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12345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

2、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。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

3、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。601pnf 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

4、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这种电机称为同步电机。这种电机称为同步电机。601pnf 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

5、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，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

6、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

7、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

8、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。m180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

9、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 NS SN NS SS SN 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q qp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pmZq2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Zp

10、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。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pD2pZ2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

11、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

12、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；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

13、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1260np1122. 2fE 11mp2Bl11m12EBlv11p26060nnvDp1 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NSe1bB1t0e1N01800360bne1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A112sineEt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，定子感应电动势定子感应电动势就交变一次，即就

14、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，11m0sin()bBt0tB1102sin()eEteB1与与eA1的有效值相同，但相

15、位不同。的有效值相同，但相位不同。A112sineEt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A112sineEtB1102sin()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

16、波电动势波电动势33msin3bB333m3sin32sin3eb lvBlvtEt33322. 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1y -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。节距等于一个极距，称为整距。1y 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

17、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T114.44Ef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个个线匝串联）。线匝串联）。K1KT1K14.44EN 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，

18、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

19、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

20、 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。3602 3603024pQp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qm为相数为相数24222 3 2Qqmp 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

21、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 d114.44EfqN 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。d1sin2sin2qkqdsin2sin2qkqw对于对于 次次谐波，谐波，上页上页下页下页目录目录

22、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q1K d114.44EfqN k 线圈组线圈组1K d111 d1114.444.44EfqN kpafN k K1pqNNa相绕组相绕组K1K14.44EfN 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 d4.44EfqN k线圈组线圈组K d1 d14.444.44EfqN kpafN 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

23、）p最大并联支路数（极对数最大并联支路数（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

24、p为了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，可节距不受限制，可取为需要的值。取为需

25、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 p114.44EfN k p1sin2ky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

26、量图w 槽距角槽距角3602 3602036pQp2，Q3636322 3 2Qqmp 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

27、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AZBXCY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 对对ABCXYZ1,2,34,5,67,8,910,11,12 13,14,15 16,17,1819,20,2122,23,24 25,26,27 28,29,30 31,32,33 34,35,36第

28、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 293133351 2 310 11 1219 20 2128 29 30N NN NS SS 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 -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）123192021101112282930图4-3 A相绕组线圈的连接图（两条并联支路）1A1X2A2XXXAA1A1X2A2X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,sft1t1t2t2t3t3ts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1