第四章交流电机绕组的电动势和磁动势

1、第四章第四章 交流电机绕组的电动势交流电机绕组的电动势和磁动势和磁动势4.1交流电机的工作原理、对绕组的基本要求交流电机的工作原理、对绕组的基本要求4.2 交流电机绕组的绕制方法、电动势交流电机绕组的绕制方法、电动势4.3 交流电机绕组的磁动势交流电机绕组的磁动势主要内容：介绍交流同步电机和异步电机的工作原理；分析主要内容：介绍交流同步电机和异步电机的工作原理；分析电枢绕组的绕制方法以及电动势的计算方法；分析电枢绕组电枢绕组的绕制方法以及电动势的计算方法；分析电枢绕组产生磁动势的大小、波形、性质。产生磁动势的大小、波形、性质。4.1 4.1 交流电机的工作原理，对绕组的基本要求交流电机的工作原

2、理，对绕组的基本要求异步电机异步电机交流电机交流电机同步电动机同步电动机同步电机同步电机同步发电机同步发电机异步电动机异步电动机异步发电机异步发电机主要作为发电机，产生交流主要作为发电机，产生交流电能电能用于大型而又不要求调速用于大型而又不要求调速的生产机械的生产机械主要作为电动机，拖动各种主要作为电动机，拖动各种生产机械生产机械用的很少用的很少一、交流电机的基本工作原理一、交流电机的基本工作原理（1）同步电机的基本工作原理）同步电机的基本工作原理组成组成定子定子转子转子定子铁心（电枢铁心）定子铁心（电枢铁心）定子绕组（电枢绕组）定子绕组（电枢绕组）转子铁心转子铁心主磁极主磁极永久磁铁永久磁铁

3、励磁绕组：通以直流电流励磁绕组：通以直流电流以同步发电机为例说明其工作原理以同步发电机为例说明其工作原理原动机原动机水轮机水轮机汽轮机汽轮机汽油机、柴油机汽油机、柴油机lvbe方向由右手定则确定方向由右手定则确定导体感应电动势的瞬时实际方向导体感应电动势的瞬时实际方向导体感应电动势的频率：每秒电动势变化的周期数导体感应电动势的频率：每秒电动势变化的周期数Hzpnf601 当同步发电机由原动机拖着主磁极以恒转速当同步发电机由原动机拖着主磁极以恒转速 相对于定相对于定子逆时针旋转时，根据电磁感应定律，则与磁感应线、导体子逆时针旋转时，根据电磁感应定律，则与磁感应线、导体运动方向垂直的导体中感应电动

4、势的大小用公式表示为运动方向垂直的导体中感应电动势的大小用公式表示为1n 当电动机的定子三相绕组里通以频率为当电动机的定子三相绕组里通以频率为 的三相交流电，的三相交流电，则电机的转速为则电机的转速为fpfn601 当主磁极的极对数当主磁极的极对数 一定时，电机的转速一定时，电机的转速 和频率和频率 之之间有着严格的关系，这种关系称为同步关系。间有着严格的关系，这种关系称为同步关系。p1nf（2) 异步电机的基本工作原理异步电机的基本工作原理组成组成定子定子转子转子定子铁心（电枢铁心）定子铁心（电枢铁心）定子绕组（电枢绕组）定子绕组（电枢绕组）转子铁心转子铁心转子绕组转子绕组绕线式绕组绕线式绕

5、组: : 电线绕制而成电线绕制而成,Y,Y联接联接, ,滑环引出滑环引出, ,外接电阻外接电阻 鼠笼式鼠笼式注：转子绕组是个自己闭合的短路绕组注：转子绕组是个自己闭合的短路绕组鼠笼式转子鼠笼式转子绕线式绕组绕线式绕组以三相异步电动机为例说明其工作原理以三相异步电动机为例说明其工作原理 当三相绕组通以三相电流时，产生一个旋转磁场，转子上当三相绕组通以三相电流时，产生一个旋转磁场，转子上的导体切割磁力线，产生感应电动势，这里认为导体中的电的导体切割磁力线，产生感应电动势，这里认为导体中的电流与感应电动势同方向，根据电磁力定律可知：与磁感应线、流与感应电动势同方向，根据电磁力定律可知：与磁感应线、导

6、体运动方向垂直的导体受到的电磁力大小用公式表示为导体运动方向垂直的导体受到的电磁力大小用公式表示为Nlibf方向由左手定则确定方向由左手定则确定电机运行时，转子的转速电机运行时，转子的转速 不会等于旋转磁场的转速不会等于旋转磁场的转速 所以称为异步电机所以称为异步电机n1n按槽内层数分为：单层、双层、单双层按槽内层数分为：单层、双层、单双层二、交流绕组的分类二、交流绕组的分类按相数分为：单相、三相、多相按相数分为：单相、三相、多相每极每相槽数每极每相槽数q：整数槽、分数槽：整数槽、分数槽三、对交流绕组的要求三、对交流绕组的要求1.在导体数一定的情况下，能得到较大的在导体数一定的情况下，能得到较

7、大的基波基波电动势和电动势和基波基波磁动势磁动势2.三相绕组对称（即保证各相三相绕组对称（即保证各相电动势、磁动势电动势、磁动势对称，对称，电阻电电阻电抗抗相同）相同）3.合成电动势和合成磁动势的波形要接近正弦形，谐波分量合成电动势和合成磁动势的波形要接近正弦形，谐波分量要小。要小。 5.绝缘可靠、机械强度高、散热条件好、制造方便绝缘可靠、机械强度高、散热条件好、制造方便4.铜耗减小，用铜量减少铜耗减小，用铜量减少。 总之：对三相交流电机，要求三相绕组能感应出波形接总之：对三相交流电机，要求三相绕组能感应出波形接近正弦、有一定数值的三相对称电动势；当三相绕组中流近正弦、有一定数值的三相对称电动

8、势；当三相绕组中流过三相对称的电流时，能产生接近圆形的旋转磁动势。过三相对称的电流时，能产生接近圆形的旋转磁动势。四、绕组的基本概念四、绕组的基本概念pQpD22或1.极距极距：2.线圈节距线圈节距y1： 一个线圈的两个有效边之间的距离。一个线圈的两个有效边之间的距离。 y1=整距线圈；整距线圈； y11q1的且为的且为奇数的小型三相异奇数的小型三相异步电动机步电动机。 由形状、几何尺寸和节距相同的线圈连接而成，整个外由形状、几何尺寸和节距相同的线圈连接而成，整个外形如长链。形如长链。每个线圈节距相等并且制造方便；线圈端部连线每个线圈节距相等并且制造方便；线圈端部连线较短并且省铜。主要用于较短

9、并且省铜。主要用于q=2q=2的的4 4、6 6、8 8极小型三相异步电动极小型三相异步电动机机。 单层链式绕组单层链式绕组 单层同心式绕组单层同心式绕组 几个几何尺寸和节距不等的线圈连成同心形状的线圈几个几何尺寸和节距不等的线圈连成同心形状的线圈组构成。组构成。 同心式绕组端部连线较长，适用于同心式绕组端部连线较长，适用于q=4、6、8等偶数的等偶数的2极小型三相异步电动机。极小型三相异步电动机。五、五、 三相双层绕组三相双层绕组1、特点、特点：每个槽内放置上下两个线圈边每个槽内放置上下两个线圈边线圈个数等于槽数线圈个数等于槽数Q线圈组个数线圈组个数 = Q/q (4)双层绕组的并联支路数最

10、多是双层绕组的并联支路数最多是pa2（5）每相串联匝数）每相串联匝数apqNNk21 每个槽内放上下两层线圈的有效边，线圈的每一个有效边放在某一槽的上层，另一个有效边则放置在相距一个节距y1 的另一槽的下层。构成原则、排列方法和联接步骤与单层绕组基本相同。（1） 可采用短距，改善电动势、磁动势的波形可采用短距，改善电动势、磁动势的波形（2）端部排列整齐，利于散热、机械强度高）端部排列整齐，利于散热、机械强度高2、优点：、优点：3、三相双层分布短距绕组的安排、三相双层分布短距绕组的安排例：例：三相交流电机三相交流电机Z=24，2p=4，y1=5。试绘制。试绘制a=2的三相的三相双层短距分布绕组展

11、开图。双层短距分布绕组展开图。解：解：（1 1）先计算槽距角：）先计算槽距角：0030243602360Qp（2）画出电动势星形图）画出电动势星形图(3) 按按60度分相度分相2232242mpQq逆相量旋转方向每隔逆相量旋转方向每隔60度标上度标上A、Z、B、X、C、Y 将同一磁极下属于同一相带的线圈依次连成一个线圈组。将同一磁极下属于同一相带的线圈依次连成一个线圈组。则则A相可得四个线圈组，分别为相可得四个线圈组，分别为1-2，7-8，13-14，19-20。同。同理理B、C两相也各有两相也各有4个线圈组。四个线圈组的电动势的大小个线圈组。四个线圈组的电动势的大小相等，但同一相的两个相带中

12、的线圈组电动势相位相反相等，但同一相的两个相带中的线圈组电动势相位相反 .（4）绘制绕组展开图）绘制绕组展开图（5）确定绕组的并联支路数）确定绕组的并联支路数2a确定下列绕组的并联支路数确定下列绕组的并联支路数短距线圈的谐波节距因数短距线圈的谐波节距因数)2(sinykp4.三相双层分布短距线圈的电动势三相双层分布短距线圈的电动势短距线圈的基波电动势有效值短距线圈的基波电动势有效值1111144.4)2sin(44.4)2sin(2pKKAkkfNyfNyEE)2sin(1ykp基波节距因数基波节距因数可以理解为：短距线圈若是看成整距线圈，则它的有效匝可以理解为：短距线圈若是看成整距线圈，则它

13、的有效匝数为数为1pKkNq个短距线圈组成的分布线圈组：个短距线圈组成的分布线圈组：111144. 4dpKqkkfqNE相绕组基波电动势有效值相绕组基波电动势有效值：111144. 4dpkfNEapqNNk21每相串联匝数每相串联匝数111pddpkkk基波绕组因数基波绕组因数相绕组谐波电动势有效值相绕组谐波电动势有效值：dpkfNE144. 4六、齿谐波电动势六、齿谐波电动势齿谐波齿谐波谐波次数谐波次数与一对极下的齿数与一对极下的齿数Q/p具有特定具有特定关系的谐波，即关系的谐波，即 = Q/p1=2mq1的谐波。的谐波。1dpdpkk12mq七、消除谐波电动势的方法七、消除谐波电动势的

14、方法1.采用短距绕组采用短距绕组; 2.采用分布绕组；采用分布绕组；3.增大每极每相槽数增大每极每相槽数;4.斜槽或斜极斜槽或斜极 ；5.采用半闭口或磁性槽契；采用半闭口或磁性槽契；6.采用分数槽绕组。采用分数槽绕组。齿谐波的特点：齿谐波的特点：4.3 交流电机电枢绕组的磁动势交流电机电枢绕组的磁动势一、单层集中整距绕组的一相磁动势一、单层集中整距绕组的一相磁动势 设气隙均匀，当线圈中通以电流设气隙均匀，当线圈中通以电流 ，如果线圈匝数，如果线圈匝数为为 ，线圈产生的磁动势，线圈产生的磁动势ikNiNiHdlkiNfkk21则每个气隙上的磁动势为：则每个气隙上的磁动势为： 由此可见：在一个线圈

15、中通以电流，它所产生的气隙磁动由此可见：在一个线圈中通以电流，它所产生的气隙磁动势沿圆周的分布是一个矩形波。势沿圆周的分布是一个矩形波。iNffkk21)(22到iNffkk21)(232到按傅里叶级数分解，则按傅里叶级数分解，则321531cos5cos3coscos)(，ccccf其中其中2sin14kfc基波磁动势基波磁动势cos41kkff5cos5143cos314cos4)(kkkffff3谐波磁动势谐波磁动势3cos4313kkff5谐波磁动势谐波磁动势5cos4515kkff（1）基波磁动势的幅值为）基波磁动势的幅值为 ，谐波磁动势的幅值为，谐波磁动势的幅值为 kf4kf41（

16、2）基波磁动势的与原矩形波的波长相同，谐波磁动势的波）基波磁动势的与原矩形波的波长相同，谐波磁动势的波长为长为 1（3）横坐标的原点）横坐标的原点 处是各次谐波的幅值所在处。处是各次谐波的幅值所在处。0 5coscos3coscoscoscos)(531531tFtFtFfffFkkkkkktINiNfkkkcos2221tIicos2当线圈中通以交流电流当线圈中通以交流电流基波磁动势基波磁动势coscoscoscos224cos411tFtINffkkkk3谐波磁动势谐波磁动势3coscos3cos43133tFffkkk5谐波磁动势谐波磁动势5coscos5cos45155tFffkkk则

17、每个气隙上的磁动势为：则每个气隙上的磁动势为： ININFkkk9.02241结论：结论：（1）磁动势波形：矩形波；）磁动势波形：矩形波；（2）磁动势的幅值：随时间脉动；）磁动势的幅值：随时间脉动；（3）既是时间函数又是空间的函数；）既是时间函数又是空间的函数；（4）横坐标的原点）横坐标的原点 处是各次谐波的幅值所在处。处是各次谐波的幅值所在处。0（5）空间位置固定、幅值大小和方向随时间而变化的磁动）空间位置固定、幅值大小和方向随时间而变化的磁动 势势脉振磁动势脉振磁动势(驻波驻波)。脉振磁动势可以分解为两个旋转磁动势脉振磁动势可以分解为两个旋转磁动势根据三角公式根据三角公式)cos()cos

18、(coscos2BABABA则则111111)cos(21)cos(21coscoskkkkkkfftFtFtFf 1kf 称为正转磁动势波称为正转磁动势波1kf 称为反转磁动势波称为反转磁动势波11kkff 和分别为随着时间的推移以角速度分别为随着时间的推移以角速度向向正、负方正、负方向移动的行波，幅值为向移动的行波，幅值为121kF结论：结论：（1）一个脉振磁动势波分解为两个旋转磁动势，角速度）一个脉振磁动势波分解为两个旋转磁动势，角速度 ，幅值为幅值为 ；121kF（2）当通电电流为正的最大值时）当通电电流为正的最大值时 ，脉振波的振幅为最，脉振波的振幅为最大值，两个旋转波的正幅值正好都

19、转到大值，两个旋转波的正幅值正好都转到 的地方，即的地方，即在通电线圈的轴线处，这是两个旋转波重叠在一起。在通电线圈的轴线处，这是两个旋转波重叠在一起。)0(t)0(二、单层集中整距绕组的三相磁动势二、单层集中整距绕组的三相磁动势1.三相基波磁动势三相基波磁动势选选A相电流为最大值时作为时间的起点，三相电流分别表示为相电流为最大值时作为时间的起点，三相电流分别表示为tIiAcos2)120cos(20tIiB)240cos(20tIiCA相绕组产生的基波磁动势为相绕组产生的基波磁动势为coscos11tFfkAB相绕组产生的基波磁动势为相绕组产生的基波磁动势为)120cos()120cos(0

20、011tFfkBC相绕组产生的基波磁动势为相绕组产生的基波磁动势为)240cos()240cos(0011tFfkC三相绕组合成的基波磁动势三相绕组合成的基波磁动势)cos()cos(23111111tFtFffffkCBApINFFk11135.123结论：结论：三相对称绕组流过三相对称电流产生的合成基波磁动势三相对称绕组流过三相对称电流产生的合成基波磁动势为圆形旋转磁动势；为圆形旋转磁动势；（2）三相合成基波磁动势的波长和单相的一样；）三相合成基波磁动势的波长和单相的一样；（3）三相合成基波磁动势的幅值是不变的；）三相合成基波磁动势的幅值是不变的；（4）三相合成基波磁动势的旋转方向是朝着）三相合成基波磁动势的旋转方向是朝着+的方向；的方向；（5）三相合成基波磁动势的旋转角速度）三相合成基波磁动势的旋转角速度；min)/(601rpfn（6）当某相电流达到最大值时，三相合成基波磁动势的正幅）当某相电流达到最大值时，三相合成基波磁动势的正幅值正好位于该相绕组的轴线处。值正好位于该相绕组的轴线处。2.三相谐波磁动势三相谐波磁动势03333CBAffff)5cos(55555tFffffCBA1551FF )7cos(77777tFffffCB