交流电机共同问题

福州大学电气工程与自动化学院电机学教研组电机学多媒体课件系列2014.3第二篇

交流电机共同问题

交流电机包括同步电机和异步电机,是一种以磁场为耦合场的连续旋转的机电装置。第六章交流绕组理论

旋转电机结构定子转子空气隙---铁芯和绕组---铁芯和绕组

虽然他们在运行原理和结构上有有很大差别，但其内部发生的电磁现象存在许多共性，如交流绕组构成、交流绕组产生的感应电动势、交流绕组电流产生的磁势等问题相同,这些共性问题统一在此章节进行研究。三相同步电机的结构三相异步电动机的结构同步电机组成：定子、(气隙)、转子NSNS+AABCCB定子铁芯定子绕组转子磁极铁芯转子励磁绕组电刷集电环（滑环）气隙转子定子1、同步电机基本作用原理

当原动机带动转子旋转,气隙主磁场随转子旋转并切割定子绕组，产生感应电动势.定于:嵌放三相对称电枢绕组A-X、B-Y、C-Z,三相绕组匝数相等，空间位置互差1200电角度;转子:装有励磁绕组，通以直流电流,产生气隙主磁场.ABC

定子加三相交流电→产生旋转磁场→切割定、转子绕组，→产生感应电动势→导条闭合产生感应电流→转子带电导条和旋转磁场作用产生电磁转矩→驱动转于转动。旋转磁场的产生2、异步电机基本作用原理

定子与同步电机相似,嵌放三相A-X、B-Y、C-Z对称绕组,三相绕组空间位置互差1200电角度;转子与同步电机不同,由转子铁芯和闭合的交流绕组组成。第一节交流绕组构成原则交流绕组单层绕组双层绕组同心式绕组链式绕组交叉链式绕组等元件式整距叠绕组双层叠绕组双层波绕组

交流绕组是产生电动势、磁动势和产生电磁转矩的载体,动力驱动的交流电机多是三相绕组，本章着重介绍三相绕组。1、三相交流对称绕组的基本要求:(1）三相绕组合成电动势和磁动势的波形要接近正弦；尽量减少或消除高次谐波分量;

（2）各相电动势和磁动势要对称，各相阻抗相等；（3）用铜量省、绝缘性能和机械强度可靠，散热容易、制造方便。一、对交流绕组的要求:2、交流绕组的构成原则（1）均匀原则：每极的槽数相等，各相绕组在每极内所占的槽数应相等；（2）对称原则：三相绕组的结构完全一样，绕组匝数相同,空间位置互差120o电角度。（3）电势相加原则：线圈两个圈边的感应电势应该相加,即：线圈的一个边在N极下，另一个应在S极下。线圈与线圈之间的连接也应符合电势相加原则。1、电角度：在电机理论中，把一对主磁极所占的空间距离，称为360°的空间电角度。电角度=极对数P×机械角度二、交流绕组相关术语极对数：指电机主磁极的对数，通常用p表示。机械角度：一个圆周真正的空间角度为机械角度360°2、每极每相槽数q

：每个极内每相所占的槽数如电机槽数为Z，极对数为p，相数为m。则：q=1的绕组称为集中绕组，q>1的绕组称为分布绕组4、极距τ：指电机一个主磁极在电枢表面所占的长度可用槽数：空间长度：3、槽距角α：相邻两槽的距离用电角度表示y=τ为整距线圈y<τ为短距线圈y>τ为长距线圈6、线圈节距:元件两边所跨的槽数5、线圈（元件）：是构成绕组的基本单元。绕组就是线圈按一定规律的排列和联结。8、槽电动势星形图：

电枢上各槽导体感应正弦电动势用相量表示时,这些相量构成一个星形辐射图，称槽电动势星形图。

例:已知一台三相同步发电机的定子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。解：槽距角7、相带：每相绕组所占的范围60o相带——将一个磁极分成三份，每份所占电角度120o相带——将一对磁极分成三份，每份所占电角度

当转子逆时针旋转时，定子上的导体切割转子基波磁场，感应出正弦电动势。各导体沿圆周相距一个槽距角，导体内产生的电动势相位也相差一个槽距角，各槽电动势相量构成一个星形图。300α=300可见：槽电动势星形图一个圆周是一对极的距离，每对极都构成一个单元槽电动势星形图。此例:1至12号构成一对极即一个单元星形图，13至24槽为另一对极下的单元星形图，2个星形图重合。分相指每极下槽分配给三相，其原则是（1）每极每相占有q个槽；（2）三相对称，互差120°电角度。对绕组分相见图所示。9、分相10、单层绕组和双层绕组双层绕组：一个槽中放两个元件边单层绕组：一个槽中只放一个元件边

每槽分上下两层，靠近槽口的线圈边称为上层边，靠近槽底的线圈边称为下层边。

用途: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。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。分类：按连接和端接不同分类,有链式、同心式和交叉式等。

定义: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。第二节三相单层绕组优点:结构及嵌线工艺简单.一.

单层叠绕组(等元件式整距叠绕组)

例：Z＝24（槽）、m＝3（相）、2p＝4（极）的单层叠绕组1、计算:1)分极：画槽数,标槽号,将总槽数按给定的极数均匀（N、S极相邻分布）并标记假设的感应电势方向。分相：将每极槽数按三相均分(600相带)，三相在空间错开1200电角度；或按槽电动势星形图分相。2、画绕组展开图的步骤：AzBxAXCzcyByAxAx2)连接线圈：按电势相加原则将一对极内属于同一相的两个线圈边连成一个线圈;一对极共有q个线圈。连接线圈组：按电势相加原则将一对极内属于同一相的q个线圈连成一个线圈组，每相共p个线圈组.NNSS串联:a＝13)连相绕组:根据电势相加原则将属于同一相的p个线圈组连成一相绕组，并标记首尾端。并联：a＝2最大并联支路数a＝p4)连三相绕组:将三个构造好的单相绕组连成

完整的三相绕组AzBxAxczcyBy适用于q=2、p>1的小型异步电机***从形式上看，线圈y<τ短距（实质上仍为整距）二、单层链式绕组：保持线圈有效边电动势、电流方向不变，将叠绕组端部改接。单层叠绕组单层链式NNSS三、交叉式绕组:例：Z＝36（槽）、m＝3（相）、2p＝4（极）的单层叠绕组节距:2×81×7A21191174356981015131214171618X2321202225242726292831303332353436等元件单层叠绕：保持线圈有效边电动势、电流方向不变，将端部改接交叉式绕组：交叉式绕组

交叉式绕组适用于q=3的小型异步电机;因为q为奇数，一个相带内q槽无法均分为二，此时就形成了交叉式绕组。从形式上看，线圈组元件节距不等（大y=8，小y=7）（实质上仍为整距）四、同心式绕组：保持线圈有效边电动势、电流方向不变，将叠绕组端部改接。单层叠绕组同心式绕组NNSS保持线圈有效边电动势、电流方向不变，将端部改接。从形式上看，元件节距不等（大y=11，小y=9）（实质上仍为整距）NS同心式绕组适用于p=1的小型异步电机例：Z＝24（槽）、m＝3（相）、2p＝2（极）的电机1、三相单层绕组特点：⑴每个槽内只有一个线圈边,线圈数Z/2;

每线圈匝数Nc等于每槽导体数,(2)每对极q个线圈,组成1个线圈组,每个线圈组有qNc匝数;(3)每相有p个线圈组（60°相带),每相串联匝N=pqNc/a(即每条支路的匝数）(4)单层绕组实质上为整距绕组kp=12、优点：⑴嵌线方便,槽的利用率高(2)采用不等距的线圈组成，节省铜线缺点:不能做成短距（kp=1）,波形差。总结:第三节三相双层绕组

双层绕组：线圈一个边放在某槽的上层，另一边放在相隔节距y槽的另一槽的下层。特点：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规律,可分为叠绕组和波绕组两大类。a)叠绕组:相邻两个串联绕组中，后一个绕组叠加在前一个线圈上b)波绕组:两个相连接的线圈成波浪式前进这里仅介绍双层叠绕组例：三相交流电机Z=24，2p=4，整距y=τ，m=3试绘制a=1的三相双层叠绕组展开图1、计算：下面我们通过具体例子来说明双层叠绕组的构成一、整距y=τ双层叠绕组1)分极：以上层边所在槽号标记线圈号,将总槽数按给定的极数均分（N、S极相邻分布）,并标记假设的感应电势方向。2）分相：将每个极内槽数按三相均分,三相在空间错开1200电角度,或按槽电动势星形图分相。2、画绕组展开图的步骤：AzBxAXCzcyBy3)连接线圈:根据给定的线圈节距Y,按电势相加原则连线圈,每极共有q个线圈.4）连接线圈组:将同一极域内属于同一相的q个线圈按电势相加原则连成一个线圈组,共有2p个线圈组。NNSSa)按电势相加原则将属于同一相的2p个线圈组连成一相绕组,并标记首尾端;最大并联支路数a＝2p。

b)按照同样的方法构造其他两相。5）连相绕组A相连接(a=1)BCNSNSZY取短节距y=5<τ、a=2的双层叠绕组如下：二、短距y<τ双层叠绕组采用双层绕组目的：改善线圈电动势和磁动势的波形。a=2；A相支路连接图

总结:

三相双层绕组特点：⑴每个槽内放置上下两个线圈边,每个线圈匝数,每槽导体数(3)每相串联匝数(即每条支路的匝数）:⑵线圈个数等于定子槽数Z,每极组成1个线圈组，线圈组数为2p;

优点：1）可灵活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

缺点: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

用途：一般10kW以上的中、小型同步发电机和大型异步电机的定子绕组作业：p85(6-1,6-2)

旋转磁场是交流电机工作的基础,有两种旋转磁场:(1)机械旋转磁场:通过原动机拖动磁极旋转(2)电气旋转磁场:三相对称的绕组通入三相对称的交流电流时，在电机的气隙中产生电气旋转磁场；

交流绕组处于旋转磁场中，切割旋转磁场，产生感应电势机械旋转磁场电气旋转磁场第七章交流绕组电动势

一、导体中的感应电势1、导体感应电势的大小：B1(x)在空间的分布波形为正弦波.感应电势e1(t)的波形为也正弦波.V第一节交流绕组基波电动势

导体感应电势最大值:导体感应电势最大值：

导体感应电势的有效值：导体与磁场的相对速度：磁感应强度平均值:磁感应强度峰值:

磁场转过一对极，导体中的感应电势变化一个周期；磁场旋转一周，掠过P对磁极；导体中的感应电势变化P个周期；转速为n（r/min)的电机，每秒钟转过(pn/60)对极；导体中的感应电势变化pn/60个周期,所以,导体中感应电势的频率:f=(pn/60)Hz.

问：四极电机，要使得导体中的感应电势为50Hz,转速应为多少？n=60f/p2、导体感应电势的频率导体感应电势小结：

绕组中均匀分布的许多导体，其感应电势有效值，频率，波形均相同；但是他们的相位不相同。1、整距线圈的感应电势:

线圈的两个有效边处于磁场中相反的位置，其感应电势相差180电角度。整距线圈的感应电势：EcE’c-E’cEt1●二、一匝线圈的感应电势

线圈的两个有效边在磁场中相距为y，短距角为β，其感应电势相位差是（180-β）电角度。2、短距线圈的感应电势

短距角β：Ec’180-Ec-Ec’短距线圈的感应电势：ββ短距系数：

短距系数小于1，故短距线圈感应电势有所损失；但短距可以削弱高次谐波.三、一个线圈的感应电势

设一个线圈匝数为Nc，则该线圈电动势等于匝数Nc乘以一匝电动势，即:

当采用分布绕组时，每线圈组有q个线圈串成,线圈组感应电势是该q个线圈电势相量和。

四、线圈组的感应电势R分布系数：q个线圈相量:

线圈组的电势：线圈组的基波绕组因数:Ey3αEy2αEy1···4.一相绕组的基波电势(1)单层绕组的基波相电势

每对极有一个线圈组，每相p对极有p个线圈组，当并联支路为a时；：一相绕组串联匝数

:(2)双层绕组的基波相电势一相绕组串联匝数:(3)当选择每槽导体数为s时:单层S=Nc,双层S=2Nc,相电势的统一式:总串联匝数:

每极有一个线圈组，每相有2p个线圈组，且并联支路为a,则：相电势的大小为:一相绕组的基波电势总结:每相串联匝数感应电动势的波形为正弦波；感应电动势的频率为:；

主极磁场在气隙中除了正弦基波外，还有一系列高次谐波，所以绕组感应电动势也会含有高次谐波。

主极磁场的分布与磁极中心线相对称，故气隙磁场中含有奇次空间谐波。＝1、3、5…

1、主极磁场产生次谐波的性质:第二节谐波电动势及其削弱方法

谐波频率：谐波电动势的有效值：

次谐波的磁通量:

为次谐波的绕组系数:

对称三相系统，其各相的三倍次谐波电势幅值相等,时间上同相位。因此，Y连接:三倍次谐波电势互相抵消；连接:三倍次谐波形成环路,完全消耗成环流的电压降。2.相电动势和线电动势大小1)相电动势的有效值：2)线电动势的有效值：线电动势：线电动势：使发电机电动势波形变坏使输电线上的线损增加,对邻近产生通信干扰可能引起输电线路发生谐振,产生过电压使感应电动机产生附加转矩,效率降低,影响其运行性能3.高次谐波的弊害4、谐波电动势的削弱方法a)采用非均匀气隙，使气隙磁场沿电枢表面的分布接近正弦波形b)用三相对称绕组的联结来消除线电动势中的3次及其3奇数倍次谐波电动势c)采用短距和分布绕组来削弱高次谐波电动势d)采用斜槽或分数槽绕组削弱齿谐波电动势（1）采用短距绕组

适当地选择线圈的节距,使得某一次谐波的短距系数等于或接近零,达到消除或减弱该次谐波的目的。跨距的选择:即：为了消除第次谐波,要选比整距短的短距线圈例：为消除5;7次谐波，对于5次谐波,选用对于7次谐波,选用可见，采用分布绕组，当q=2时，5、7次谐波电动势被削减约74%，而基波被削减仅为3.4%，电动势波形等到明显改善。可利用分布绕组消除部分谐波。通常q越多,抑制谐波电动势的效果越好，但q增多,意味总槽数增多，电机成本提高。(2)采用分布绕组:作业:p95(习题7-1;7-2)例：某单层整距绕组，三相四极:第八章交流绕组的磁动势

电机是利用电磁感应原理进行机电能量转换的装置，研究电机就必须分析电机中磁场的分布及性质.

定、转子磁动势的性质都取决于产生它的电流类型及电流分布，而气隙磁通则与磁动势的分布及其经过的磁路有关。同步电机的定子绕组和异步电机的定转子绕组均为交流绕组，绕组中的电流是随时间变化的交流电，因此，交流绕组的磁动势及气隙磁通既是时间函数，又是空间的函数。概述

为了简化分析过程，我们作出下列假设：（1）绕组中的电流随时间按正弦规律变化（即只考虑绕组中的基波电流）；（2）槽内电流集中在槽中心处；（3）转子呈圆柱形，气隙均匀；（4）铁心不饱和，铁芯磁压降相对气隙磁压降可以忽略不计（即认为磁动势全部降落在气隙上）。

在分析时将按照整距线圈、单层绕组、双层短距绕组、相绕组磁势的顺序，依次分析它们的磁动势。

一、整距线圈的磁动势fc

右图表示一个Nc匝2极整距线圈产生的磁动势，电流ic正方向从线圈边A流出，从X流入；根据电流方向，载流线圈产生的磁场分布如a图;

磁力线穿过转子铁心、定子铁心和两个气隙:第一节单相绕组磁动势

由于铁心磁导率极大，其上消耗的磁势降可以忽略不计，线圈在一个气隙上施加的磁势为：

整距线圈的磁动势：空间位置不变，幅值随时间按正弦规律变化的矩形脉振磁势。如果通过线圈的电流为正弦波:则：按照富立叶级数可把矩形波分解为:基波和一系列谐波.矩形波脉振磁势表示为:脉振矩形波最大幅值:18003600FcfFc整距线圈磁动势瞬时值的表达式为：基波幅值为：高次谐波的幅值为:线圈组：有q个线圈，每个线圈电流相等→q个线圈磁动势均为矩形脉振波；每个线圈空间相差α电角度，q个线圈磁动势迭加→脉振阶梯波。

1.单层整距分布绕组的磁势分析：每个矩形波可分解为基波和一系列奇次谐波每个基波在空间相差α电角度

ν次谐波在空间相差να电角度Fc3Fc二、线圈组的磁动势

基波:在空间相差α电角度的q个基波磁动势逐点相加，就可求得基波合成磁动势的最大幅值Fq1。

因为基波磁动势在空间按正弦规律分布，所以空间矢量表示为：ααFc1Fc2Fc3

将这q个空间矢量相加，就可以得到一个线圈组的基波磁动势的幅值为:式中:kd1

基波磁动势的分布系数ααααFc1Fc1Fc3Fc2Fc2Fc3Fq1同理:高次谐波磁动势幅值为:式中—v次谐波的分布系数:单层绕组一个线圈组的磁动势:2.双层短距线圈组的磁动势

磁动势幅值取决于槽内导体电流的大小和方向，与线圈组成次序无关。

上下层导体相当于两个单层整距线圈组;

则:双层绕组线圈组的磁动势就是上下两个单层绕组磁动势叠加.

双层绕组线圈组磁动势:指双层绕组每对极两个线圈组电流产生的磁动势。β上下层线圈组在空间相差β电角度.

基波:上、下两个基波磁动势矢量的夹角正好等于两个线圈组空间的位移β，因而双层短距线圈组的基波磁动用空间矢量表示:

同理:高次谐波磁动势幅值:每对极双层短距线圈组的磁动势:

磁势既是时间的函数，更是空间的函数.

各对磁极分别有各自的磁路，空间不同的各对极磁势不能相加。可见:单相绕组的磁动势就是一对磁极下该相绕组电流产生的磁动势,即线圈组的磁动势。-9009002700三、单相绕组的磁动势单/双层绕组磁动势统一表达式:

设:每相电流Iph、每相串联匝数N,则每相磁动势统一公式：代入下式得：

综上所述:相绕组的磁动势就是一对磁极下该相绕组电流产生的磁动势;有以下几个特点：四、结论(p100)单相分布绕组的磁动势呈阶梯波分布，幅值随时间按正弦规律脉动----是阶梯脉动磁动势主要分量是基波，谐波次数越高、幅值越小;适当的绕组分布和短距有利于改善磁动势波形（提高正弦度）基波和谐波有相同的脉动频率(等于电流频率f)基波极对数为:p，谐波极对数为：pν=νp

基波极距为:τ，谐波极距为：τν

=τ/ν

正向旋转磁动势一、单相基波脉振磁动势的分解单相绕组流过交流电，产生脉振磁动势的基波表达式为:

反向旋转磁动势第二节三相绕组基波合成磁动势

最高点的运行轨迹为x＝

t,即随时间以角速度ω正向运动。

最高点的运行轨迹为x＝π－

t,即随时间以角速度π/t－ω运动。由上述分析可得出以下结论： 一个按正弦波分布的脉振磁动势，可分解为两个转速相等、转向相反的旋转磁动势，其幅值为原脉振磁动势最大幅值的一半。当脉振磁动势达到正的最大值时,两个旋转磁动势分量位于该相绕组的轴线上。ω用空间矢量表示:取该相绕组的轴线为相轴，磁动势的幅值为空间矢量大小。

、振幅相同，以相同的角速度ω向相反方向旋转。二、三相绕组基波合成磁动势

三相对称电流流过三相对称绕组，各相产生形式相同、空间位置不同的阶梯脉振磁动势。

各相基波脉振磁动势表达式分量为：三相对称电流:1.正转旋转磁动势圆形旋转磁动势ωF1F1利用三角公式将每相分解为两个旋转磁动势，得:三相合成基波磁动势为:ABC是一个幅值恒定、正弦分布的行波,波峰在:

三相对称电流通过三相对称绕组时将产生旋转磁势,且顺着X正方向,那相电流达到最大，旋转磁势幅值就在该相轴线处。任意对调两相电流相序，即电流相序按A－C－B通电，则：

2.反转旋转磁动势

结论：任意对调两相电流时（改变相序），三相合成磁动势旋转方向也跟着改变。其旋转方向始终由超前电流相转向滞后电流相。合成基波磁动势为反转旋转磁动势，其表达式为:

1)极数：基波旋转磁动势的极数与绕组的极数相同2)振幅：三相合成磁动势的振幅为每相脉动磁动势振幅的3/2倍.3)转速：

4)幅值位置：合成磁动势的