电机与拖动基础4-20131022

1、电机与拖动基础交流电机三相异步电机三相交流电机交流电机异步和同步电机同步电机常用作发电机，异步电机常用作电动机异步电机三相和单相电动机三相异步电动机在目前的工业领域用的最多。结构简单、制造方便、运行可靠、价格低廉。三相异步电机的速度调节随着电力电子技术的发展，矢量变频器的出现，三相异步电动机的高精度、大范围速度调节不仅成为可能，而且是目前工业上使用的主要方式感应电机电源提供励磁电流（定子）电流建立运动磁场（定子）电磁感应在转子产生感应电势转子回路产生感应电流定子的磁场和转子的电流相互作用产生机械运动各类异步电动机的图片异步电机的结构异步电机主要部件定子和转子异步电机的结构1，定子定子铁心异步电

2、机主磁路的通路。为了减少旋转磁场在定子铁心中所引起的涡流和磁滞损耗，定子铁心必须用硅钢片叠压而成定子绕组异步电机定子的电路部分，多种绕制方式成型线圈，散嵌线圈，单层，双层，绕组联结方法。 其他部件：机座，端盖，风罩，铭牌等。异步电机的结构2，转子转子铁心也是异步电机主磁路的通路。为了减少旋转磁场在转子铁心中所引起的涡流和磁滞损耗，转子铁心必须用硅钢片叠压而成转子绕组转子绕组有二种：笼式和绕线式笼式绕组由转子槽中的导条和两端的环形端环组成异步电机的结构2. 转子绕线式绕组接成三相星型。特点转子通过集电环接到外电路，外电路可以附加控制装置来调节异步电机特性3. 气隙定子与转子之间的空气隙气隙大小的

3、影响气隙大，空气磁阻大，将增加旋转磁场的励磁电流，但可以减小气隙磁场中的协波含量。气隙小，则安装困难和运行不安全三相异步电动机的工作原理一、三相异步电动机的工作原理与运行状态感应电机的过程说明，三相电机的工作前提产生旋转磁场旋转磁场的产生旋转磁场极性和大小不变，但方向围绕圆心在旋转理论分析和实践将证明在对称多相绕组中流过多相电流时，将产生一种旋转磁场 直流电机的工作原理电动机工作： N极下的导体中电流方向总是流入S极下的导体中电流方向总是流出发电机工作： 导体与磁场有相对运动，就将产生感应电动势。如电路闭合，将有感应电流 如果磁极运动，将会产生什么现象？三相异步电动机的工作原理实验现象同步电机

4、三相异步电动机的工作原理实验现象-异步电动机三相异步电动机的工作原理图示，磁场处于上N，下S极时，旋转磁场n0反时针旋转（相当于转子向顺时针方向运动）。由法拉第电磁感应定律可得，转子电动势方向和转子电流方向；电流从上部纸面进，下部纸面出。根据洛伦兹电磁力定律，可得转子受力方向；使转子反时针旋转三相异步电动机的工作原理研究二极绕组旋转磁场情况绕组在空间上均匀分布，相隔120度绕组的三相电流为时间上也相隔120度三相异步电动机的工作原理旋转磁场的产生过程分析过程说明三相电流随时间变化一个周期T，则旋转磁场在空间相应转过一周，360度关系电流变化频率旋转磁场的转速三相异步电动机的工作原理三相异步电动

5、机的工作原理多极绕组的情况分析过程说明三相电流随时间变化一个周期T，则旋转磁场在空间仅仅转过半周，180度关系旋转磁场的转速电流变化频率/极对数三相异步电动机的工作原理2 . 三相异步电动机的工作原理第一步了解旋转磁场的产生第二步可以讨论三相异步电动机的工作原理三相异步电动机有一个转子转子结构对称三相绕组，三相对称绕组是短路的工作过程电源提供励磁电流（定子）电流建立运动磁场（旋转磁场）转子中产生感应电势转子回路产生感应电流定子的磁场和转子的电流相互作用产生机械运动三相异步电动机的工作原理3. 三相异步电动机的转速和运行状态工作原理说明，转子将随定子旋转磁场而转动，且方向相同。现问，转子转速如何

6、？一般情况，异步电动机的转速将低于旋转磁场的同步转速。n0n 异步电动机的速度表示转速值n；传差率定义s传差率（n0-n）/同步转速n0三相异步电动机的工作原理例三相异步电动机的工作原理异步电机的其他运行状态当nn0，则s0；此时为发电机状态当n1；此时为电磁制动状态三相异步电动机的名牌数据主要额定值如下（三相时）： 额定电压: UN(V)，额定运行时，规定加在定子绕组上的线电压； 额定电流：IN(A),额定运行时，规定加在定子绕组上的线电流； 额定功率: PN(W；kW),额定运行时，电动机的输出功率； 额定转速: nN(r/min),额定运行时，电动机的转子转速； 额定频率: fN(Hz)

7、，规定的电源频率(我国用工频 50Hz)； 额定效率N，额定功率因数: cosN 等。 额定功率：无论接法或是Y 接法，下式均成立：PN = 3 UNP INp cosNN= P1NNsqrt(3)UNINcosNN(W)三相异步电动机的定子绕组异步电动机工作要依靠定子磁场和转子的电流作用异步电机的工作磁场是一种旋转磁场，要依靠定子绕组中的交流电流来建立建立的旋转磁场应当具有一定的极数、一定的大小，在空间的分布波形接近正弦波旋转磁场必须由旋转磁动势来建立定子磁场的以上要求与定子绕组的结构有联系讨论定子绕组的结构相数单相、二相、三相和多相槽内层数单层、双层和单双层混合绕组端接单层同心式、交叉式和

8、链式；双层叠绕组和波绕组三相异步电动机的定子绕组一、交流绕组的一些基本知识和基本量绕组线圈：是构成绕组的元件。绕组就是将线圈按一定规律进行排列和联结。 与线圈相关的概念包括有效边、端部、线圈节距等 2. 定子槽及槽数：定子有很多导体槽，可以放置绕组。槽的数量用Q1表示 三相异步电动机的定子绕组3. 机械角度转子铁心的横截面是一个圆，其几何角度为360度。4. 电角度从电磁角度看，一对N,S极构成一个磁场周期，即一对极为360电角度 。若电机有p对磁极，则电角度有：电角度p机械角度5.极距沿定子铁心内圆每个磁极所占的范围 用槽数表示：= Q1/(2p) 槽。用长度表示：= (D) / （2p）

9、6. 节距线圈两个有效边之间所跨过的槽数称为线圈的节距，用y表示 。y 长距线圈（一般不用）。 7. 槽距角 相邻槽之间的电角度，槽数Q1, 则槽距角： （电角度）。 (机械角度) 8. 每极每相槽数 q 每个极下每相绕组所占的槽数q = Q1 / (2pm)（槽） m = 为相数； 多极绕组与电角度 极对数、机械角度、电角度机械角度（机械角速度）:1周为360度，在地面上看到的转子实际旋转的角度和速度；电角度（电角频率）: 变化1个周期为360度，是以电、或磁信号的角度表示的。三相异步电动机的定子绕组例：通以直流电流形成的磁极以及极距。三相异步电动机的定子绕组极距 相邻两个磁极的中心线在定子

10、铁芯内圆所隔开的距离长度，称为极距。通常用表示。极距一般用定子槽数或电角度表示，也可以用圆弧长度表示其中 D为定子铁芯内径。Q1为定子槽数节距 y一个线圈的两个有效边所跨过定子内圆上的圆弧为节距。一般节距y用槽数表示，也可用电角度辨识。当y=时，称为整距绕组。图a是二极12槽电机，节距与极距都是6当y时称为短距绕组。图b是二极12槽电机，节距为y=5，极距=6，y称为长距绕组，长距绕组端部较长，浪费导线，不长采用三相异步电动机的定子绕组( 机械角度 )三相异步电动机的定子绕组槽距角 相邻两槽之间的电角度称为槽距角 ( 电角度)ABCXYZq=1 q=12/6=2三相异步电动机的定子绕组每极每相

11、槽数 q每相绕组，每一极下所占的槽数称为每极每相槽数式中 m为绕组的相数，一般为3集中绕组与分布绕组： 每极每相槽数为1的绕组称集中绕组。q1的绕组称分布绕组。显然，前面介绍的6槽3相两极绕组模型，以及前面图示的4极电机绕组，均是集中和整距绕组。并且，都属于单层绕组。 实际的电机不会采用集中整距绕组，都会采用分布绕组。有些还会采用短距分布绕组。功率大于10KW以上，多采用双层绕组，下面(a)图是一个简单的双层短距分布绕组原理性结构图。(b)图为对应的绕组展开图三相异步电动机的定子绕组三相异步电动机的定子绕组 该绕组的极对数 p=1，相数m=3，极距=6槽，槽距角30度，节距y=5。 与集中整距

12、绕组相比，采用双层短距分布绕组的一个主要作用是可以有效消弱气隙磁场和感应电势的谐波成分。将再本章后续部分进行分析三相异步电动机的定子绕组三相异步电动机的定子绕组二、交流绕组的排列和联接目的讨论定子线圈在定子槽内的排列及线圈间的联接教材中已给出电机的极数2p=4，槽数Q124讨论计算极距 Q1=24, 2p=4, =6三相异步电动机的定子绕组2. 线圈中的电流方向根据给定极数，了解各极距内一相绕组线圈中的电流方向。三相异步电动机的定子绕组3. 确定相带每个极距内属于同相的槽所占的区域定子绕组在定子圆周上要求对称，则每相绕组在定子内园上有相同的槽数Q1/m（整数）。对于属于一相的槽，应当按极距对称

13、分组。三相异步电动机的定子绕组4. 定子绕组的展开图将槽编号，分相带。确定各相的相带。根据对线圈中电流方向的要求，画出一相绕组的线圈及其相互的联接绕组的排列和联接方法 计算极距； 计算每极每相槽数 划分相带 组成线圈组 按极性对电流方向 的要求分别构成一 相绕组三相异步电动机的定子绕组三、 三相单层绕组单层绕组，每个槽内只有一个绕组。Q1=24，2p=2三相异步电动机的定子绕组4. 组成线圈组三相异步电动机的定子绕组三、 三相单层绕组单层绕组，每个槽内只有一个绕组。Q1=24, 2p=41. 极距 =Q1/2p=62. 计算每极每相槽数 q=Q1/2mp=24/232=23. 电机为4极，每个

14、极距内有3个相带，整个定子共有6个相带，每个的相带2个槽各相带槽号列表如下相带/槽号AZBXCY第一对极1，23，45，67，89，1011，12第二对极13，1415，1617，1819，2021，2223，24三相异步电动机的定子绕组单层绕组，每个槽内只有一个绕组。Q1=24, 2p=4三相异步电动机的定子绕组单层绕组，每个槽内只有一个绕组。Q1=24, 2p=4三相异步电动机的定子绕组四、 三相双层绕组：双层绕组每个槽内有上下二个线圈边，每个线圈的一个边放在某一个槽的上层，另一个边放在相隔节距y1的下层三相异步电动机的定子绕组双层叠绕组，三相四极36槽。Q1=36, 2p=4极距计算 =

15、Q1/2p=36/4=9选择节距采用短节距： y1=8计算每极每相槽数 q=Q1/2mp=36/232=3槽距角= (p*360 / Q1)20（电角度） 5. 画展开图。各相带槽号列表如下相带/槽号AZBXCY第一对极1,2,34,5,67,8,910,11,1213,14,1516,17,18第二对极19,20,2122,23,2425,26,2728,29,3031,32,3334,35,36三相异步电动机的定子绕组绕组展开图三相异步电动机的定子绕组绕组展开图三相异步电动机的定子绕组双层叠绕组，三相四极36槽。Q1=36, 2p=46. 组成线圈组线圈组之间可以串联，也可以并联联接串联”

16、+A”相带线圈组与“-A”相带线圈组反相串联并联“+A”的首端与”-A”的末端、“+A”的末端与”-A”的首端相连接三相异步电动机的定子绕组波绕组展开图三相异步电动机的定子磁动势及磁场 了解旋转磁场的一般产生原理和三相异步电动机定子绕组的构成（定性问题） 下面分析气隙中旋转磁动势的大小、波形及其它属性（定量问题）一、单相绕组的磁动势脉振磁动势分析总的三相绕组合成磁动势，先从一个线圈的磁动势开始组成相绕组的基础是线圈，单相一个绕组的磁动势就是线圈的磁动势三相异步电动机的定子磁动势及磁场（一）整距线圈的磁动势三相异步电动机的定子磁动势及磁场空间分布特征整距线圈磁动势在空间的分布是一个矩形波。周期为

17、2，幅值为 线圈流过交流电流，磁动势分布的矩形波又是时间的函数三相异步电动机的定子磁动势及磁场对于多极电机的磁动势分析，与二极电机的磁动势完全相同。三相异步电动机的定子磁动势及磁场以上分析，了解异步电机整距线圈绕组磁动势分布和大小的特点空间上和时间上的特征现分析三相绕组的总磁动势；但空间位置不同，幅值变化的矩形波叠加讨论很麻烦。将矩形分布的磁动势在空间上分解为一个基波和一些协波傅氏分析可得矩形波仅含有奇次协波，且仅含有余旋项三相异步电动机的定子磁动势及磁场整距线圈所产生的脉振磁动势为矩形磁动势波形的傅氏分析三相异步电动机的定子磁动势及磁场三相异步电动机的定子磁动势及磁场（二）线圈组的磁动势异步

18、电机的定子绕组是均匀分布，相互之间有一个槽距角。线圈绕组的安排可以是整距线圈，也可以是短距线圈1 . 整距线圈的线圈组磁动势图示例分析q=3 的整距线圈组三相异步电动机的定子磁动势及磁场三相异步电动机的定子磁动势及磁场目标获得基波的合成磁动势分析方法矢量相加代替波形的逐点相加基波磁动势在空间按正弦规律分布，线圈组中各线圈的磁动势基波分量相差电角度。有关系式： 可求出q个整距线圈组成的线圈组基波合成磁动势三相异步电动机的定子磁动势及磁场每个基波磁动势的幅值则可得：三相异步电动机的定子磁动势及磁场计算三相四极电机的磁动势分布因数例：一台四级三相异步电动机，定子槽数Q1=36,。计算其基波和5次、7

19、次谐波磁动势的分布因数解 计算每极每相槽数q和槽距角三相异步电动机的定子磁动势及磁场1 . 短距线圈的线圈组磁动势双层绕组采用短距线圈，节距缩短，将对合成磁动势造成一定影响讨论 q=2，=6，y1=5的双层短距叠绕组的情况三相异步电动机的定子磁动势及磁场分析可得：对于上述的双层绕组，与某种单层整距绕组相同。它们在空间上的位移为的电角度三相异步电动机的定子磁动势及磁场基波合成磁动势的幅值为 高次协波也有相应磁动势的节距因数 从消除或消弱磁动势中某些协波来说，采用短距线圈组， 同样可以改善磁动势的波形 三相异步电动机的定子磁动势及磁场（三）相绕组的磁动势分析说明，绕组由集中改为分布，则波形改善，但

20、基波成分有所减少；绕组由整距改为短距，同样波形改善，但基波成分又再有所减少减少的因数定义为相绕组由q个线圈的线圈组联接而成，讨论了线圈和线圈组的磁动势，可推导相绕组的合成磁动势单相绕组基波合成磁动势的幅值是指相绕组在一对极下线圈中电流所形成磁动势的基波的幅值协波磁动势的幅值同样按一对极考虑三相异步电动机的定子磁动势及磁场极对数为p，每极每相槽数为q的双层短距绕组，每个线圈组有q个线圈，每个线圈有Ny匝，则一个相绕组每对极下线圈匝数是2qNy。如相绕组的串联总匝数为N，应有关系 基波合成磁动势为 协波合成磁动势为三相异步电动机的定子磁动势及磁场一个相绕组一对极下的基波合成磁动势幅值所在的轴线，即

21、为该对极下的轴线。空间坐标原点取在相绕组的轴线处，可得出单相绕组的方程式：三相异步电动机的定子磁动势及磁场分析可得，对单相绕组的磁动势的性质可得几点1）单相绕组的磁动势是一种在空间位置固定，幅值随时间变化的脉振磁动势，基波及所有奇次谐波磁动势的幅值在时间上都以绕组中电流变化的平率脉振2）单相绕组基波磁动势幅值的位置与绕组的轴线相重合3）单相绕组脉振磁动势中基波磁动势额幅值为 次谐波磁动势的幅值谐波次数越高，幅值越小三相异步电动机的定子磁动势及磁场三相绕组的磁动势旋转磁动势分析了单相磁动势，将A,B,C三个单相的磁动势逐点相加，可得三相绕组的合成磁动势逐点相加方法讨论麻烦，而且看不清基波磁动势的

22、主要作用分析目的充分理解三相绕组合成磁动势的特性分析方法数学推导和图解二种三相异步电动机的定子磁动势及磁场数学推导对于基波合成磁动势，一对极内有2q个匝数为Ny的线圈，则基波磁动势的幅值为2qNykw1，不是2qNy定义：有效匝数Nkw1为每相绕组的有效串联匝数前面分析了一相绕组在空间上分布并随时间变化的磁动势即有三相异步电动机的定子磁动势及磁场在三相电机定子中，有三个空间上互差120度的线圈A-X,B-Y,X-C；各个绕组中通过对称三相电流则A,B,C三相的基波磁动势的表达式为三相异步电动机的定子磁动势及磁场利用三角公式，可得出三相绕组的基波合成磁动势为 令可得出三相绕组的基波合成磁动势为三

23、相异步电动机的定子磁动势及磁场从三相绕组的基波合成磁动势的表达式可知，三相基波磁动势是一个幅值恒定、正弦分布的行波定子的三相基波合成磁动势沿圆周分布，即基波合成磁动势为一个沿圆周的旋转磁动势波三相异步电动机的定子磁动势及磁场讨论得出；三相基波合成磁动势是旋转的，它的旋转速度和方向如何？方向由表达式 可知，随着时间的变化，最大幅值的空间位置也在变化，有关系 则波幅的旋转角速度为 三相异步电动机的定子磁动势及磁场旋转方向按前述方式空间排列和电流相序，有： 则有 特性三相基波合成磁动势幅值过程A-B-C三相异步电动机的定子磁动势及磁场图解法三相异步电动机的定子磁动势及磁场三相异步电动机的定子磁场异步

24、电动机的主磁场三相合成磁场中的基波磁动势也存在谐波磁动势，这些谐波将在定子绕组产生感应电势，会影响到定子电流定子电流的磁场，主要在气隙内，同时存在于绕组端部、定子槽内，这种磁通与定子绕组交链上述二种都看作漏磁通三相异步电动机定子绕组的电动势三相电机通过三相电流后，气隙内建立主磁通。主磁通同时切割定、转子绕组，将感应出相应的感应电动势下面分析：正弦分布、以同步转速n0旋转的旋转磁场在定子绕组中所感应的电动势先讨论一个线圈，再一个线圈组，最后一个相绕组的感应电动势三相异步电动机定子绕组的电动势一、线圈的感应电动势电动机气隙内旋转磁场对定子的磁效应分析可设想电机的转子是一种以同步转速n0旋转、气隙磁场按正弦规律分布的磁极图示分析：二极电机的讨论过程；转子为旋转的磁极，该磁极产生的气隙磁场按正弦规律分布，气隙磁密为三相异步电动机定子绕组的电动势1 . 整距线圈的电动势旋转的转子磁极认为不动，则线圈AX顺时针方向旋转电磁感应定律e=-d/dt,可得出电动势的瞬时值设d为电角度d(wt)内所通过的磁通，则有 一个极距下的磁链三相异步电动机定子绕组的电动势每极磁通1为磁链为整距线圈电动势的瞬时值的表达式 整距线圈电动势的有效值为三相异步电动机定子绕组的电动势2 .短距线圈的电动势设具