第四章 异步电机(一)

1、1 重庆大学自动化学院重庆大学自动化学院 2 第四章第四章 异步电机（一）异步电机（一） 三相异步电动机的基本原理三相异步电动机的基本原理 3 主要内容主要内容 第一节第一节 三相异步电动机的工作原理及结构三相异步电动机的工作原理及结构 第二节第二节 三相异步电动机的铭牌数据三相异步电动机的铭牌数据 第三节第三节 三相异步电动机的定子绕组三相异步电动机的定子绕组 第四节第四节 三相异步电动机的定子磁动势及磁场三相异步电动机的定子磁动势及磁场 第五节第五节 三相异步电动机定子绕组的电动势三相异步电动机定子绕组的电动势 4 本章要求本章要求 熟练掌握熟练掌握三相异步电动机的工作原理与运行状态三相异

2、步电动机的工作原理与运行状态 了解了解三相异步电动机的结构三相异步电动机的结构 掌握掌握三相异步电动机的铭牌数据含义三相异步电动机的铭牌数据含义 掌握掌握三相异步电动机定子绕组的基本量三相异步电动机定子绕组的基本量 熟练掌握熟练掌握三相异步电动机定子磁动势的计算三相异步电动机定子磁动势的计算 熟练掌握熟练掌握三相异步电动机定子绕组电动势的计算三相异步电动机定子绕组电动势的计算 电机要旋转电机要旋转-需要产生转矩需要产生转矩-转矩产生的条转矩产生的条 件是磁场与通电线圈件是磁场与通电线圈。 交流电：交流电：大小是变化的、方向是变化的大小是变化的、方向是变化的-幅值、幅值、 频率、相位频率、相位

3、单个线圈通入单相交流电将会产生怎样的磁场？单个线圈通入单相交流电将会产生怎样的磁场？ 5 从两方面进行分析：从两方面进行分析： 某一个瞬间，磁场的空间分布是对称的，磁场最大值出现某一个瞬间，磁场的空间分布是对称的，磁场最大值出现 的点是线圈的中心线（轴线）方向；的点是线圈的中心线（轴线）方向； 从时间变化，随时间变化从时间变化，随时间变化-电流大小变化电流大小变化-磁场的大小磁场的大小 和方向也是变化的和方向也是变化的-单最大值出现的点不变单最大值出现的点不变 即磁场是脉动的即磁场是脉动的-称为脉振磁场称为脉振磁场 那么，通电线圈在该磁场中是否会产生转矩？那么，通电线圈在该磁场中是否会产生转矩

4、？ 6 显然，不管通电线圈中是什么样的电流，由于磁显然，不管通电线圈中是什么样的电流，由于磁 场是周期性变化的，所以产生的转矩是零场是周期性变化的，所以产生的转矩是零 所以在该磁场中通电线圈不会旋转所以在该磁场中通电线圈不会旋转 那么磁场需要怎样处理才能产生转矩呢？那么磁场需要怎样处理才能产生转矩呢？ 7 从以上分析，脉振磁场不能产生转矩的原因是产从以上分析，脉振磁场不能产生转矩的原因是产 生转矩的叠加是零，因此希望不同时间磁场最大生转矩的叠加是零，因此希望不同时间磁场最大 值出现的点是变化的，这样才可能实现转矩的叠值出现的点是变化的，这样才可能实现转矩的叠 加不为零。加不为零。 因此需要磁场

5、最大值（轴线）是变化的。因此需要磁场最大值（轴线）是变化的。 8 9 一个磁场中放置一个线圈。一个磁场中放置一个线圈。 分析线圈要旋转的条件：分析线圈要旋转的条件： 交流异步电动机的基本原理分析交流异步电动机的基本原理分析 磁场旋转磁场旋转-切割线圈切割线圈-线圈产生电势线圈产生电势-产生产生 电流电流-在磁场中产生转矩在磁场中产生转矩-线圈旋转线圈旋转 旋转方向：旋转方向： 旋转的速度：旋转的速度： 10 因此，交流电机能够旋转的条件：因此，交流电机能够旋转的条件： 旋转磁场旋转磁场+闭合的线圈闭合的线圈 结果：线圈与磁场同方向旋转，速度小于磁场的结果：线圈与磁场同方向旋转，速度小于磁场的

6、速度，同时线圈的旋转速度与负载的大小有关。速度，同时线圈的旋转速度与负载的大小有关。 11 12 第一节第一节 工作原理及结构工作原理及结构 交流电机类型交流电机类型异步电机和同步电机异步电机和同步电机 同步电机同步电机的转速与交流电源频率之间存在严格不变的关系的转速与交流电源频率之间存在严格不变的关系 异步电机异步电机的转速与速度没有严格的对应关系。的转速与速度没有严格的对应关系。 异步电机异步电机一般都作电动机使用，应用广泛一般都作电动机使用，应用广泛 同步电机同步电机一般作为发电机使用。一般作为发电机使用。 按电源相数：单相电机和三相电机；按电源相数：单相电机和三相电机； 交流电机的分类

7、交流电机的分类 13 一、三相异步电动机的工作原理与运行状态一、三相异步电动机的工作原理与运行状态 直流电动机和异步电动机产生电磁转矩的区别直流电动机和异步电动机产生电磁转矩的区别 直流电动机直流电动机 静止磁场静止磁场+ +电源导入电枢绕组的电流电源导入电枢绕组的电流电磁转矩电磁转矩 三相异步电动机三相异步电动机 旋转磁场旋转磁场+ +在转子绕组中的感生电流在转子绕组中的感生电流电磁转矩电磁转矩 三相异步电动机中实现机电能量转换的三相异步电动机中实现机电能量转换的前提前提是产生一种是产生一种旋旋 转磁场转磁场 第一节第一节 工作原理及结构工作原理及结构 14 旋转磁场旋转磁场极性和大小不变，

8、且极性和大小不变，且 以一定转速旋转的磁场以一定转速旋转的磁场 对称三相绕组对称三相绕组A-X、B-Y、C-Z 三个线圈分布在定子铁心内圆圆周三个线圈分布在定子铁心内圆圆周 上，从空间上看，三相互差上，从空间上看，三相互差120 该绕组接上对称三相电源后通过对该绕组接上对称三相电源后通过对 称三相电流称三相电流 1.1.旋转磁场的产生旋转磁场的产生 B i A A X X B B Y Y C C Z Z A i C i 第一节第一节 工作原理及结构工作原理及结构 Am Bm Cm cos cos(120 ) cos(240 ) iIt iIt iIt 15 三相电流合成磁场三相电流合成磁场 电

9、流方向：电流方向： “+ +”首端流出、末端流入；首端流出、末端流入； “- -”末端流出、首端流入。末端流出、首端流入。 S N S N S N 120 结论：结论：当对称三相电流通入对称三相绕组时，产生一个大当对称三相电流通入对称三相绕组时，产生一个大 小不变、转速一定的旋转磁场。小不变、转速一定的旋转磁场。 第一节第一节 工作原理及结构工作原理及结构 16 三相电流：三相电流： 任意调换两根电源进线（任意调换两根电源进线（B B相和相和C C相互换）相互换） 2.2.旋转磁场的旋转方向旋转磁场的旋转方向 Am Bm Cm sin sin(120 ) sin(240 ) iIt iIt i

10、It C i B i A i i 60o m I o t S N 0 t 60t 0 n 60 N S 结论：结论：任意调换两根电源进线则旋转磁场反转，即旋转磁任意调换两根电源进线则旋转磁场反转，即旋转磁 场的旋转方向取决于三相电流的场的旋转方向取决于三相电流的相序相序。 C i A A X X C C Z Z B B Y Y A i B i 第一节第一节 工作原理及结构工作原理及结构 17 每相一个线圈：每相一个线圈： 绕组的首末端之间互差绕组的首末端之间互差180180o o 3.3.旋转磁场的磁极对数旋转磁场的磁极对数 C i A A X X C C Z Z B B Y Y A i B

11、i 0t 1p 极对数：极对数： 第一节第一节 工作原理及结构工作原理及结构 18 每相两个线圈串联：每相两个线圈串联： 绕组的首末端之间互差绕组的首末端之间互差9090o o BB ZZ A A C C B B X X Z Z Y Y AA XX CC YY A i C i B i 2p 极对数：极对数： 结论：结论：旋转磁场的磁极对数与三相绕组的排列规则有关。旋转磁场的磁极对数与三相绕组的排列规则有关。 S S N N 第一节第一节 工作原理及结构工作原理及结构 19 p=1： 三相电流经过一个周期三相电流经过一个周期T，旋转磁场在空间上转过，旋转磁场在空间上转过360o， 即电流变化一次

12、，旋转磁场转过一转，因此转速即电流变化一次，旋转磁场转过一转，因此转速ns与交流与交流 电流频率电流频率f1的关系：的关系： 4.4.旋转磁场的转速旋转磁场的转速 1 60r s nf （ /m） N N N N 20 N 1 r 2 s f n （ /s） N N N 结论：结论：旋转磁场的转速旋转磁场的转速ns（同步转速）与电源频率（同步转速）与电源频率f1、极对数、极对数 p有关。有关。 11 60 rr min s ff n pp （ /s）（ /） p=2： 三相电流经过一个周期三相电流经过一个周期 T，即电流变化一次，旋转，即电流变化一次，旋转 磁场在空间上仅转过磁场在空间上仅转过

13、1/2转，转， 因此转速因此转速ns与交流电流频率与交流电流频率 f1的关系：的关系： 类推，对于类推，对于p对磁极的旋转对磁极的旋转 磁场，电流变化一次，磁场磁场，电流变化一次，磁场 转过转过1/p转。转。 21 2p 180分）转/( 5001 1p 360分）转/( 0003 极对数极对数 每个电流周期每个电流周期 磁场转过的空间角度磁场转过的空间角度 同步转速同步转速 )f(Hz50 1 3p120分）转/( 0001 4p分分）转转/( 750 90 第一节第一节 工作原理及结构工作原理及结构 22 在定子和转子间的气隙中建立在定子和转子间的气隙中建立以同以同 步转速步转速n ns

14、s旋转的旋转磁场旋转的旋转磁场； 转子导条构成闭合回路；转子导条构成闭合回路； 导条切割旋转磁场导条切割旋转磁场感应电动势感应电动势； 导条构成闭合回路有导条构成闭合回路有感生电流感生电流流过；流过； 导条在旋转磁场中、并流过感生电导条在旋转磁场中、并流过感生电 流，必受到流，必受到电磁力电磁力； 所有导条的电磁力所有导条的电磁力合成为电磁转矩合成为电磁转矩； 转子跟随旋转磁场旋转，转速为转子跟随旋转磁场旋转，转速为n n， 实现机电能量转换。实现机电能量转换。 5.5.三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的工作原理 右手定则决 定电动势和 电流方向 左手定则决 定电磁力和 转矩方向 旋转磁

15、场以旋转磁场以n ns s逆时针转动逆时针转动 感应电动势和电流方向：感应电动势和电流方向：N N 极下流入、极下流入、S S极下流出极下流出 电磁力和电磁转矩方向：逆电磁力和电磁转矩方向：逆 时针时针 转子旋转方向：逆时针转子旋转方向：逆时针 第一节第一节 工作原理及结构工作原理及结构 23 问题：问题：转子转速转子转速n n为多大？能否与为多大？能否与n ns s相同？能否超过相同？能否超过n ns s ？ 异步电动机转动的关键异步电动机转动的关键在于导条受到电磁力的作用在于导条受到电磁力的作用 产生电磁力的条件产生电磁力的条件 导条中有电流流过导条中有电流流过 导条中电流来源导条中电流来

16、源 导条中的感应电动势导条中的感应电动势 产生感应电动势的条件产生感应电动势的条件 导条与旋转磁场之间存在导条与旋转磁场之间存在相对运动相对运动，导条切割旋转磁场，导条切割旋转磁场 而发生电磁感应作用而发生电磁感应作用 结论：结论：异步电动机的转子转速异步电动机的转子转速n n总是略小于旋转磁场的同步总是略小于旋转磁场的同步 转速转速n ns s，即与旋转磁场，即与旋转磁场“异步异步”地转动地转动“异步异步”电动机电动机 6.6.三相异步电动机的转速三相异步电动机的转速 第一节第一节 工作原理及结构工作原理及结构 24 转差转差转速转速n ns s与与n n之差之差 结论：结论：转差的存在是异

17、步电动机运行的必要条件转差的存在是异步电动机运行的必要条件 转差率转差率转差转差n ns s-n-n与同步转速与同步转速n ns s之比的百分值之比的百分值 转子转速转子转速n n与转差率之间的关系：与转差率之间的关系： 100% s s nn s n (1) s ns n 第一节第一节 工作原理及结构工作原理及结构 25 讨论讨论 从异步机的工作原理看，对异步机的结构有何要求？从异步机的工作原理看，对异步机的结构有何要求？ 异步机的转子如何实现闭合？异步机的转子如何实现闭合？ 异步机转子的电流是交流还是直流？异步机转子的电流是交流还是直流？ 对异步机转子的相数是否有要求？对异步机转子的相数是

18、否有要求？ 26 二二 三相异步电动机的结构三相异步电动机的结构 绕线转子异步电机剖面图绕线转子异步电机剖面图 1 1转子绕组转子绕组 2 2端盖端盖 3 3轴承轴承 4 4定子绕组定子绕组 5 5转子铁心转子铁心 6 6定子铁心定子铁心 7 7集电环集电环 8 8出线盒出线盒 第一节第一节 工作原理及结构工作原理及结构 27 第一节第一节 工作原理及结构工作原理及结构 28 第一节第一节 工作原理及结构工作原理及结构 29 异步电机的定子由异步电机的定子由定子铁心定子铁心、定子绕组定子绕组和和机座机座三部分组成三部分组成 定子铁心定子铁心：是异步电机主磁通磁路的一部分：是异步电机主磁通磁路的

19、一部分 1 1、定子、定子 第一节第一节 工作原理及结构工作原理及结构 30 定子绕组定子绕组：是异步电机定子部分的电路：是异步电机定子部分的电路 由许多线圈按一定规律连接而成，单层或双层形式由许多线圈按一定规律连接而成，单层或双层形式 定子冲片定子冲片减少减少 旋转磁场的涡流损旋转磁场的涡流损 耗和磁滞损耗耗和磁滞损耗 第一节第一节 工作原理及结构工作原理及结构 31 机座：机座：固定和支撑定子铁心固定和支撑定子铁心 2 2、转子、转子 异步电机的转子由异步电机的转子由转子铁心转子铁心、转子绕组转子绕组和和转轴转轴组成。组成。 转子铁心：转子铁心：也是异步电机主磁通磁路的一部分。也是异步电机

20、主磁通磁路的一部分。 第一节第一节 工作原理及结构工作原理及结构 32 转子绕组：分为鼠笼型和绕线型两种结构。转子绕组：分为鼠笼型和绕线型两种结构。 鼠笼型绕组鼠笼型绕组 绕组可自行闭合，绕组的相数亦不必限定为三相，笼型绕绕组可自行闭合，绕组的相数亦不必限定为三相，笼型绕 组的各相均由单根导条组成。组的各相均由单根导条组成。 s5%，导条中的感应电动势不大，无需对导条和铁心绝，导条中的感应电动势不大，无需对导条和铁心绝 缘。因此，笼型绕组可由插入每个转子槽中的导条和两端缘。因此，笼型绕组可由插入每个转子槽中的导条和两端 的环形端环组成。的环形端环组成。 特点：特点：无集电环，又无绝缘。无集电环

21、，又无绝缘。 铜条笼 型转子 铸铝笼 型转子 第一节第一节 工作原理及结构工作原理及结构 每一根导条在同一时间的电势是否相同？每一根导条在同一时间的电势是否相同？ 33 34 鼠笼型转子鼠笼型转子 第一节第一节 工作原理及结构工作原理及结构 35 绕线型绕组绕线型绕组 也是一个对称三相绕组，接成星形，并接到转轴上的三个也是一个对称三相绕组，接成星形，并接到转轴上的三个 集电环上，再通过电刷使转子绕组与外电路接通。集电环上，再通过电刷使转子绕组与外电路接通。 特点：特点：绕线型转子通过集电环和电刷，可以在转子回路中绕线型转子通过集电环和电刷，可以在转子回路中 接入附加电阻或其他控制装置，从而改善

22、电机的起动性能接入附加电阻或其他控制装置，从而改善电机的起动性能 或调速特性。或调速特性。 第一节第一节 工作原理及结构工作原理及结构 36 绕线型转子绕线型转子 第一节第一节 工作原理及结构工作原理及结构 37 气隙大小对异步电动机性能的影响：气隙大小对异步电动机性能的影响： 气隙大气隙大磁阻大磁阻大励磁电流大励磁电流大电机的功率因数变坏；电机的功率因数变坏； 气隙大气隙大磁阻大磁阻大减少气隙磁场谐波含量减少气隙磁场谐波含量减少附加损减少附加损 耗，且改善起动性能。耗，且改善起动性能。 应综合考虑，一般异步电动机的气隙以较小为宜应综合考虑，一般异步电动机的气隙以较小为宜 3 3、气隙、气隙

23、第一节第一节 工作原理及结构工作原理及结构 38 第二节第二节 三相异步电动机的铭牌数据三相异步电动机的铭牌数据 额定功率：额定功率：电动机在额定运行状态时输出的机械功率，电动机在额定运行状态时输出的机械功率，kW 额定电压：额定电压：额定运行时，电网加在定子绕组的线电压，额定运行时，电网加在定子绕组的线电压，V 额定电流：额定电流：电动机在额定电压下使用，输出额定功率时，定电动机在额定电压下使用，输出额定功率时，定 子绕组中的线电流，子绕组中的线电流，A 额定频率：额定频率：我国规定标准工业用电频率我国规定标准工业用电频率50Hz 额定转速：额定转速：电动机在额定电压、额定频率及额定功率下的

24、转电动机在额定电压、额定频率及额定功率下的转 子转速，子转速，r/min 此外，还标明有相数与接法、绝缘等级、运行温升、额定效此外，还标明有相数与接法、绝缘等级、运行温升、额定效 率、额定功率因数等；对绕线转子异步电动机，还标明有额率、额定功率因数等；对绕线转子异步电动机，还标明有额 定电动势、额定电流等。定电动势、额定电流等。 3cos3cos NNNNN PUIU I 案例案例 1.单相绕组通以单相交流电，产生脉振磁场；那单相绕组通以单相交流电，产生脉振磁场；那 么能分析脉振磁场与圆形旋转磁场之间的关系？么能分析脉振磁场与圆形旋转磁场之间的关系？ 2.异步电动机有哪些运行状态？这些运行状态

25、转异步电动机有哪些运行状态？这些运行状态转 差率的取值范围多大？差率的取值范围多大？ 3.异步机旋转方向改变的方法。异步机旋转方向改变的方法。 4.异步电动机定子电流估计的方式。异步电动机定子电流估计的方式。 5.异步电动机负载增大异步电动机负载增大时时，定子电流是否发生变，定子电流是否发生变 化？化？ 39 40 一台三相绕线式异步电动机的铭牌数据为：一台三相绕线式异步电动机的铭牌数据为：e 7.5， e 380，e 0.87，e0.85，e 1440 转分，转分，fe50Hz。在额定转速下运行时，空载损耗等于。在额定转速下运行时，空载损耗等于 1KW。求在额定状态运行时：。求在额定状态运行

26、时： 同步转速和极对数。同步转速和极对数。 额定电流额定电流Ie，转差率，转差率Se 41 根据转速或转差率的不同，异步电机分根据转速或转差率的不同，异步电机分 别对应于三种不同的运行状态：别对应于三种不同的运行状态： 电动机状态电动机状态0nn0nns s或或0s10s00，发出机械功率，发出机械功率 定子侧定子侧：吸收电功率：吸收电功率 吸收电功率吸收电功率发出机械功率发出机械功率电动电动 机机 7.7.三相异步电动机的运行状态三相异步电动机的运行状态 第一节第一节 工作原理及结构工作原理及结构 42 发电机状态发电机状态nnnns s或或s0s0 转子侧：转子侧：T Te e与与n n反

27、向，为制动转矩，反向，为制动转矩， T Te e00，吸收机械功率，吸收机械功率 定子侧：定子侧：发出电功率发出电功率 吸收机械功率吸收机械功率发出电功率发出电功率发电机发电机 第一节第一节 工作原理及结构工作原理及结构 电磁制动状态电磁制动状态n0n1s1 转子侧：转子侧：TeTe与与n n反向，反向，TeTe为制动转矩，为制动转矩， TeTe00，吸收机械功率，吸收机械功率 定子侧：定子侧：吸收电功率吸收电功率 吸收电功率吸收电功率+ +吸收机械功率吸收机械功率转子电阻热转子电阻热 损耗损耗电磁制动状态电磁制动状态 43 异步电机三种运行状态对比：异步电机三种运行状态对比： 第一节第一节

28、工作原理及结构工作原理及结构 44 第三节第三节 三相异步电动机的定子绕组三相异步电动机的定子绕组 交流电机的共同理论问题交流电机的共同理论问题 三相交流绕组的三相交流绕组的绕组结构绕组结构 三相交流绕组产生的三相交流绕组产生的磁势动分析磁势动分析 三相交流绕组产生的三相交流绕组产生的感应电动势分析感应电动势分析 对定子三相绕组的要求对定子三相绕组的要求 通入三相交流电所建立的旋转磁场具有一定的极数、通入三相交流电所建立的旋转磁场具有一定的极数、 大小，在空间呈正弦波分布大小，在空间呈正弦波分布 旋转磁场在绕组本身中所感应的电动势也是对称的旋转磁场在绕组本身中所感应的电动势也是对称的 45 一

29、、交流绕组的一些基本知识和基本量一、交流绕组的一些基本知识和基本量 1 1、电角度与机械角度、电角度与机械角度 电角度电角度= p机械角度机械角度 电机圆周在几何上为电机圆周在几何上为360o， 该角度称为该角度称为机械角度机械角度 从电磁角度看，一对从电磁角度看，一对N、S 极构成一个磁场周期，即极构成一个磁场周期，即 一对磁极占有的空间为一对磁极占有的空间为360o 电角度电角度 电机的极对数为电机的极对数为p时，电机时，电机 圆周按电角度计算就为圆周按电角度计算就为 p360o，而机械角度总是，而机械角度总是 360o，即：，即： 第三节第三节 三相异步电动机的定子绕组三相异步电动机的定

30、子绕组 46 2 2、线圈、线圈 组成交流绕组的组成交流绕组的基本单元基本单元是线圈是线圈 线圈可以分为线圈可以分为单匝单匝线圈和线圈和多匝多匝线圈线圈 线圈有两个引出线，一个叫线圈有两个引出线，一个叫首端首端，另一个叫，另一个叫末端末端 第三节第三节 三相异步电动机的定子绕组三相异步电动机的定子绕组 47 3 3、节距、节距y y1 1 一个线圈的两个边所跨定子圆周上的距离称为一个线圈的两个边所跨定子圆周上的距离称为节距节距，用，用y1 表示，一般用表示，一般用槽数槽数计算。计算。 节距应接近极距节距应接近极距 y1=整距绕组整距绕组 y1长距绕组长距绕组 常用常用的是整距和短距绕组的是整距

31、和短距绕组 第三节第三节 三相异步电动机的定子绕组三相异步电动机的定子绕组 48 4 4、槽距角、槽距角 相邻槽之间的电角度称为相邻槽之间的电角度称为槽距角槽距角，用，用表示表示 若若Q1为定子槽数、为定子槽数、p为极对数，则槽距角：为极对数，则槽距角： 1 360p Q 图例中，图例中，Q1=36 机械角：机械角： 槽距角：槽距角： 1 1 360360 10 36Q 1 3602 360 20 36 p Q 第三节第三节 三相异步电动机的定子绕组三相异步电动机的定子绕组 49 5 5、每极每相槽数、每极每相槽数q q 每极每相槽数每极每相槽数每一个极下每相绕组所占的槽数，用每一个极下每相绕

32、组所占的槽数，用q表示表示 若若Q1为定子槽数、为定子槽数、p为极对数、为极对数、m为相数，则：为相数，则： 三相绕组中三相绕组中与与q之间的关系：之间的关系： 1 2 Q q pm 1 36036036060 22 3 pp Qpmqqq 第三节第三节 三相异步电动机的定子绕组三相异步电动机的定子绕组 50 6 6、相带、相带 相带相带每个极距内属于同一相的槽所占有的连续区域，每个极距内属于同一相的槽所占有的连续区域， 用电角度表示用电角度表示 一般的三相异步电动机中都采用一般的三相异步电动机中都采用60o相带绕组相带绕组 60o相带绕组相带绕组 三相绕组每个极距内共有三三相绕组每个极距内共

33、有三 个相带；个相带； 每个极距为每个极距为180o电角度；电角度； 则每个相带为则每个相带为60o电角度；电角度； 每相绕组的所有相带均相隔每相绕组的所有相带均相隔 一个极距。一个极距。 第三节第三节 三相异步电动机的定子绕组三相异步电动机的定子绕组 51 二、交流绕组的基本要求和构成原则二、交流绕组的基本要求和构成原则 1 1、基本要求、基本要求 必须形成规定的必须形成规定的磁场极数磁场极数； 多相绕组必须多相绕组必须对称对称，不仅要求，不仅要求m相绕组的匝数、跨距、以相绕组的匝数、跨距、以 及在圆周上的分布情况相同，而且及在圆周上的分布情况相同，而且m相绕组的轴线在空间相绕组的轴线在空间

34、 上互差上互差360o/m电角度；电角度； 力求绕组磁场和感应电动势接近力求绕组磁场和感应电动势接近正弦波正弦波，因此采用分布绕，因此采用分布绕 组和短距绕组；组和短距绕组； 力求绕组力求绕组磁场和感应电动势最大磁场和感应电动势最大，因此线圈跨距应尽可能，因此线圈跨距应尽可能 接近极距、且对于三相绕组尽可能采用接近极距、且对于三相绕组尽可能采用60o相带；相带； 用铜省；下线方便；强度好。用铜省；下线方便；强度好。 第三节第三节 三相异步电动机的定子绕组三相异步电动机的定子绕组 52 2 2、构成原则、构成原则 均匀原则：均匀原则：每个极域内的槽数（线圈数）要相等，各相绕每个极域内的槽数（线圈

35、数）要相等，各相绕 组在每个极域内所占的槽数应相等。组在每个极域内所占的槽数应相等。 每极槽数用极距每极槽数用极距表示表示 每极每相槽数每极每相槽数q 对称原则：对称原则：三相绕组的结构完全一样，但在电机的圆周空三相绕组的结构完全一样，但在电机的圆周空 间互相错开间互相错开120o电角度。电角度。 如槽距角为如槽距角为，则相邻两相错开的槽数为，则相邻两相错开的槽数为120o/ 电势相加原则：电势相加原则：线圈两个边的感应电动势应该相加，线圈线圈两个边的感应电动势应该相加，线圈 与线圈之间的连接也应符合这一原则。与线圈之间的连接也应符合这一原则。 如线圈的一个边在如线圈的一个边在N极下，则另一个

36、边应在极下，则另一个边应在S极下极下 第三节第三节 三相异步电动机的定子绕组三相异步电动机的定子绕组 53 三、交流绕组的排列和连接三、交流绕组的排列和连接 为便于说明，假设给定电机极数为便于说明，假设给定电机极数2p=4，槽数，槽数Q1=24 1 1、极距计算、极距计算 1 2 Q p 对于对于2p=4、Q1=24，则，则=6 2 2、线圈中的电流方向、线圈中的电流方向 两极磁两极磁 动势图动势图 四极磁四极磁 动势图动势图 要求：要求：在相邻在相邻 极距内属于同极距内属于同 一相绕组，而一相绕组，而 相邻一个极距相邻一个极距 的线圈边中电的线圈边中电 流方向相反流方向相反 第三节第三节 三

37、相异步电动机的定子绕组三相异步电动机的定子绕组 54 3 3、确定相带、确定相带 按对称性要求，每相绕组占有相等的槽数按对称性要求，每相绕组占有相等的槽数Q1/m； 每相绕组按极距对称而均匀地分组分布，每个极距内一个每相绕组按极距对称而均匀地分组分布，每个极距内一个 线圈组，每个组槽数即为线圈组，每个组槽数即为q=Q1/2pm； 对于对于Q1=24、m=3、2p=4，则，则q=2，即每个相带占据，即每个相带占据2个槽、个槽、 对应于对应于60o电角度。电角度。 4 4、画定子槽的展开图、画定子槽的展开图 确定相带和应有的电流相对方向确定相带和应有的电流相对方向单层一相绕组的一种连接方法单层一相

38、绕组的一种连接方法 第三节第三节 三相异步电动机的定子绕组三相异步电动机的定子绕组 55 三相绕组排列和连接的一般方法归纳为：三相绕组排列和连接的一般方法归纳为： 计算极距计算极距； 计算每极每相槽数计算每极每相槽数q； 划分相带；划分相带； 组成线圈组组成线圈组 按极性对电流方向的要求分别构成一相绕组按极性对电流方向的要求分别构成一相绕组 第三节第三节 三相异步电动机的定子绕组三相异步电动机的定子绕组 56 四、三相单层绕组四、三相单层绕组 特点：特点：单层绕组的每一个槽内只有一个线圈边，整个绕组单层绕组的每一个槽内只有一个线圈边，整个绕组 的线圈数等于总槽数的一半。的线圈数等于总槽数的一半

39、。 假设假设Q1=24槽、槽、m=3相、相、2p=4极，说明单层绕组构成极，说明单层绕组构成 1 1、计算极距、计算极距 1 24 6 22 2 Q p 2 2、计算每极每相槽数、计算每极每相槽数 1 24 2 22 2 3 Q q pm 分极：分极：将总槽数按给定极数将总槽数按给定极数 均匀分开均匀分开 分相：分相：将每个极域槽数按给将每个极域槽数按给 定相数均匀分开，三相在空定相数均匀分开，三相在空 间错开间错开120o电角度电角度 第三节第三节 三相异步电动机的定子绕组三相异步电动机的定子绕组 57 3 3、划分相带、划分相带 相带 槽号 AZBXCY 第一对极1,23,45,67,89

40、,1011,12 第二对极13,1415,1617,1819,2021,2223,24 第三节第三节 三相异步电动机的定子绕组三相异步电动机的定子绕组 58 4 4、组成线圈组、组成线圈组 将一对极域内属于同一相的某两个线圈边连成一个线圈，将一对极域内属于同一相的某两个线圈边连成一个线圈， 共有共有q q个线圈个线圈 将一对极域内属于同一相的将一对极域内属于同一相的q q个线圈连成一个线圈组，共个线圈连成一个线圈组，共 有有p p个线圈组个线圈组 以上连接应符合以上连接应符合电势相加原则电势相加原则 第三节第三节 三相异步电动机的定子绕组三相异步电动机的定子绕组 59 5 5、连相绕组、连相绕

41、组 将属于同一相的将属于同一相的p p个线圈组连成一相绕组，并标记首尾端个线圈组连成一相绕组，并标记首尾端 串联与并联：串联与并联： 电势相加原则电势相加原则 最大并联支路数：最大并联支路数： a=p 第三节第三节 三相异步电动机的定子绕组三相异步电动机的定子绕组 60 将三个构造好的单相绕组连成完整的三相绕组将三个构造好的单相绕组连成完整的三相绕组 Y接法或接法或接法接法 等元件式整距叠绕组等元件式整距叠绕组 缺点：缺点：端接部分重叠层数较多端接部分重叠层数较多 由于所形成的磁动势仅与线圈边中的电流方向有关，而与由于所形成的磁动势仅与线圈边中的电流方向有关，而与 线圈边连接次序无关，可改成线

42、圈边连接次序无关，可改成同心式绕组同心式绕组 第三节第三节 三相异步电动机的定子绕组三相异步电动机的定子绕组 61 同心式绕组同心式绕组 特点：特点：线圈组中各线圈节距不等，各线圈轴线重合线圈组中各线圈节距不等，各线圈轴线重合 第三节第三节 三相异步电动机的定子绕组三相异步电动机的定子绕组 62 五、三相双层绕组五、三相双层绕组 特点：特点：整个绕组的线圈数等于总槽数。整个绕组的线圈数等于总槽数。 仍假设仍假设Q1=24槽、槽、m=3相、相、2p=4极，说明双层叠绕组构成极，说明双层叠绕组构成 1 1、计算极距、计算极距 1 24 6 22 2 Q p 2 2、计算每极每相槽数、计算每极每相槽

43、数 1 24 2 22 2 3 Q q pm 分极：分极：将总槽数按给定极数将总槽数按给定极数 均匀分开均匀分开 分相：分相：将每个极域槽数按给将每个极域槽数按给 定相数均匀分开，三相在空定相数均匀分开，三相在空 间错开间错开120o电角度电角度 第三节第三节 三相异步电动机的定子绕组三相异步电动机的定子绕组 63 3 3、划分相带、划分相带 双层绕组应对每层线圈边确定其所属相带双层绕组应对每层线圈边确定其所属相带 通常用上层线圈边的分相作为代表，称为通常用上层线圈边的分相作为代表，称为槽的分相槽的分相 按照绕组节距按照绕组节距y1，下层线圈边的分相随即自动确定，下层线圈边的分相随即自动确定

44、相带 槽号 AZBXCY 第一对极1,23,45,67,89,1011,12 第二对极13,1415,1617,1819,2021,2223,24 第三节第三节 三相异步电动机的定子绕组三相异步电动机的定子绕组 64 4 4、组成线圈组：、组成线圈组： 将同一极域内属于同一相的上层边与相隔y1的下层边连成一个线圈，共有q个 线圈 线圈边之间的距离取决于选定的节距y1 将同一极域内属于同一相的q个线圈连成一个线圈组，共有2p个线圈组 以上连接应符合电势相加原则 y1=6 第三节第三节 三相异步电动机的定子绕组三相异步电动机的定子绕组 65 5 5、连相绕组：、连相绕组： 将属于同一相的将属于同一

45、相的2p个线圈组连成一相绕组，并标记首尾端个线圈组连成一相绕组，并标记首尾端 串联与并联串联与并联电势相加原则电势相加原则 最大并联支路数最大并联支路数 a=2p 按照同样方法构造其他两相按照同样方法构造其他两相 将三个构造好的单相绕组连成完整的三相绕组将三个构造好的单相绕组连成完整的三相绕组 A相绕组连相绕组连 接接 第三节第三节 三相异步电动机的定子绕组三相异步电动机的定子绕组 66 第四节第四节 定子磁动势及磁场定子磁动势及磁场 旋转磁场由旋转磁动势产生旋转磁场由旋转磁动势产生 旋转磁动势的大小、波形、其他属性旋转磁动势的大小、波形、其他属性 磁动势分析：磁动势分析： 线圈线圈线圈组线圈

46、组一个相绕组一个相绕组三个相绕组三个相绕组 67 一、单相绕组的磁动势一、单相绕组的磁动势脉振磁动势脉振磁动势 2极整距线圈的磁动势极整距线圈的磁动势：在空间分布是一个矩形波，周期为：在空间分布是一个矩形波，周期为 两个极距两个极距2，幅值为磁回路所围全电流的一半，幅值为磁回路所围全电流的一半Nyiy/2 设交流电流：设交流电流： 则产生的磁动势分布矩形波幅值为：则产生的磁动势分布矩形波幅值为： 1、整距线圈的磁动势、整距线圈的磁动势 2 cosiIt 12 ( , )cos 22 yyy fx tN iN It x 第四节第四节 定子磁动势及磁场定子磁动势及磁场 68 磁动势幅值是时间的函数

47、，大小随电流变化：磁动势幅值是时间的函数，大小随电流变化： t=0，i=Im，磁动势幅值达最大值，磁动势幅值达最大值Fym； t=90o，i=0，磁动势幅值为零；，磁动势幅值为零； t90o，i0，磁动势随之改变方向。，磁动势随之改变方向。 这种从空间上看位置固定，从时间上看大小在正负最大值这种从空间上看位置固定，从时间上看大小在正负最大值 之间变化的磁动势，称为之间变化的磁动势，称为脉振磁动势脉振磁动势 脉振的频率脉振的频率就是交流电流的频率就是交流电流的频率 x 第四节第四节 定子磁动势及磁场定子磁动势及磁场 69 4极整距线圈的磁动势：极整距线圈的磁动势：与与2极情况完全相同，磁动势分布

48、极情况完全相同，磁动势分布 波形的周期数增加为波形的周期数增加为p倍倍 结论：结论：异步电动机一个整距线圈磁动势分布和大小变化的规异步电动机一个整距线圈磁动势分布和大小变化的规 律是，在空间按矩形波分布，大小随时间作正弦变化。律是，在空间按矩形波分布，大小随时间作正弦变化。 第四节第四节 定子磁动势及磁场定子磁动势及磁场 70 应用应用傅氏级数傅氏级数将按矩形分布的磁动势波进行分解将按矩形分布的磁动势波进行分解 由于由于磁动势分布对横轴的对称性磁动势分布对横轴的对称性，即，即f(x)=-f(x+)，因此矩，因此矩 形波分解后形波分解后仅含有奇次谐波仅含有奇次谐波； 又由于又由于磁动势分布对纵轴

49、的对称性磁动势分布对纵轴的对称性，即，即f(x)=f(-x)，因此矩，因此矩 形波分解后形波分解后仅含有余弦项仅含有余弦项； 基波幅值基波幅值是矩形波幅值的是矩形波幅值的4/倍，倍， （奇数）次（奇数）次谐波幅值谐波幅值是是 基波幅值的基波幅值的1/倍。倍。 按傅里叶级数展开的磁动势幅值为：按傅里叶级数展开的磁动势幅值为： 135 ( )coscos3cos5 ymyyy FxFxFxFx 142 sin,1,3,5, 22 yvy FN Ivv v 其中，其中， 第四节第四节 定子磁动势及磁场定子磁动势及磁场 71 一个整距线圈所产生的脉振磁动势表达式为：一个整距线圈所产生的脉振磁动势表达式

50、为： ( , )( )cos 4211 coscos3cos5cos 235 11 0.9coscos3cos5cos 35 yym y y fx tFxt N Ixxxt N Ixxxt 把以把以2 2为周期的为周期的 矩形磁动势波用傅矩形磁动势波用傅 氏级数分解氏级数分解 第四节第四节 定子磁动势及磁场定子磁动势及磁场 72 组成线圈组的线圈，相互组成线圈组的线圈，相互 间隔一个槽距角间隔一个槽距角，且是，且是 串联的串联的 2、线圈组的磁动势、线圈组的磁动势 整距线圈的线圈组磁动势整距线圈的线圈组磁动势 以以q=3q=3的单层整距线圈组为例：的单层整距线圈组为例： 每个整距线圈形成一个矩

51、形磁动势波，共每个整距线圈形成一个矩形磁动势波，共3 3个个 3 3个矩形波的幅值都相同，在空间彼此间隔个矩形波的幅值都相同，在空间彼此间隔电角度电角度 每个矩形波都可分解为基波及一系列奇次谐波：基波相加，每个矩形波都可分解为基波及一系列奇次谐波：基波相加， 得到基波合成磁动势；各次谐波相加，得到各次谐波合成得到基波合成磁动势；各次谐波相加，得到各次谐波合成 磁动势磁动势 逐点相加法；矢量相加法逐点相加法；矢量相加法 第四节第四节 定子磁动势及磁场定子磁动势及磁场 73 整距线圈的线圈组基波合成磁动势幅值计算：整距线圈的线圈组基波合成磁动势幅值计算： 各线圈磁 动势波 合成磁动 势的基波 1

52、2 sin 2 q q FR 1 2 sin 2 y FR 每个基波磁动势幅值每个基波磁动势幅值 基波合成磁动势幅值基波合成磁动势幅值 第四节第四节 定子磁动势及磁场定子磁动势及磁场 74 单层整距线圈组的单层整距线圈组的基波合成磁动势幅值基波合成磁动势幅值为：为： k kq1 q1称为基波磁动势的 称为基波磁动势的分布因数分布因数： 它表示同样匝数分布绕组的基波磁动势，比有同样匝数集它表示同样匝数分布绕组的基波磁动势，比有同样匝数集 中绕组（中绕组（q q个线圈集中在一个槽内）的基波磁动势，所减个线圈集中在一个槽内）的基波磁动势，所减 小的系数。显然，小的系数。显然，k kq1 q11 1。

53、 11111 sin 42 2 2 sin 2 qyyqyq q FqFqF kqN Ik q 1 sin 2 sin 2 q q k q 第四节第四节 定子磁动势及磁场定子磁动势及磁场 75 单层整距线圈组的高次谐波合成磁动势幅值为：单层整距线圈组的高次谐波合成磁动势幅值为： kqv称为称为v次谐波磁动势的分布因数：次谐波磁动势的分布因数： 它表示同样匝数分布绕组的高次谐波磁动势，比有同样匝它表示同样匝数分布绕组的高次谐波磁动势，比有同样匝 数集中绕组（数集中绕组（q个线圈集中在一个槽内）的高次谐波磁动个线圈集中在一个槽内）的高次谐波磁动 势，所减小的系数。显然，势，所减小的系数。显然，kq

54、v1。 1 42 2 qvyvqvyqv FqF kqN Ik v sin 2 sin 2 qv qv k v q 第四节第四节 定子磁动势及磁场定子磁动势及磁场 76 例例4-24-2 一台一台4 4极三相异步电动机，定子槽数为极三相异步电动机，定子槽数为3636， 计算其基波和计算其基波和5 5次、次、7 7次谐波磁动势的分布因数。次谐波磁动势的分布因数。 解解 计算每相每极槽数计算每相每极槽数q q和和值：值： 3 232 36 2 1 mp Q q 6060 20 3q 基波分布因数基波分布因数960. 0 2 20 sin3 2 203 sin 1 q k 第四节第四节 定子磁动势及

55、磁场定子磁动势及磁场 77 五次谐波分布因数五次谐波分布因数217. 0 2 205 sin3 2 )205 (3 sin 5 q k 七次谐波分布因数七次谐波分布因数 7 3 (7 20 ) sin 2 0.177 7 20 3sin 2 q k 第四节第四节 定子磁动势及磁场定子磁动势及磁场 78 可见可见，采用分布绕组采用分布绕组，使基波合成磁动势有所减小的同时，使基波合成磁动势有所减小的同时， 大大减少了合成磁动势中谐波含量大大减少了合成磁动势中谐波含量 采用分布绕组的结论：采用分布绕组的结论： 优点优点能减少谐波含量，磁动势波形趋近于正弦波，能减少谐波含量，磁动势波形趋近于正弦波，

56、是改善磁动势波形的有效措施之一是改善磁动势波形的有效措施之一 缺点缺点基波合成磁动势有所减小基波合成磁动势有所减小 第四节第四节 定子磁动势及磁场定子磁动势及磁场 79 短距线圈的线圈组磁动势短距线圈的线圈组磁动势 以以q=2q=2、=6=6、y y1 1=5=5的双层短的双层短 距叠绕组为例：距叠绕组为例： 磁动势仅与线圈边中的电磁动势仅与线圈边中的电 流方向有关，而与线圈边流方向有关，而与线圈边 连接次序无关连接次序无关 从形成磁动势的角度来看，从形成磁动势的角度来看， 可以可以2 2个双层短距线圈组个双层短距线圈组 等效等效为为2 2个单层整距线圈个单层整距线圈 组组 a) a) 双层短

57、距线圈组双层短距线圈组 b) b) 等效的单层整距线圈组等效的单层整距线圈组 第四节第四节 定子磁动势及磁场定子磁动势及磁场 80 2 2个等效整距线圈组在个等效整距线圈组在空间上的位移空间上的位移 为为电角度，正好等于短距线圈组中电角度，正好等于短距线圈组中 线圈节距缩短的电角度，即：线圈节距缩短的电角度，即： 上下层等效整距线圈组的上下层等效整距线圈组的基波磁动势基波磁动势： 幅值均为幅值均为F Fq1 q1，相互间位移为 ，相互间位移为电角度电角度 上下层等效整距线圈组的上下层等效整距线圈组的v v次谐波磁次谐波磁 动势动势：幅值均为：幅值均为F Fqv qv，相互间位移为 ，相互间位移

58、为 v v电角度电角度 采用采用矢量相加矢量相加的方法，得到上下层等的方法，得到上下层等 效整距线圈组的基波合成磁动势幅值效整距线圈组的基波合成磁动势幅值 11 1 yy 第四节第四节 定子磁动势及磁场定子磁动势及磁场 81 双层短距线圈组的基波合成磁动势幅值为：双层短距线圈组的基波合成磁动势幅值为： ky1为基波磁动势的为基波磁动势的节距因数节距因数 它表示线圈采用短距后所形成的磁动势比整距时应打的折它表示线圈采用短距后所形成的磁动势比整距时应打的折 扣。显然，整距时扣。显然，整距时ky1=1，短距时，短距时ky11。 111)1(1 2 2 cos2 yqqp kFFF 90sin)180

59、180( 2 1 cos 2 cos 11 1 yy k y 第四节第四节 定子磁动势及磁场定子磁动势及磁场 82 也就是说，也就是说，节距节距y y1 1比整距缩短比整距缩短/v/v时，可消除时，可消除v v次谐波磁动势次谐波磁动势 采用短距绕组的结论：采用短距绕组的结论： 优点优点从消除或削弱磁动势中某次谐波来说，采用短从消除或削弱磁动势中某次谐波来说，采用短 距线圈组，也可改善磁动势波形距线圈组，也可改善磁动势波形 缺点缺点基波合成磁动势有所减小基波合成磁动势有所减小 1 y v v 0 yv k 第四节第四节 定子磁动势及磁场定子磁动势及磁场 同理，同理，v次谐波合成磁动势幅值、以及次

60、谐波合成磁动势幅值、以及v次谐波磁动势的节距次谐波磁动势的节距 因数分别为：因数分别为： yvqvpv kFF2 )1( 2 cos90sin 1 vvy kyv 83 绕组由绕组由集中改为分布集中改为分布，基波合成磁动势幅值打一个，基波合成磁动势幅值打一个折扣折扣kq1 线圈由整距改为短距，基波合成磁动势幅值打一个线圈由整距改为短距，基波合成磁动势幅值打一个折扣折扣ky1 由由短距短距线圈组成的线圈组成的分布分布绕组的基波合成磁动势幅值等于具有绕组的基波合成磁动势幅值等于具有 相同匝数的整距集中绕组的基波合成磁动势幅值乘以系数相同匝数的整距集中绕组的基波合成磁动势幅值乘以系数 kw1=kq1