第二篇交流电机的共同理论问题

1、第第2篇篇 交流电机的共同问题交流电机的共同问题第六章第六章 交流电机的电枢绕组及其电动势交流电机的电枢绕组及其电动势 6.1 交流电机的基本要求和分类交流电机的基本要求和分类6.1.1基本要求基本要求: 前面我们已经讲过电机的分类前面我们已经讲过电机的分类,其中有很大一部其中有很大一部分由交流电机构成分由交流电机构成.交流电机包括同步电机和异交流电机包括同步电机和异步电机两大类。虽然同步电机和异步电机在运行步电机两大类。虽然同步电机和异步电机在运行原理和结构上有很多不同，但它们之间也有许多原理和结构上有很多不同，但它们之间也有许多相同之处，例如交流绕组构成及其感应电动势和相同之处，例如交流绕

2、组构成及其感应电动势和磁动势。因此，在这一章里磁动势。因此，在这一章里,我们将着重对交流我们将着重对交流电机的共同问题给予讲解电机的共同问题给予讲解. 和变压器相仿，在交流电机中要进行能量的转换和变压器相仿，在交流电机中要进行能量的转换必须要有绕组。交流绕组尽管形式多样，但其基必须要有绕组。交流绕组尽管形式多样，但其基本功能相同，即感应电动势、导通电流和产生电本功能相同，即感应电动势、导通电流和产生电磁转矩，所以其构成原则也基本相同。一般来说，磁转矩，所以其构成原则也基本相同。一般来说，对交流绕组有以下一些基本要求对交流绕组有以下一些基本要求:n（1）在一定的导体数下，有合理的最大绕组合）在一

3、定的导体数下，有合理的最大绕组合成电动势和磁动势。成电动势和磁动势。n（2）各相的相电动势和相磁动势波形力求接近）各相的相电动势和相磁动势波形力求接近正弦波，即要求尽量减少它们的高次谐波分量。正弦波，即要求尽量减少它们的高次谐波分量。n（3）对三相绕组，各相的电动势和磁动势要求）对三相绕组，各相的电动势和磁动势要求对称（大小相等且相位上互差对称（大小相等且相位上互差120），并且三），并且三相阻抗也要求相等。相阻抗也要求相等。n（4）绕组用铜量少，绝缘性能和机械强度可靠，）绕组用铜量少，绝缘性能和机械强度可靠，散热条件散热条件 n（5）绕组的制造、安装和检修要方便。）绕组的制造、安装和检修要方

4、便。6.1.2 绕组的分类绕组的分类:n由于交流电机应用范围非常广，不同类型的交流由于交流电机应用范围非常广，不同类型的交流电机对绕组的要求也各不相同，因此交流绕组的电机对绕组的要求也各不相同，因此交流绕组的种类也非常多。其主要分类方法有：种类也非常多。其主要分类方法有：n（1）按槽内层数分，可分为单层和双层绕组。）按槽内层数分，可分为单层和双层绕组。其中，单层绕组又可分为链式、交叉式和同心式其中，单层绕组又可分为链式、交叉式和同心式绕组；双层绕组又可分为叠绕组和波绕组。绕组；双层绕组又可分为叠绕组和波绕组。n（2）按相数分，可分为单相、两相、三相及多）按相数分，可分为单相、两相、三相及多相绕

5、组。相绕组。n（3）按每极每相槽数，可分为整数槽和分数槽）按每极每相槽数，可分为整数槽和分数槽绕组。绕组。n尽管交流绕组种类很多，但由于三相双层绕组能尽管交流绕组种类很多，但由于三相双层绕组能较好地满足对交流绕组的基本要求较好地满足对交流绕组的基本要求 ，所以现代动，所以现代动力用交流电机一般多采用三相双层绕组。力用交流电机一般多采用三相双层绕组。6.2 槽电动势星形图槽电动势星形图6.2.1 相关概念的介绍相关概念的介绍:（1）极对数：指电机主磁极的对数，通常用）极对数：指电机主磁极的对数，通常用p表示。表示。（2）电角度：在电机理论中，我们把一对主磁极所）电角度：在电机理论中，我们把一对主

6、磁极所占的空间距离，称为占的空间距离，称为360的空间电角度。的空间电角度。 （3）机械角度：一个圆周真正的空间角度为机械角）机械角度：一个圆周真正的空间角度为机械角度度360。很明显，电角度。很明显，电角度=极对数极对数机械角度。机械角度。（4）槽距角：相邻两槽间的距离用电角度表示，叫）槽距角：相邻两槽间的距离用电角度表示，叫做槽距角，用做槽距角，用 表示。表示。Zp360（5）极距：极距指电机一个主磁极在电枢表面所）极距：极距指电机一个主磁极在电枢表面所占的长度。其表示方法很多，可用槽数：占的长度。其表示方法很多，可用槽数： 空间长度空间长度（6）每极每相槽数：在交流电机中，每极每相占）每

7、极每相槽数：在交流电机中，每极每相占有的平均槽数有的平均槽数q是一个重要的参数，如电机槽数是一个重要的参数，如电机槽数为为Z，极对数为，极对数为p，相数为，相数为m。则得：。则得： q=1的绕组称为集中绕组，的绕组称为集中绕组，q1的绕组称为分布的绕组称为分布绕组。绕组。pZ2pD2 pmZq26.2.2 槽电动势星形图：槽电动势星形图： 槽电动势星形图：槽电动势星形图：当把电枢上各槽内导体当把电枢上各槽内导体按正弦规律变化的电动势分别用相量表示按正弦规律变化的电动势分别用相量表示时，这些相量构成一个辐射星形图，槽电时，这些相量构成一个辐射星形图，槽电动势星形图是分析交流绕组的有效方法，动势星

8、形图是分析交流绕组的有效方法，下面我们用具体例子来说明。下面我们用具体例子来说明。 例：下图是一台三相同步发电机的定子槽例：下图是一台三相同步发电机的定子槽内导体沿电枢内圆周的分布情况，已知内导体沿电枢内圆周的分布情况，已知2p=4,电枢槽数电枢槽数Z=24,转子磁极逆时针方转子磁极逆时针方向旋转，试绘出槽电动势星形图。向旋转，试绘出槽电动势星形图。解：先计算槽距角：解：先计算槽距角： 设同步电机的转子磁极磁场的磁通密度沿电机气设同步电机的转子磁极磁场的磁通密度沿电机气隙按正弦规律分布，则当电机转子逆时针旋转时，隙按正弦规律分布，则当电机转子逆时针旋转时，均匀分布在定子圆周上的导体切割磁力线，

9、感应均匀分布在定子圆周上的导体切割磁力线，感应出电动势。由于各槽导体在空间电角度上彼此相出电动势。由于各槽导体在空间电角度上彼此相差一个槽距角差一个槽距角，因此导体切割磁场有先有后，因此导体切割磁场有先有后，各槽导体感应电动势彼此之间存在着相位差，其各槽导体感应电动势彼此之间存在着相位差，其大小等于槽距角大小等于槽距角。 00030243602360Zp 从槽电动势星形图上我们可以看出：从槽电动势星形图上我们可以看出： 槽电动势星形图的一个圆周的距离使用电槽电动势星形图的一个圆周的距离使用电角度角度3600，即一对磁极的距离。所以，即一对磁极的距离。所以，112号相量和号相量和1324重合。重

10、合。一般来说一般来说,当用相量表示各槽的导体的感应电当用相量表示各槽的导体的感应电动势时动势时,由于一对磁极下有由于一对磁极下有Z/P个槽个槽,因此一因此一对磁极下的对磁极下的Z/P个槽电动势相量均匀分布个槽电动势相量均匀分布在在3600的范围内的范围内,构成一个电动势星形图构成一个电动势星形图.6.3 三相单层绕组和双层绕组三相单层绕组和双层绕组 定义定义:定子或转子每槽中只有一个线圈边的三相交定子或转子每槽中只有一个线圈边的三相交流绕组称为三相单层绕组。流绕组称为三相单层绕组。一、相关概念一、相关概念: 1、 线圈（元件）：是构成绕组的基本元件，线圈（元件）：是构成绕组的基本元件，它由它由

11、Nc根线匝串联而成，线圈中嵌放在槽内的根线匝串联而成，线圈中嵌放在槽内的部分称为有效线圈边，线圈边之间的连接部分部分称为有效线圈边，线圈边之间的连接部分称为端部。如图：称为端部。如图： Y1：线圈的第一节距，常用槽数来进行表示。：线圈的第一节距，常用槽数来进行表示。 y1 =，则称线圈为整距线圈，则称线圈为整距线圈，y1为长距。为长距。2、单层绕组：、单层绕组： 三相交流绕组由于每槽中只包含一个线圈三相交流绕组由于每槽中只包含一个线圈边，所以其线圈数为槽数的一半。三相单层边，所以其线圈数为槽数的一半。三相单层绕组比较适合于绕组比较适合于10KW以下的小型交流异以下的小型交流异步电机中，很少在大

12、、中型电机中采用。步电机中，很少在大、中型电机中采用。3、 分类：按照线圈的形状和端部连接方法分类：按照线圈的形状和端部连接方法的不同，三相单层绕组主要可分为链式、同的不同，三相单层绕组主要可分为链式、同心式和交叉式等型式。心式和交叉式等型式。 介绍一个相关概念：介绍一个相关概念： 分相：由于绕组为三相绕组，因此还需把分相：由于绕组为三相绕组，因此还需把各槽导体分为三相，在槽电动势星形图上各槽导体分为三相，在槽电动势星形图上划分各相所属槽号。分相的原则是使每相划分各相所属槽号。分相的原则是使每相电动势最大，并且三相的电动势相互对称。电动势最大，并且三相的电动势相互对称。通常三相绕组使用通常三相

13、绕组使用60分相法，即把槽电分相法，即把槽电动势星形图动势星形图6等分，每一等分称为一个相带，等分，每一等分称为一个相带，依次分别为依次分别为A、Z、B、X、C、Y相带，如相带，如 下所示：下所示： 相带极数 A Z B X C Y第一极数 1 23 45 67 89 1011 12第二极数 13 1415 16 17 18 19 20 21 22 23 24 双层绕组：双层绕组：指电机每一槽分为上下两层，指电机每一槽分为上下两层，线圈（元件）的一个边嵌在某槽的上层，线圈（元件）的一个边嵌在某槽的上层，另一边安放在相隔一定槽数的另一槽的下另一边安放在相隔一定槽数的另一槽的下层的一种绕组结构。双

14、层绕组的线圈结构层的一种绕组结构。双层绕组的线圈结构和单层绕组相似，但由于其一槽可安放两和单层绕组相似，但由于其一槽可安放两个线圈边，所以双层绕组的线圈数和槽数个线圈边，所以双层绕组的线圈数和槽数正好相等。根据双层绕组线圈形状和连接正好相等。根据双层绕组线圈形状和连接规律，三相双层绕组可分为叠绕组和波绕规律，三相双层绕组可分为叠绕组和波绕组两大类。下面仅介绍叠绕组。组两大类。下面仅介绍叠绕组。 叠绕式：任何两个相邻的线圈都是后一个叠绕式：任何两个相邻的线圈都是后一个“紧叠紧叠”在另一个上面，故称为叠绕组。在另一个上面，故称为叠绕组。 双层叠绕组的主要优点在于：双层叠绕组的主要优点在于：1）可以

15、灵活地选择线圈节距来改善电动势）可以灵活地选择线圈节距来改善电动势和磁和磁 动势波形；动势波形；2）各线圈节距、形状相同，便于制造；）各线圈节距、形状相同，便于制造；3）可以得到较多的并联支路数；）可以得到较多的并联支路数；4）可采用短距线圈以节约端部用铜。）可采用短距线圈以节约端部用铜。主要缺点在于：主要缺点在于：1）嵌线较困难，特别是一台电机的最后几）嵌线较困难，特别是一台电机的最后几个线圈；个线圈；2）线圈组间连线较多，极数多时耗铜量较）线圈组间连线较多，极数多时耗铜量较大。一般大。一般10KW以上的中、小型同步电机以上的中、小型同步电机和异步电机及大型同步电机的定子绕组采和异步电机及大

16、型同步电机的定子绕组采用双层叠绕组。下面我们通过具体例子来用双层叠绕组。下面我们通过具体例子来说明叠绕组的绕制方法。说明叠绕组的绕制方法。三相交流电机三相交流电机Z=24，2p=4，试绘制，试绘制a=2的三相双层叠绕组展开图。的三相双层叠绕组展开图。解：先计算：解：先计算：（2）画出电动势星形图）画出电动势星形图（3）分相）分相30243602360Zp234242pmZq5642421ypZ，取（4）绘制绕组展开图）绘制绕组展开图: 将同一磁极下属于同一相带的线圈依次连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成一个线圈组则A相可得四个线圈组，分相可得四个线圈组，分别为别为1-2，7

17、-8，13-14，19-20。同理。同理B、C两相也各有两相也各有4个线圈组。四个线圈组个线圈组。四个线圈组的电动势的大小相等，但同一相的两个相的电动势的大小相等，但同一相的两个相带中的线圈组电动势相位相反带中的线圈组电动势相位相反 .6.5 正弦分布磁场下绕组的电动势正弦分布磁场下绕组的电动势n在交流电机中，一般要求电机绕组中的感应电动在交流电机中，一般要求电机绕组中的感应电动势随时间作正弦变化，这就要求电机气隙中磁场势随时间作正弦变化，这就要求电机气隙中磁场沿空间为正弦分布。要得到完全严格的正弦波磁沿空间为正弦分布。要得到完全严格的正弦波磁场很难实现，但是可以采取各种结构参数尺寸使场很难实

18、现，但是可以采取各种结构参数尺寸使磁场尽可能接近正弦波，例如从磁极形状、气隙磁场尽可能接近正弦波，例如从磁极形状、气隙大小等方面进行考虑。在国家标准中，常用波形大小等方面进行考虑。在国家标准中，常用波形正弦性畸变率来控制电动势波形的近似程度。正弦性畸变率来控制电动势波形的近似程度。n本节首先研究在正弦分布磁场下定子绕组中感应本节首先研究在正弦分布磁场下定子绕组中感应出的电动势，我们先看一个导体内的电动势的大出的电动势，我们先看一个导体内的电动势的大小，在看线圈内的。小，在看线圈内的。一、一、 导体电动势：导体电动势： 当气隙磁场的磁通密度当气隙磁场的磁通密度B在空间按正弦波分布时，在空间按正弦

19、波分布时，设其最大磁密为设其最大磁密为Bm1，则：，则： B= Bm1sin 当导体切割气隙磁场时：当导体切割气隙磁场时：其中：其中：所以导体电动势的有效值为：所以导体电动势的有效值为：tEtlvBlvBeclmmclsinsin1fnpv2602lfBlvBEEmmmc111c1222又因为正弦波磁通密度的平均值为：又因为正弦波磁通密度的平均值为：每极磁通为：每极磁通为：都带入上式：都带入上式： 这是一个导体内的电动势，这是一个导体内的电动势， 下面我们展开看线圈下面我们展开看线圈内的。内的。1012sin1mmavBxdxBB lBav11122.2221ffEc二、线圈电动势和短距系数：

20、二、线圈电动势和短距系数： 线圈一般由线圈一般由Nc匝构成，当匝构成，当Nc=1时，为单匝线圈。时，为单匝线圈。1、单匝时：、单匝时： 称为整距线圈。如图所示：称为整距线圈。如图所示：由于整距线匝两有效边感应电动势的瞬时值大小由于整距线匝两有效边感应电动势的瞬时值大小相等而方向相反，故整距线匝的感应电动势为：相等而方向相反，故整距线匝的感应电动势为：y1= n其有效值为：其有效值为：n而对于而对于 的短距线圈，其有效边的感的短距线圈，其有效边的感应电动势相量相位差应电动势相量相位差 所所n以短距线匝的电动势为：以短距线匝的电动势为：111)(121cccytEEEE111)(144. 4222

21、1ffEEcyt y1 IBNBkN1,则则A、B两相的磁动势两相的磁动势分别为分别为:n其中其中:)90sin(2sin2tIitIiBBAA)90sin()90cos(sincos11tFftFfBBAA119.0,9.0NBBBNAAAkpNIFkpNIF 可见可见,此时的此时的A,B相绕组所产生相绕组所产生 的磁动势的大小的磁动势的大小并不相等并不相等,下面我们用空间矢量法来进行分析下面我们用空间矢量法来进行分析: 在在t=90瞬间，仍将两相磁动势的基波各自瞬间，仍将两相磁动势的基波各自分解为正、反向的两个旋转磁动势，然后将每个分解为正、反向的两个旋转磁动势，然后将每个旋转磁动势用一个旋转的空间矢量来表示。旋转磁动势用一个旋转的空间矢量来表示。BAFFF1n显然，正转合成基波磁动势是一个圆形旋转磁动显然，正转合成基波磁动势是一个圆形旋转磁动势。而反转合成基波磁动势等于势。而反转合成基波磁动势等于 :n反转合成基波磁动势仍为圆形旋转磁动势。与前反转合成基波磁动势仍为圆形旋转磁动势。与前面对称情况下不同的是这时反转合成基波磁动势面对称情况下不同的是这时反转合成基波磁动势的幅值不为零。的幅值不为零。BAFFF1 既然在电机里同时存在着正、反转合成基波磁动既然在电机里同时存在着正、反转合成基波磁动势，就应该把它们相加起来，从而得出势，就应该把它们相加起来，从而得出 总磁动