第二篇交流电机的共同理论问题

1、第二篇交流电机的共同理论问题第1页，共92页，2022年，5月20日，20点32分，星期日 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，对交流绕组有以下一些基本要求:（1）在一定的导体数下，有合理的最大绕组合成电动势和磁动势。（2）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。（3）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120），并且三相阻抗也要求相等。（4）绕组用铜量少，绝缘性能和机械强度可靠，散热条件 （5）绕

2、组的制造、安装和检修要方便。第2页，共92页，2022年，5月20日，20点32分，星期日6.1.2 绕组的分类: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，因此交流绕组的种类也非常多。其主要分类方法有：（1）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、交叉式和同心式绕组；双层绕组又可分为叠绕组和波绕组。（2）按相数分，可分为单相、两相、三相及多相绕组。（3）按每极每相槽数，可分为整数槽和分数槽绕组。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 ，所以现代动力用交流电机一般多采用三相双层绕组。第3页，共92页，2022年

3、，5月20日，20点32分，星期日6.2 槽电动势星形图6.2.1 相关概念的介绍:（1）极对数：指电机主磁极的对数，通常用p表示。（2）电角度：在电机理论中，我们把一对主磁极所占的空间距离，称为360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度360。很明显，电角度=极对数机械角度。（4）槽距角：相邻两槽间的距离用电角度表示，叫做槽距角，用 表示。第4页，共92页，2022年，5月20日，20点32分，星期日（5）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： 空间长度（6）每极每相槽数：在交流电机中，每极每相占有的平均槽数q是一个重要的参数，

4、如电机槽数为Z，极对数为p，相数为m。则得： q=1的绕组称为集中绕组，q1的绕组称为分布绕组。 第5页，共92页，2022年，5月20日，20点32分，星期日6.2.2 槽电动势星形图： 槽电动势星形图：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，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内导体沿电枢内圆周的分布情况，已知2p=4,电枢槽数Z=24,转子磁极逆时针方向旋转，试绘出槽电动势星形图。第6页，共92页，2022年，5月20日，20点32分，星期日解：先计算槽距角： 设同步电机的

5、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，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差一个槽距角，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，其大小等于槽距角。 第7页，共92页，2022年，5月20日，20点32分，星期日第8页，共92页，2022年，5月20日，20点32分，星期日 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角度3600，即一对磁极的距离。所以，112号相量和1324重合。一般来说,当用相量表示各槽的导体的感应电动势时,由于一对磁极下有Z/P个槽,因此

6、一对磁极下的Z/P个槽电动势相量均匀分布在3600的范围内,构成一个电动势星形图.第9页，共92页，2022年，5月20日，20点32分，星期日6.3 三相单层绕组和双层绕组 定义: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。一、相关概念: 1、 线圈（元件）：是构成绕组的基本元件，它由Nc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称为端部。如图： Y1：线圈的第一节距，常用槽数来进行表示。 第10页，共92页，2022年，5月20日，20点32分，星期日y1 =，则称线圈为整距线圈，y1为长距。2、单层绕组： 三相交流绕组由于每槽中只包含一个

7、线圈边，所以其线圈数为槽数的一半。三相单层绕组比较适合于10KW以下的小型交流异步电机中，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。第11页，共92页，2022年，5月20日，20点32分，星期日第12页，共92页，2022年，5月20日，20点32分，星期日 介绍一个相关概念： 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。通常三相绕组使用60分相法，即把槽电动势星形图6等分，每一等分称为一个相带，依次分别为A、

8、Z、B、X、C、Y相带，如 下所示：第13页，共92页，2022年，5月20日，20点32分，星期日 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 1617 1819 20 21 22 23 24第14页，共92页，2022年，5月20日，20点32分，星期日第15页，共92页，2022年，5月20日，20点32分，星期日 双层绕组：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，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个线圈边，所以双层绕组的线圈数和

9、槽数正好相等。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组两大类。下面仅介绍叠绕组。第16页，共92页，2022年，5月20日，20点32分，星期日 叠绕式：任何两个相邻的线圈都是后一个“紧叠”在另一个上面，故称为叠绕组。 双层叠绕组的主要优点在于：1）可以灵活地选择线圈节距来改善电动势和磁 动势波形；2）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；4）可采用短距线圈以节约端部用铜。第17页，共92页，2022年，5月20日，20点32分，星期日主要缺点在于：1）嵌线较困难，特别是一台电机的最后几个线圈；2）线圈组间连线较多，极数多时耗铜量较大。一般10K

10、W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。第18页，共92页，2022年，5月20日，20点32分，星期日三相交流电机Z=24，2p=4，试绘制a=2的三相双层叠绕组展开图。解：先计算：（2）画出电动势星形图（3）分相第19页，共92页，2022年，5月20日，20点32分，星期日（4）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成一个线圈组则A相可得四个线圈组，分别为1-2，7-8，13-14，19-20。同理B、C两相也各有4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的线圈组电动势相位相

11、反 .第20页，共92页，2022年，5月20日，20点32分，星期日第21页，共92页，2022年，5月20日，20点32分，星期日6.5 正弦分布磁场下绕组的电动势在交流电机中，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，常用波形正弦性畸变率来控制电动势波形的近似程度。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小，在看线圈内的。第22页，共92页，2022年，5月2

12、0日，20点32分，星期日一、 导体电动势： 当气隙磁场的磁通密度B在空间按正弦波分布时，设其最大磁密为Bm1，则： B= Bm1sin 当导体切割气隙磁场时：其中：所以导体电动势的有效值为：第23页，共92页，2022年，5月20日，20点32分，星期日又因为正弦波磁通密度的平均值为：每极磁通为：都带入上式： 这是一个导体内的电动势， 下面我们展开看线圈内的。 第24页，共92页，2022年，5月20日，20点32分，星期日二、线圈电动势和短距系数： 线圈一般由Nc匝构成，当Nc=1时，为单匝线圈。1、单匝时： 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相等而方向相反

13、，故整距线匝的感应电动势为：y1= 第25页，共92页，2022年，5月20日，20点32分，星期日其有效值为：而对于 的短距线圈，其有效边的感应电动势相量相位差 所以短距线匝的电动势为： y1 IBNBkN1,则A、B两相的磁动势分别为:其中:第86页，共92页，2022年，5月20日，20点32分，星期日 可见,此时的A,B相绕组所产生 的磁动势的大小并不相等,下面我们用空间矢量法来进行分析: 在t=90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，然后将每个旋转磁动势用一个旋转的空间矢量来表示。第87页，共92页，2022年，5月20日，20点32分，星期日显然，正转合成

14、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 :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的幅值不为零。第88页，共92页，2022年，5月20日，20点32分，星期日 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 总磁动势。由于 和 的旋转方向相反， 因此只能在固定某个瞬间相加,如图所见: *我们可以发现，合成磁动势的轨迹是一个椭 圆，因此被称为椭圆形旋转磁动势。当 和 同相时，为椭圆的长轴；当 和 反方向时为椭圆的短轴。第89页，共92页，2022年，5月20日，20点32分，星期日第90页，共92页，2022年，5月20日，20点32分，星期日 另外，椭圆形磁动势的旋转方向和正转磁动势的旋转方向相同，即仍从电流领先相绕组向电流滞后相绕组旋转。但椭圆型磁动势的转速不是均匀的，其平均转速为第91页，共92页，2022年，5月20日