特性综合上述分析，得出三相基波合成磁势具有以下特性 1、三相合成磁势为正弦分布旋转磁势，转向由超前电流相转 到滞后电流相。要改变磁场转向，只须

35、改变三相电流的相序。 2、幅值F1不变，为各相脉振磁势幅值的3/2倍，且旋转幅值的 轨迹是圆，所以称为圆形旋转磁场。 3、当某相电流达最大值时，合成旋转磁势的幅值恰在这一相 绕组轴线上。 4-7 正弦电流下对称三相绕组的磁动势正弦电流下对称三相绕组的磁动势 二、三相合成磁动势中的高次谐波二、三相合成磁动势中的高次谐波 tFtI p Nk f ss N coscoscoscos 1 9 . 0 )240cos()240(cos 1 9 . 0 )120cos()120(cos 1 9 . 0 coscos 1 9 . 0 tI p Nk f tI p Nk f tI p Nk f s N C s

36、 N B s N A )240cos()240(cos )120cos()120(coscoscos tF tFtFffff s ssCBA 4-7 正弦电流下对称三相绕组的磁动势正弦电流下对称三相绕组的磁动势 1、当 即=3，9，15 时 计算结果表明： )5 , 3 , 1(3kk 0 f 2、当 即=7，13，19 时 ), 3 , 2 , 1( 16kk 3、当 即=5,11,17时 合成磁势为一反向旋转、 转速为n1/ 、幅值为 的旋转磁动势。 F 2 3 合成磁势为一正向旋转、转速为 n1/ 、幅值为 的旋转 磁动势，转向与基波相同。 F 2 3 ), 3 , 2 , 1( 16k

37、k )cos( 2 3 s tFf 第5章 异步电机 异步电机是一种交流电机。由于它的转子转速和定子所接 交流电源产生的旋转磁动势的转速不同，故称异步电机 （asynchronous machine）。 电机的定、转子之间没有电的直接联系，是靠定、转子之 间的电磁感应作用实现机电能量转换，故也称为感应电机 （induction machine）。 异步电机包括感应电机、双馈异步电机和交流换向器电机。 感应电机应用最广，在不致引起误解或混淆的情况下，一般 可称感应电机为异步电机。 什么是异步电机？什么是异步电机？ 异步电机的优点：异步电机的优点： 具有结构简单，重量较轻； 制造、使用和维护方便；

38、 运行可靠以及成本较低； 异步电机有较高的运行效率和较好的工作特性， 从空载到满载范围内接近恒速运行。 不能经济地在较宽广的范围内实现转速调节，因 而在要求任意调速的工作场合，往往选用容易调 节转速的直流电动机； 异步电机工作时，需要从电网吸取滞后电流从 而使电网功率因数变差，因此，在需要大功率、 恒转速拖动的场合，往往改用可以调节电网功率 因数的同步电机。 异步电机的缺点：异步电机的缺点： 5.1 5.1 异步电机的基本类型和基本结构异步电机的基本类型和基本结构 5.1.1 异步电机的类型 （1）按定子相数）按定子相数 单相异步电机单相异步电机 两相异步电机两相异步电机 三相异步电机三相异步

39、电机 （2）按转子结构分）按转子结构分 绕线式异步电机绕线式异步电机 鼠笼式异步电机鼠笼式异步电机 高压异步电机高压异步电机 低压异步电机低压异步电机 （3）按电压的高低）按电压的高低 单鼠笼异步电机单鼠笼异步电机 双鼠笼异步电机双鼠笼异步电机 深槽式异步电机深槽式异步电机 5.1.2 异步电动机的主要结构 异步电动机在结构上也是由定子、转子、气隙组成。异步电动机在结构上也是由定子、转子、气隙组成。 一、异步电动机的定子：一、异步电动机的定子： 异步电动机的定子是由机座、定子铁心和定子绕组 三个部分组成。 机座 定子铁心 定子绕组 1、定子铁心： 定子铁心是电动机磁路的一部分，装在机座里。为

40、了降低定子铁心里的铁损耗，定子铁心用用0.5mm厚的硅 钢片叠压而成的，在硅钢片的两面还应途上绝缘漆。 定子槽口大，嵌线工艺简单，电磁性能好 开口槽，用于 大、中型容量 的高压异步电 动机中； 半开口槽，用 于中型500V以 下的异步电动 机 半闭口槽，用 于低压小型异 步电动机中 2. 2. 定子绕组定子绕组 高压大、中型容量的异步电动机定子绕组常采用高压大、中型容量的异步电动机定子绕组常采用Y 接，只有三根引出线。对中、小容量低压异步电动机，接，只有三根引出线。对中、小容量低压异步电动机， 通常把定子三相绕组的六根出线头都引出来，根据需要通常把定子三相绕组的六根出线头都引出来，根据需要 可

41、接成可接成Y形或形或形，定子绕组用绝缘的铜（或铝）导线形，定子绕组用绝缘的铜（或铝）导线 绕成，嵌在定子槽内。绕成，嵌在定子槽内。 3. 3. 机座机座 主要是为了固定与支撑定子铁心。如果是端盖轴承电机， 还要支撑电机的转子部分。因此，机座应有足够的机械强 度和刚度。 对中、小型异步电动机， 通常用铸铁机座。对大型 电机，一般采用钢板焊接 的机座，整个机座和轴承 都固定在同一个底板上。 二、气隙 在中、小型异在中、小型异 步电动机中，气隙一步电动机中，气隙一 般为般为0.21.5mm左右。左右。 转子铁心是电动机磁路的一部分，它用0.5mm厚的硅钢 片叠压而成。铁心固定在转轴或转子支架上，整个

42、转子的外 表呈圆柱形。 三、异步电动机的转子 1. 转子铁心转子铁心 异步电动机的转子是由转子铁心、转子绕组和转轴组成的异步电动机的转子是由转子铁心、转子绕组和转轴组成的 。 转子绕组：分为笼型和绕线型两类。转子绕组：分为笼型和绕线型两类。 1）笼型转子：笼型绕组是一个自己短路的绕组。在转子）笼型转子：笼型绕组是一个自己短路的绕组。在转子 的每个槽里放上一根导体，在铁心的两端用端环连接起来，的每个槽里放上一根导体，在铁心的两端用端环连接起来， 形成一个短路形成一个短路 的绕组。如果把转子铁心的绕组。如果把转子铁心 拿掉，则可看出，剩下来拿掉，则可看出，剩下来 的绕组形状像个松鼠笼子的绕组形状像

43、个松鼠笼子 ，因此又叫鼠笼转子。材，因此又叫鼠笼转子。材 料有铜的，也有铝的。料有铜的，也有铝的。 2.转子绕组 如果用的是铜料，就需要把如果用的是铜料，就需要把 事先做好的裸铜条插入转子铁心事先做好的裸铜条插入转子铁心 上的槽里，再用铜端环套在伸了上的槽里，再用铜端环套在伸了 两端的铜条上，最后焊在一起。两端的铜条上，最后焊在一起。 笼型转子结构简单、制造方笼型转子结构简单、制造方 便、是一种经济、耐用的电便、是一种经济、耐用的电 机，所以应用极广。机，所以应用极广。 如果用的是铸铝，就连同如果用的是铸铝，就连同 端环、风扇一次铸成。端环、风扇一次铸成。 2）绕线型转子：）绕线型转子：绕线型

44、转子的槽内嵌放有用绝缘导线组成 的三相绕组，一般都联接成Y形。转子绕组的三条引线分别 接到三个滑环上，用一套电刷装置引出来，如图所示。这就 可以把外接电阻串联到转子绕组回路里去，以改善电动机的 启动性能或调节电动机的转速。 与笼型转子相比较，与笼型转子相比较， 绕线型转子结构稍复杂，绕线型转子结构稍复杂， 价格稍贵，因此只在要价格稍贵，因此只在要 求起动电流小，起动转求起动电流小，起动转 距大，或需平滑调速的距大，或需平滑调速的 场合使用。场合使用。 异步电动机的额定值：异步电动机的额定值： 额定功率额定功率 PN 指电动机在额定运行时轴上输出的机械功率，指电动机在额定运行时轴上输出的机械功率

45、， 单位是单位是kW。 额定电压额定电压 UN 指额定运行状态下加在定子绕组上的线电压，指额定运行状态下加在定子绕组上的线电压， 单位为单位为V。 额定电流额定电流 IN 指电动机在定子绕组上加额定电压、轴上输出指电动机在定子绕组上加额定电压、轴上输出 额定功率时，定子绕组中的线电流，单位为额定功率时，定子绕组中的线电流，单位为A。 额定频率额定频率f N: 指我国规定工业用电的频率是指我国规定工业用电的频率是50Hz。 额定转速额定转速nN: 指电动机定子加额定频率的额定电压，且轴指电动机定子加额定频率的额定电压，且轴 端输出额定功率时电机的转速，单位为端输出额定功率时电机的转速，单位为r/

46、min 。 5.2 异步电动机的工作原理 一、三相异步电动机的转动原理 定子接三相电源后，形成圆形 旋转磁动势(逆时针转) 若转子不转，转子导条与磁密 有相对运动，导条中有感应电 动势e，方向由右手定则确定。 不考虑电动势与电流的相位差 时，电流方向同电动势方向 导条就在磁场中受力f，用左 手定则确定受力方向 转子受力，产生转矩T，为电磁转矩，方向与旋 转磁动势同方向，转子便在该方向上旋转起来。转 子旋转后，转速为n，只要nn1（n1为旋转磁动势同 步转速)，转子导条与磁场仍有相对运动，产生与转 子不转时相同方向的电动势、电流及受力，电磁转 矩T 仍旧为逆时针方向，转子继续旋转，稳定运行 在T

47、=TL情况下。 二、转差率（slip） 1 1 1 n nn n n s n与n1之间总是存在着差异。n1与n的差值称为转差， 用n表示，即nn1n。将转差n与同步转速n1的比值 称为转差率或滑差，用s表示，即 转速n是一代数量，一般取气隙旋转磁场的转向为转 速的正方向。根据上式可以看出当n=n1时，s0；当n 0时，s1;当nn1时，s是负值；当电机反转时，n是负 值，s1。 注意：注意：在正常情况下，异步电动机的转子转速总是略低在正常情况下，异步电动机的转子转速总是略低 与旋转磁场的转速（同步转速）。转差率是一个表征异步电与旋转磁场的转速（同步转速）。转差率是一个表征异步电 动机运行状态的

48、一个基本参数。动机运行状态的一个基本参数。 感应电动机的转速随负载的变化而变化，使转子导体中感应电动机的转速随负载的变化而变化，使转子导体中 的电动势和电流改变，以产生新的电磁转矩来适应负载的需的电动势和电流改变，以产生新的电磁转矩来适应负载的需 要。通常异步电动机空载时的转差率在要。通常异步电动机空载时的转差率在0.005以下，满载时的以下，满载时的 转差率在转差率在0.05以下。以下。 三、异步电机三种不同的运行状态 异步电机的有三种运行状态：a) 电动机状态；电动机状态；(b) 发电机状态；发电机状态；(c) 电磁制动状态。电磁制动状态。异步电机的运行状态 和转子的转速范围有密切的关系。

49、 电磁制动状态电磁制动状态 电动机状态电动机状态 发电机状态发电机状态 1.电动机状态 转子正转并且转速低于同步转速的情况， 即0nn1，或1s0 右手定则判断定转子导体 的感应电动势 转子导体电流方向和电动 势同 相邻的定、转子导体电流 方向相反 左手定则判断定转子导体 的电磁力方向 定子侧，e1i1a0, 输出机械能 电机从电源吸收电 能，转换为机械能 2.发电机状态 转子正转并且转速高于同步转速的情况， 即nn1，或 s0, 输出电能 转子侧，Temn0, 吸收机械能 电机从外界吸收机 械能，转换为电能 3.电磁制动状态 转子反转，即n0，或s1 右手定则判断定转子导体 的感应电动势 转

50、子导体电流方向和电动 势同 相邻的定、转子导体电流 方向相反 左手定则判断定转子导体 的电磁力方向 定子侧，e1i1a0, 吸收电能 转子侧，Temn0, 吸收机械能 电机既吸收电能， 又吸收机械能， 转换为热能 电磁制动状态电磁制动状态 电动机状态电动机状态 发电机状态发电机状态 n S 0 n1 01 0nS0 nn1 S0 n1 5.4 转子静止时的异步电动机 5.4.1 转子不转、转子绕组开路时的电磁关系转子不转、转子绕组开路时的电磁关系 正常情况下，电机转子总是旋转的，但是为了 分析问题的方便，在这里我们首先从转子静止出发 进行分析。 （1）励磁磁动势励磁磁动势：我们给异步电动机通入

51、对称的三相交 流电时，根据我们前面所学的可知将会在气隙中会产生一个旋 转的气隙磁场，这个旋转的磁场会同时切割定、转子绕组，这 样，在两个绕组内会产生相应的感应电动势，但是由于转子绕 组是开路的所以，没有电流，即没有磁动势，由此可见，在这 种情况下，整个气隙磁场全部是由定子绕组内的三相对称电流 产生，为此，定子磁动势又叫做励磁磁动势，定子电流亦叫做 励磁电流。 一、磁动势与磁通 0 11 0 2 24 2 3 I p kN F N 1 1 2 2 60 pn f （4）瞬间位置：正如前面所分析的，当A相电流 达到正最大 时，他所对应的磁动势也达到正最大。 旋转磁场的磁动势的特点： （1）幅值：

52、（2）转向：逆时针转向。ABC （3）转速：相对于定子绕组以角频率 2）主磁通和漏磁通：）主磁通和漏磁通： 主磁通主磁通：同时交链定子、转子、气隙构成闭和回路 的磁通，气隙里每极主磁通量用1 表示。 磁路包括：定子铁心气隙转子铁心气隙定 子铁心 漏磁通漏磁通：只交链 定子绕组就形成 闭和回路，叫定 子漏磁通，用1 表示。 11111 44. 4 N kNfE 12212 44. 4 N kNfE 22 11 2 1 N N e kN kN E E k 旋转磁场同时切割定转子绕组，在定转子绕 组内将会产生感应电动势E1、E2 : 三 感应电动势 定子、转子每相电动势之比叫电压变化，用ke表示，

53、即: 1 E 2 E 和 的相位关系： 感应电动势总是滞后于产生它的磁通90。 定子绕组A相轴线和转子a相轴线重合时，和 同相位 若转子a相轴线滞后定子绕组A相轴线，滞后 12角 度。 1 E 2 E 1 E 2 E 四、励磁电流：四、励磁电流： ra III 0 和前面分析变压器的情况是一样的，励磁电流也 是由Ia 和Ir两分量组成。 有功分量Ia很小，因此 领先 一个不大的角度。 在时间空间向量图上， 与 相位相同，与 相位 一样， 和 领先 一个不大的角度。 0 I r I 0 I 0 F r I 0 I 0 F 1 1 五、电动势平衡关系 1 E 101 EjI X 定子绕组的漏磁通在

54、定子绕组内也会产生一个电动 势，称之为定子漏电动势，用 表示， 电压方程式为： 11011 ERIEU 10101 EI RjI X 1011 ()EIRjX 101 ZIE 定子绕组的漏阻抗定子绕组的漏阻抗 六、等效电路六、等效电路 100mmm EIRjXI Z 11011 jxRIEU 0011mm IRjXIRjX 10 ZZI m 与变压器空载时一样，异步电动机也能找出并联或 串联的等值电路。知： 电压平衡等式为 1 U 1 R 1 X m R m X 0 I 转子回路电压方程式: 22 EU 5.4.2 转子堵转时的电磁关系 一、定、转子磁动势的相对静止一、定、转子磁动势的相对静止

55、 转子磁动势转子磁动势：转子被短路，当在定子绕组内通入三 相对称电流后，产生的沿逆时针方向旋转的磁场， 不仅在定子绕组内产生磁动势，在转子绕组内也会 产生磁动势。转子侧磁动势的特点： 1）幅值 2 22 2 2 24 2 3 I P kN F N 2）转向：设气隙旋转磁密是逆时针方向旋转， 在转子绕组内感应产生的电动势及电流的相序就 应为abc 1 12 2 6060 n p f p f n3）转速：相对于转子绕组为 注意：现在定转子被同一个磁通所交链，所以，产生 的电流的频率是相等的。 4）瞬间位置： 当A相电流达到正的最大值时，与他相对应的 磁动势也达到正的幅值。 12m FFF m F

56、既然它们是同步旋转，又作用在同一个磁路上，把 它们按向量的关系加起来，得到合成的磁动势用 表示。 即: 转于绕组短路的三相异步电机，作用在磁路上的磁 动势有两个：一为定子旋转磁动势 ；一为转子旋转磁 动势。由于它们的旋转方向相同，转速又相等，是相对 静止的，称它们为同步旋转。 这个合成旋转磁动势才是产生气隙每极主磁通的磁动势。 二、磁动势平衡方程二、磁动势平衡方程 1 F 2 F m F m F m B m F 空间矢量 、 和 都以同步转速n1、逆时针方 向旋转，在空间均按正弦波分布。由于电机磁路中总有 磁滞和涡流损耗，所以由 产生的旋转磁场的磁通密 度波 在空间上滞后 波一个铁耗角Fe 1

57、 111 1 9 . 0 2 I p kNm F N 2 222 2 9 . 0 2 I p kNm F N m N m I p kNm F 111 9 . 0 2 12m FFF 222 111 w w i kNm kNm k mi IkII / 21 电流变比 三、电动势平衡方程式 与变压器类似，主磁通 在定、转子绕组中分别感 应出电动势 、 ，转子静止时，两者的频率均为f1， 相位上滞后主磁通 90。两者的有效值为： m . 1 E . 2 E m mN kNfE 1111 44. 4 mN kNfE 2212 44. 4 21 EkE e 22 11 221 111 2 1 44. 4

58、 44. 4 N N N N e kN kN kNf kNf E E k 由上式可得: 式中电动势变比： 与变压器副边短路时有相似的物理过程，仿 照变压器中各物理量正方向的规定，根据电路定 律可得定、转子的电动势方程式： )( 11 111 jXRIEU )(0 22 22 jXRIE 111 jXRZ 222 jXRZ 式中：定子每相漏阻抗为： 转子每相漏阻抗为： 式中：m为励磁阻抗；大小与铁心的饱和程度有关； Rm为励磁电阻，反映异步电机铁耗的等效电阻； Xm为励磁电抗，定子每相绕组与主磁通对应的电抗。 定子电动势 可用阻抗压降表示为： 1 E mmmmm ZIjXRIE )( 1 四、转

59、子绕组的折算 从前面的分析我们可以看出，分别对定转子进行分析太 过麻烦，异步电动机定、转子之间没有电路上的联结，只有 磁路的联系，这点和变压器的情况相类似 ，所以在这里我 们仍采用折算的方法，把转子折算到定子侧，用一个新转子， 它的相数、每相串联匝数以及绕组系数都分别和定子的一样。 定子的相数m1，每 相串联匝数N1绕组 系数kN1 转子的相数m2，每 相串联匝数N2绕组 系数kN2 新转子新转子的相数m1，每 相串联匝数N1绕组系 数kN1 折算的原则折算的原则：保证转子侧在折算前后对整个磁场的影响不能 发生改变，即折算前后转子的总视在功率、有功功率、转子 的铜耗和漏磁场储能均保持不变。 1

60、）电流的折算 2 222 2 9 . 0 2 I p kNm F N 折算前 2 111 2 9 . 0 2 I p kNm F N 折算后 222 111 N N i kNm kNm k 电流变比22 FF i kII/ 22 mN kNfE 1112 44. 4 22 11 221 111 2 1 44. 4 44. 4 N N N N e kN kN kNf kNf E E k 2）电动势的折算 mN kNfE 2212 44. 4折算前 折算后 电动势变比 22 EE 22 EkE e 3）转子电阻的折算 2 2 222 RImpcu 折算前 22cucu pp 2 2 2 2 1 2