交流电机的共同理论

1、第四章第四章 交流电机的共同理论交流电机的共同理论 交流电机和交流绕组交流电机和交流绕组 交流绕组的构成原则交流绕组的构成原则 三相单层绕组三相单层绕组 三相双层绕组三相双层绕组 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 通有正弦电流时单相绕组的磁动势通有正弦电流时单相绕组的磁动势 通有对称三相正弦电流时三相绕组的磁动势通有对称三相正弦电流时三相绕组的磁动势第一节第一节 交流电机和交流绕组交流电机和交流绕组一、交流电机的分类一、交流电机的分类同步电机同步电机：定子绕组电流：定子绕组电流频率频率和转子和转子转速转速存在严存在严格不变的关系。格不变的关系。主要用作主要用作发电机

2、发电机。异步电机异步电机：定子绕组电流频率和转子转速存在严：定子绕组电流频率和转子转速存在严格不变的关系。格不变的关系。主要用作主要用作电动机电动机。定子结构（包括铁心和绕组）相同。定子结构（包括铁心和绕组）相同。二、同步电机和异步电机的异同点二、同步电机和异步电机的异同点1）不同点）不同点 基本工作原理基本工作原理 基本结构基本结构 励磁方式励磁方式2）相同点）相同点若将同步电机的转子换成异步电机的转子，若将同步电机的转子换成异步电机的转子，则完全可以作为异步电机运行。则完全可以作为异步电机运行。本章就这个相同点进行讨论。本章就这个相同点进行讨论。三、交流绕组的作用三、交流绕组的作用1）旋转

3、磁场切割三相对称绕组，产生对称三）旋转磁场切割三相对称绕组，产生对称三相电动势。相电动势。2）三相对称绕组通对称三相电流，产生旋转）三相对称绕组通对称三相电流，产生旋转磁场。磁场。这两个作用在同步电机或异步电机的定子绕组这两个作用在同步电机或异步电机的定子绕组中都同时存在。中都同时存在。第二节第二节 交流绕组的构成原则交流绕组的构成原则必须对线圈进行分必须对线圈进行分相（划分成相（划分成A、B、C三相）、再按一三相）、再按一定的规律连成三相定的规律连成三相绕组。绕组。一、线圈连接的基本要求一、线圈连接的基本要求1）三相绕组中产生的电动势（或磁动势）要）三相绕组中产生的电动势（或磁动势）要对称（

4、大小相等、相位互差对称（大小相等、相位互差120度）。度）。2）三相绕组中产生的电动势（或磁动势）要）三相绕组中产生的电动势（或磁动势）要尽可能的大。尽可能的大。二、确保电动势对称二、确保电动势对称1）机械角度、电角度）机械角度、电角度磁极旋转一圈，在空间磁极旋转一圈，在空间上转过上转过3600，此为机械，此为机械角度。角度。线圈边中的电动势交变线圈边中的电动势交变两个周期，即在相位上两个周期，即在相位上经过经过7200，此为电角度，此为电角度 。NNSS电角度电角度=机械角度机械角度X极对数极对数2）槽距角：相邻槽相距）槽距角：相邻槽相距的电角度。的电角度。磁场旋转时，定子槽中磁场旋转时，定

5、子槽中的线圈边感应出的电动的线圈边感应出的电动势势大小相等大小相等，但是，但是相位相位不同不同。0360pZNNSS14槽中线圈边电动势的相位差等于槽之间相距电角槽中线圈边电动势的相位差等于槽之间相距电角度。度。1号槽与号槽与4号槽相距号槽相距1800电角度。电角度。1号槽与号槽与4号槽中线圈边的电动势反相。号槽中线圈边的电动势反相。以以36槽、槽、4极交流电机为例。极交流电机为例。3）槽电动势星形图）槽电动势星形图0003602 3602036pZ4）分相）分相CAB1200相带相带相带内所有线相带内所有线圈边正向串联，圈边正向串联，分别得到每相分别得到每相电动势：电动势：BEAECE该三相

6、电动势该三相电动势大小相等，互大小相等，互差差1200。600相带相带A相带内所有相带内所有线圈边正向串线圈边正向串联，联， X相带内相带内所有线圈边正所有线圈边正向串联，两相向串联，两相带再反向串联，带再反向串联，得到得到A相电动相电动势。势。600相带的合成电动势比相带的合成电动势比1200相带的合成电动势大。相带的合成电动势大。三、确保合成电动势最大三、确保合成电动势最大第三节第三节 三相单层绕组三相单层绕组一、一、特点特点： 每槽中只放置一层线圈边每槽中只放置一层线圈边 结构和嵌线较简单结构和嵌线较简单 电势和磁势波形不如双层绕组电势和磁势波形不如双层绕组 适用于适用于10kW以下的以

7、下的小型异步小型异步电机，电机，p=14已知一已知一4极交流电机，定子极交流电机，定子24槽、并联支路数为槽、并联支路数为1，试绘制三相单层绕组的平面展开图。试绘制三相单层绕组的平面展开图。1）绘制槽电势星形图）绘制槽电势星形图二、三相单层绕组的连接规律：二、三相单层绕组的连接规律：2）按）按600相带进行分相相带进行分相3）平面展开图）平面展开图极距：一个极在定子圆周上所跨过的槽数。极距：一个极在定子圆周上所跨过的槽数。节距：线圈的两边在定子圆周上所跨过的槽数。节距：线圈的两边在定子圆周上所跨过的槽数。整距：节距等于极距。整距：节距等于极距。24622 2Zp若并联支路数为若并联支路数为2每

8、极每相槽数每极每相槽数单层绕组最大并联支路数单层绕组最大并联支路数=极相组数极相组数=极对数极对数极相组极相组极相组数的线圈数极相组数的线圈数=每极每相槽数每极每相槽数链式绕组：形式上是一种短距绕组。链式绕组：形式上是一种短距绕组。链式绕组仅适用于链式绕组仅适用于q为偶数的交流绕组。为偶数的交流绕组。 不同绕组型式只不过是元件的构成方式不同不同绕组型式只不过是元件的构成方式不同或者导体连接先后次序不同。或者导体连接先后次序不同。 构成绕组的导体所占的槽号是相同的，都构成绕组的导体所占的槽号是相同的，都在在属于属于两个相差两个相差180。的相带内。的相带内。 从每相电势看，从每相电势看，不管怎样

9、连接，只要并联支不管怎样连接，只要并联支路数不变，则总的电动势不变。路数不变，则总的电动势不变。单层绕组形式上可为短距，但实质为整距！单层绕组形式上可为短距，但实质为整距！第四节第四节 三相双层绕组三相双层绕组一、一、特点特点： 每槽中有每槽中有2个线圈边，分上下个线圈边，分上下两层放置。两层放置。 线圈的一个圈边放在上层，另线圈的一个圈边放在上层，另一圈边在另一槽的下层。一圈边在另一槽的下层。 线圈数等于槽数线圈数等于槽数 有叠绕组和波绕组之分有叠绕组和波绕组之分已知一已知一4极交流电机，定子极交流电机，定子24槽、并联支路数为槽、并联支路数为2，试绘制三相双层绕组的平面展开图（整距）。试绘

10、制三相双层绕组的平面展开图（整距）。1）绘制槽电势星形图）绘制槽电势星形图二、三相双层绕组的连接规律：二、三相双层绕组的连接规律：2）按）按600相带进行分相相带进行分相3）平面展开图）平面展开图24622 2Qp若并联支路数为若并联支路数为1双层绕组最大并联支路数双层绕组最大并联支路数=极相组数极相组数=极数极数若并联支路数为若并联支路数为4为了节省材料，改善电动势和磁动势波形，为了节省材料，改善电动势和磁动势波形，使其更接近于正弦波，双层绕组一般采用短使其更接近于正弦波，双层绕组一般采用短距。距。每个极相组都由每个极相组都由q个线圈串联而成，该个线圈串联而成，该q个线个线圈互差一个槽距角。

11、圈互差一个槽距角。已知一已知一4极交流电机，定子极交流电机，定子36槽、并联支路数为槽、并联支路数为1，试绘制三相双层绕组的平面展开图（短距）。试绘制三相双层绕组的平面展开图（短距）。36922 2Qp1y8第五节第五节 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一、一、正弦分布的磁场正弦分布的磁场2ffN IH0Hb02ffN Ib气隙磁场磁感应强度是气隙长度的函数。气隙磁场磁感应强度是气隙长度的函数。取原点取原点o，将电机定子铁心展开，可以得到气隙，将电机定子铁心展开，可以得到气隙磁场的磁感应强度空间分布曲线。磁场的磁感应强度空间分布曲线。O 代表到原点代表到原点o的距离

12、，用的距离，用电角度电角度表示。表示。只要合理设计磁极形状，就可以使得气隙中磁感只要合理设计磁极形状，就可以使得气隙中磁感应强度呈应强度呈正弦分布正弦分布。二、二、正弦电动势正弦电动势磁极旋转，气隙磁场随之旋转，定子绕组就产生磁极旋转，气隙磁场随之旋转，定子绕组就产生感应电动势。感应电动势。气隙磁场以气隙磁场以 角速度旋转切割导体，相当于气角速度旋转切割导体，相当于气隙磁场不动，导体以隙磁场不动，导体以 角速度旋转切割气隙磁角速度旋转切割气隙磁场。场。经过任意时间经过任意时间t后，气隙磁场旋转了后，气隙磁场旋转了 电角度。电角度。t气隙磁场不动，导体旋转了气隙磁场不动，导体旋转了 电角度。电角

13、度。t相当于相当于任意时刻任意时刻t，导体感应电动势瞬时值为：，导体感应电动势瞬时值为：111sin2sineblvBlvtEt正弦分布的气隙磁场恒速旋转，则定子导体中感应正弦分布的气隙磁场恒速旋转，则定子导体中感应电动势为电动势为正弦波形正弦波形。导体中感应电动势的频率为多少？导体中感应电动势的频率为多少？导体中感应电动势的频率为导体中感应电动势的频率为pn1/60 。 若气隙旋转磁场为若气隙旋转磁场为1对极，则旋转一周，导体中对极，则旋转一周，导体中感应电动势交变感应电动势交变1次。次。 若气隙旋转磁场为若气隙旋转磁场为p对极，则旋转一周，导体中对极，则旋转一周，导体中感应电动势交变感应电

14、动势交变p次。次。 p对极气隙旋转磁场以对极气隙旋转磁场以n1(r/min)旋转，则一分钟旋转，则一分钟旋转旋转n1周，导体中感应电动势交变周，导体中感应电动势交变pn1次次; 一秒一秒钟交变钟交变pn1/60次。次。三、三、导体电动势有效值导体电动势有效值111sin2sineblvBlvtEt11112222BlvfEBlfB l2260260DnDpnvfp 11012sindavBBttB 12avEfBll 为磁感应强度半个周波的面积。为磁感应强度半个周波的面积。l11122.222ff为一个磁极下的磁通量。为一个磁极下的磁通量。四、四、整距线圈的电动势有效值整距线圈的电动势有效值1

15、nc11112EEEEc11124.44EEf整距线圈的两个线圈边的感应电动势反相。整距线圈的两个线圈边的感应电动势反相。若为单匝整距线圈若为单匝整距线圈若为若为Nc匝整距线圈匝整距线圈c11124.44cEEfN五、五、短距线圈的电动势有效值短距线圈的电动势有效值0001113601801802pyyyQQp槽距角为：槽距角为：00c1110EEEEE0c1111802cos2sin22EEE1sin12pkc1111124.44pcpEE kfNk短距线圈的电动势有效值为：短距线圈的电动势有效值为： 为线圈的为线圈的基波节距因数基波节距因数，它表示线圈短距时，它表示线圈短距时的感应电动势与

16、整距时相比所打的折扣，即：的感应电动势与整距时相比所打的折扣，即：1pk1101( )111(= )90sinsin2cypcyEykE采用短距绕组，电动势有效值减小，但是当旋转采用短距绕组，电动势有效值减小，但是当旋转磁场中含有谐波磁场时，磁场中含有谐波磁场时，短距绕组能有效抑制谐短距绕组能有效抑制谐波磁场所产生的谐波电动势。波磁场所产生的谐波电动势。六、六、线圈组（极相组）的电动势有效值线圈组（极相组）的电动势有效值每个极相组都由每个极相组都由q个线圈串联而成，该个线圈串联而成，该q个线个线圈互差一个槽距角。圈互差一个槽距角。q1c1c2c3EEEEq12 sin()2qERc12sin2

17、ERc1q1c1sin()2sin()2sinsin22qEqEqEqq1sin()2sin2qkqq1q1c1q11p11q1p14.44k4.44 ()kccEk qEkqfNf qNk 为绕组的为绕组的基波分布因数基波分布因数，它表示分布绕组后，它表示分布绕组后的感应电动势与集中绕组相比所打的折扣，即：的感应电动势与集中绕组相比所打的折扣，即：q1kq1q1c1sin()21sin2qEkqEqw1p1q1k k1kq1q1c1q11p11q1p14.44k4.44 ()kccEk qEkqfNf qNk 为绕组的为绕组的基波绕组因数基波绕组因数，它表示短距分布绕，它表示短距分布绕组的感

18、应电动势与整距集中绕组相比所打的折组的感应电动势与整距集中绕组相比所打的折扣。扣。w1k极相组的感应电动势为：极相组的感应电动势为：q11w14.44 ()cEf qNk七、七、相绕组的电动势有效值相绕组的电动势有效值设电机每相绕组有条并联支路，每条并联支设电机每相绕组有条并联支路，每条并联支路由个极相组串联而成。路由个极相组串联而成。相绕组电动势为：相绕组电动势为：1q11w11w14.44 ()4.44cEcEf cqNkfN kcNcqN为每相绕组为每相绕组的一条支路所串联的的一条支路所串联的线圈总匝数。线圈总匝数。ac已知电机总匝数和每相并联支路数，已知电机总匝数和每相并联支路数，相绕

19、组串联总匝数为多少？相绕组串联总匝数为多少？ac3Na总匝数第六节第六节 通有正弦电流时单相绕组的磁动势通有正弦电流时单相绕组的磁动势一、一、基本假设基本假设 绕组电流为正弦量绕组电流为正弦量 不计齿槽效应，气隙均匀。不计齿槽效应，气隙均匀。 忽略铁心中的磁压降忽略铁心中的磁压降定子铁心定子铁心转子铁心转子铁心气隙气隙二、二、整距线圈的磁动势整距线圈的磁动势2c ccN if 两极磁势两极磁势 SNAX Nc匝整距线圈通以正弦电流匝整距线圈通以正弦电流ic，形成两极磁场。，形成两极磁场。线圈的磁动势全部降落在两段气隙。线圈的磁动势全部降落在两段气隙。气隙均匀，气隙各处的磁气隙均匀，气隙各处的磁

20、动势值均等于线圈磁动势动势值均等于线圈磁动势的一半，即：的一半，即：取线圈轴线处为原点取线圈轴线处为原点o， 代表到原点代表到原点o的距离，的距离，用用电角度电角度表示，可以得到线圈磁动势空间分布函表示，可以得到线圈磁动势空间分布函数，即：数，即：OsSNAXss,2223,222c ccc cN ifN i当-当将电机定子铁心展开，可以得到线圈磁动势空间将电机定子铁心展开，可以得到线圈磁动势空间分布曲线。分布曲线。2）ic将是正弦交流电流，线圈磁动势的幅值随时将是正弦交流电流，线圈磁动势的幅值随时间按正弦规律变化，因此线圈磁动势也是时间函间按正弦规律变化，因此线圈磁动势也是时间函数。数。1）

21、线圈磁动势以线圈边为分界线，是空间函数。）线圈磁动势以线圈边为分界线，是空间函数。脉振磁动势脉振磁动势线圈磁动势空间分布曲线为矩形波，其可以分解为线圈磁动势空间分布曲线为矩形波，其可以分解为基波和一系列奇次空间谐波。基波和一系列奇次空间谐波。1s4cos2c ccN if基波磁动势为：基波磁动势为：三、单层整距线圈组（极相组）的磁动势三、单层整距线圈组（极相组）的磁动势q12 sin()2qFRc12sin2FRc1q1c1c1q1sin()2sin2sin()2sin2FqFqqFqF kq1111s4cos2c cqqcqN ifk qfk q四、双层短距线圈组的磁动势四、双层短距线圈组的

22、磁动势双层短距线圈组的磁动势可以看成上下两层整距线双层短距线圈组的磁动势可以看成上下两层整距线圈组的叠加。圈组的叠加。01-y180p1q10011q1q1q1p12cos2yy2cos(1)902sin902FFFFF kp1q1p11sp11p1sw1s422cos22244coscos22c cqc cc cqN iff kk qkqN iqN ik kk五、五、单相绕组的磁动势单相绕组的磁动势相绕组由极相组串并联构成，相电动势由若干极相相绕组由极相组串并联构成，相电动势由若干极相组电动势相加而成；组电动势相加而成；相绕组磁动势相绕组磁动势与极相组串并联与极相组串并联无关，就无关，就等于

23、一个极相组的磁动势等于一个极相组的磁动势。1w1s24cos2c cqN ifk相绕组磁动势相绕组磁动势为：为：短距双层绕组的磁动势相当于同等匝数的整距单短距双层绕组的磁动势相当于同等匝数的整距单层集中绕组通过相同电流产生的磁动势打了层集中绕组通过相同电流产生的磁动势打了kw1的的折扣。折扣。 可用集中绕组表示可用集中绕组表示 相绕组基波磁动势在气隙中按余弦规律分布相绕组基波磁动势在气隙中按余弦规律分布 脉振、驻波、脉振频率脉振、驻波、脉振频率已知电机每极每相槽数、极对数和已知电机每极每相槽数、极对数和每相并联支路数，相绕组串联总匝每相并联支路数，相绕组串联总匝数为多少？数为多少？ac2()c

24、qNNpa双层绕组()cqNNpa单层绕组相绕组磁动势为：相绕组磁动势为：1w1s4cos2c cqN ifkciia1w1sw1s4cos24cos2cqNfk iaNk ip2()cqNNpa双层绕组()cqNNpa单层绕组1w1s24cos2c cqN ifk1w1sw1s24cos24cos2cqNfk iaNk ip1w1s4cos2Nfk ip2cosiIt1w1sw1s1s4cos242coscos2coscosNfk ipNk ItpFt1w1w1420.92NNFk Ik Ipp一、一、三相交流电流的相量表示法三相交流电流的相量表示法2cos()iIt第七节第七节 通有对称三

25、相正弦电流时三相绕组通有对称三相正弦电流时三相绕组的磁动势的磁动势A0B 0C 2cos2cos(120 )2cos(240 )iItiItiItA相时间参考轴相时间参考轴O2 IB相时间参考轴相时间参考轴C相时间参考轴相时间参考轴0t 二、二、单相绕组基波磁动势的矢量表示法单相绕组基波磁动势的矢量表示法相绕组基波磁动势为：相绕组基波磁动势为：2cosiIt11scoscosfFt1w10.9NFk Ip短距双层绕组的磁动势相当于同等匝数的整距单短距双层绕组的磁动势相当于同等匝数的整距单层集中绕组通过相同电流产生的磁动势打了层集中绕组通过相同电流产生的磁动势打了kw1的的折扣。折扣。 可用集中

26、绕组表示可用集中绕组表示 相绕组基波磁动势在气隙中按余弦规律分布相绕组基波磁动势在气隙中按余弦规律分布 脉振脉振A相轴相轴 单相绕组磁动势矢量在相轴上（相绕组的轴线）；单相绕组磁动势矢量在相轴上（相绕组的轴线）； 矢量长度表示磁动势的幅值；矢量长度表示磁动势的幅值；三、三、三相绕组的合成磁动势三相绕组的合成磁动势A轴轴B轴轴C轴轴A0B 0C 2cos2cos(120 )2cos(240 )iItiItiIt 规定电流参考方向为规定电流参考方向为从绕组的末端进、首从绕组的末端进、首端出。端出。0tAmB mC m11;22iIiIiI A轴轴B轴轴C轴轴 三相绕组合成磁动势幅值等于单相绕组磁动

27、势的三相绕组合成磁动势幅值等于单相绕组磁动势的幅值的幅值的3/2倍倍060tAmB mC m11;22iIiIiI A轴轴B轴轴C轴轴 三相绕组合成磁动势幅值等于单相绕组磁动势的三相绕组合成磁动势幅值等于单相绕组磁动势的幅值的幅值的3/2倍倍0120tAmB mC m11;22iIiIiI A轴轴B轴轴C轴轴 三相绕组合成磁动势幅值等于单相绕组磁动势的三相绕组合成磁动势幅值等于单相绕组磁动势的幅值的幅值的3/2倍倍0180tAmB mC m11;22iIiIiI A轴轴B轴轴C轴轴 三相绕组合成磁动势幅值等于单相绕组磁动势的三相绕组合成磁动势幅值等于单相绕组磁动势的幅值的幅值的3/2倍倍024

28、0tAmB mC m11;22iIiIiI A轴轴B轴轴C轴轴 三相绕组合成磁动势幅值等于单相绕组磁动势的三相绕组合成磁动势幅值等于单相绕组磁动势的幅值的幅值的3/2倍倍0300tAmB mC m11;22iIiIiI AXBYCZA轴轴B轴轴C轴轴 三相绕组合成磁动势幅值等于单相绕组磁动势的三相绕组合成磁动势幅值等于单相绕组磁动势的幅值的幅值的3/2倍倍0360tAmB mC m11;22iIiIiI 三相绕组合成磁动势幅值等于单相绕组磁动势的三相绕组合成磁动势幅值等于单相绕组磁动势的幅值的幅值的3/2倍倍A轴轴B轴轴C轴轴结论：结论： 三相绕组合成磁动势幅值恒等于单相绕组磁动势三相绕组合成

29、磁动势幅值恒等于单相绕组磁动势的幅值的的幅值的3/2倍。倍。111330.922wNkFFIp 三相绕组合成磁动势实质是沿着气隙圆周连续推三相绕组合成磁动势实质是沿着气隙圆周连续推移的移的旋转磁动势。旋转磁动势。 三相绕组合成磁动势三相绕组合成磁动势波幅轨迹是个圆波幅轨迹是个圆，故称为圆，故称为圆形旋转磁动势，但是其在形旋转磁动势，但是其在空间的分布不是圆形，空间的分布不是圆形，而是余弦波形而是余弦波形。 三相绕组合成磁动势所产生的旋转磁场波，与直三相绕组合成磁动势所产生的旋转磁场波，与直流励磁，用机械方法拖动主磁极所形成的旋转磁流励磁，用机械方法拖动主磁极所形成的旋转磁场波具有相同效果。场波

30、具有相同效果。 电流在时间上经过了多少度，合成磁动势在空间电流在时间上经过了多少度，合成磁动势在空间上转过同一数值的上转过同一数值的电角度电角度。合成磁动势的转向：合成磁动势的转向： 三相绕组合成磁动势从电流超前的相转向电流滞三相绕组合成磁动势从电流超前的相转向电流滞后的相。后的相。 哪一相电流达到幅值，合成磁动势的波幅就出现哪一相电流达到幅值，合成磁动势的波幅就出现该相的轴线上。该相的轴线上。 通过改变电流的相序，可以改变合成磁动势的旋通过改变电流的相序，可以改变合成磁动势的旋转方向。转方向。合成磁动势的转速：合成磁动势的转速：1）合成磁动势形成的磁场为一对极）合成磁动势形成的磁场为一对极因此，旋转磁场的转速即合成磁动势的转速为：因此，旋转磁场的转速即合成磁动势的转速为： 电流交变一次，旋转磁场在空间转过一周；电流交变一次，旋转磁场在空间转过一周； 电流频率为电流频率为f，则一分钟交变，则一分钟交变f次，旋转磁场转次，旋转磁场转过过f周；周；160nf2）合成磁动势形成的磁场为二对极）合成磁动势形成的磁场为二对极A0B 0C 2cos2cos(120 )2cos(240 )iItiItiI