安徽大学电机学第二篇-交流电机的共同理论上半部

1、第6章 交流电机的电枢绕组及其电动势第7章 交流绕组的磁动势,第二篇 交流电机理论的共同问题,第6章 交流电机的电枢绕组及其电动势,6.1 交流绕组的要求和分类 6.2 槽电动势星形图 6.3 三相单层绕组（难点） 6.4 三相双层绕组（难点） 6.5 气隙磁场正旋分布时绕组的电动势（重点） 6.6 非正弦分布磁场下电动势高次谐波及其削弱方法,6.1 交流绕组的要求和分类,(1) 电动势和磁动势的势波形要尽量接近正弦波， 谐波含量要尽量小。 (2) 三相绕组的电动势、磁动势要对称，电阻、电 抗要平衡。 (3) 绕组利用率要高。在绕组用铜量一定时，要获得较大的基波电动势和磁动势；在电动势、磁动势

2、要求一定时，用铜量要节省，铜耗要小。 (4) 绝缘可靠，机械强度高，散热条件好，制造方便。,交流绕组的分类:,按绕法分类 叠绕组、波绕组 按槽内层数分类 单层绕组、双层绕组 按相数分类 单相绕组、三相绕组、多相绕组,三相交流绕组模型,A相轴,C,A,B,Z,Y,X,B相轴,C相轴,A,B,C,定子绕组,定子铁心和绕组:,S,S,N,N,三相交流绕组构成（单层绕组）,1个线圈 (Nc匝),1个线圈组 (q个线圈),单匝线圈 (2根导体),1根导体,A,X,Nc=4,q=3,2p=4,1相绕组总匝数pqNc,极相组,叠绕组线圈,多匝线圈,单匝线圈,散 嵌 线 圈,成 型 线 圈,（1）三相交流绕组

3、的术语,相数：m=3 槽数：Q=36 极数：2p=4 极距：=Q/2p=9（槽） 每极每相槽数：q=Q/2mp=/m=3（槽） 注意：q=1称为集中绕组；q1称为分布绕组 机械角度：实际几何角度 电角度：电角度=p机械角度 定子导体中感生电势变化所对应的角度。定子导体中电势变化一个周期，为360o电角度。对于p对极，机械上旋转一周，导体电势变化p个周期。,6.2 槽电动势星形图,槽距机械角度：0=360/Q=10 槽距电角度：=p360/Q=20(槽距角),槽电动势星形图：把电枢上各槽内导体感应电动势用相量表示，所构成的星状图。,相带：每极下每相所占的区域。 将360度圆周分成六等分，每等分占

4、60度，称为60度相带。这种分法可以保证三相感应电动势对称，且合成电动势较大，是常用的方法。 也可以将360度圆周分成三等分，每等分占120度，称为120度相带，但这种分法获得的电动势较小，不常用。,16,槽电动势星形图与绕组相带,60相带绕组,120相带绕组,节距：线圈元件的两边所跨过的（圆周）距离称为节距（第一节距）,节距y1=：整距线圈 节距y1：长距线圈,6.3三相单层绕组,每槽中只放一条线圈边的绕组为单层绕组。优点：线圈数少、制造工时省、无槽内绝缘、槽利用率高。缺点：不能利用短距来削弱电动势和磁动势谐波，槽漏抗大。 按照线圈形状和端部接法不同分为：链式、同心式和交叉式三种。 例1：已

5、知一交流电机定子槽数Z24，极数2p=4，并联支路数a=1，试绘制三相单层绕组展开图。,解：,2、画出槽电动势星形图,1、主要参数,3、分相,4、绘制绕组,N,N,S,S,Z,A,X,B,Y,C,单层叠绕组,A,X,B,Y,C,Z,N,S,N,S,单层链式绕组,比较：,N,S,N,S,A,X,同心式绕组,例2：已知一交流电机定子槽数Z36，极数2p=4，并联支路数a=1，试绘制三相单层绕组展开图。,注意：,虽然从表面上看，有些线圈为长距线圈，有些为短距线圈，但是从总体上看，这几种联接方式都是从“叠绕”变换过来，实际上都是整距分布绕组。因此，各相最大并联支路数等于极对数。,6.4 三相双层绕组,

6、三相双层绕组指电机每一槽分为上下两层，线圈的一个边嵌在某个槽的上层，另外一边安放在相隔一定槽数的另外一个槽的下层的一种绕组结构。其线圈数和槽数相等。槽电动势星图中数字代表线圈而不是导体。 主要分为：叠绕组和波绕组两大类。,6.4.1 叠绕组,特点：两个相临线圈都是后一个“紧叠”在另外一个上面，故称叠绕组。 优点：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。 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。 一般10KW以上的中、小型同步电

7、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。,例：一台三相交流电机，已知Z=24,2p=4，绘制a=2的三相双层叠绕组展开图。,并联支路：,N,N,S,S,a=2,A,X,整距绕组y=6,N,N,S,S,a=1,a=2,A,X,短距绕组y=5,6.4.2 波绕组,波绕组连接特点是把所有同一极性下（N或S极）属于同一相的线圈按一定顺序串联起来组成一个线圈组。常用在多极、支路导线截面积较大的交流电机，可节约极间连接用铜线。 不管极对数多少，其一相下有且只有两个线圈组，可以进行串联或并联，构成相绕组。连接的项圈呈波浪形前进，故称为波绕组。,6.5 正弦分布磁场下绕组的电动势,在交流电机中，一

8、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，但是可以采取各种方法使磁场尽可能接近正弦波。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。,6.5.1 导体电动势 当磁场为正弦分布时，,导体中的感应电动势随时间也按正弦规律变化，感应电动势的大小为：,感应电动势的有效值为：,对于正弦分布磁场，每极磁通为：,用磁通表示的磁感应强度的最大幅值为：,导体相对于磁场的速度为：,感应电动势的频率为：,导体感应电动势的有效值：,为磁场相对于导体的转速,6.5.2 线圈电动势和短距系数,整距线圈的电动势,单匝线圈电势：,

9、单匝线圈电动势的有效值：,线圈有 匝，则线圈电动势为,短距线圈的节距 ，用电角度表示时，节距为:,单匝线圈的电动势为,据相量图中的几何关系，得单匝线 圈电动势。,为线圈的基波节距因数，表示线圈短距时感应 电动势比整距时应打的折扣：,其有效值 为:,有Nc匝时：,6.5.3 线圈组电动势和分布系数,由于每极（双层）或每对极（单层）下有q个线圈串联，组成线圈组，因此线圈组电动势等于q个串联线圈电动势之和。,分析一个极相组内q个线圈的合成电动势Eq1,Ey2,Ey1,Ey3,极相组的合成电动势,槽距角为a,Ey1,Ey2,Ey3,q个线圈的合成电动势Eq1为,式中， 外接圆半径。,把R代入上式，得,

10、Ey1,Ey2,Ey3,由,可得：,6.5.4 相电动势和线电动势： 在多极电机中每相绕组均由处于不同极下一系列线圈组构成，这些线圈组既可串联，也可并联。此时绕组的相电动势等于此相每一并联支路所串联的线圈组电动势之和。,如果设每相绕组的串联匝数（即每一并联支路的总匝数）为N，每相并联支路数为a时，相电动势为：,6.6 非正弦分布磁场下电动势中的高次谐波及其削弱方法,6.1 磁极磁场非正弦分布所引起的谐波电动势,相电动势：,线电动势：,连接：,连接：,交流发电机一般采用,高次谐波电动势的危害：,使发电机的电动势波形变坏，影响供电质量； 使发电机附加损耗增加，效率降低，温升增高； 使感应电动机产生

11、有害的附加转矩和损耗； 对附近的通讯线路产生电磁干扰； 可能引起输电线路谐振，引起输电线路的过电压。,6.2.2 磁场非正弦分布引起的谐波电动势削弱方法,（1）使气隙磁场沿着电枢表面尽量接近正弦 （2）利用三相对称绕组的连接来消除电动势中的3次及其倍数次奇次谐波电动势。,（3）采用短距绕组削弱高次谐波电动势,为了同时兼顾削弱5次和7次谐波电动势，一般取：y15/6,（4）采用分布绕组来削弱高次谐波电动势,三相60度相带整数槽绕组分布因数,电枢铁心表面开有槽，尤其大型电机几乎都是开口槽，使得气隙磁通的波形会受到电枢齿槽的影响（齿下气隙较小，磁导大；而槽口处气隙较大，磁导小），从而影响电枢绕组感应

12、电动势波形，产生较强的齿谐波。,（5）采用斜槽或分数槽来削弱齿谐波电动势,对同步发电机的空载电势波形进行分析，发现在q为整数的时候，存在次数为 齿谐波，其中次数为(Q/p)1=2mq1的高次谐波(一阶齿谐波)较强；对气隙较小的小型同步发电机，这种谐波更加突出。这就是所谓的“齿谐波”电动势。 齿谐波与基波有相同的短距系数和分布系数。,增大q值，使齿谐波次数增高，其影响就较小。汽轮发电机由于极数少，q值大，所以齿谐波影响不大；水轮发电机q值小，又不易增大，需采用其他措施。 斜槽削弱谐波 “斜槽”是将电枢齿槽沿轴向扭斜一定 的距离，使每根导体各部分感应的齿谐 波电动势相位不同，相互抵消一部分， 从而

13、大大削弱齿谐波电动势；当然也会 影响基波和其他谐波成分。,将槽内导体看作是由无穷多（n）短直导体串联构成，每两根相邻短直导体的电动势之间有一个极小的相位差（0），再依照绕组分布系数的推导方法可得斜槽系数的表达式。,整根导体扭斜的电角度：,用导体扭斜的距离表示：,次谐波斜槽系数：,采用斜槽（消除v次谐波的条件）：,且,消除(2mq+1)次齿谐波：,消除(2mq-1)次齿谐波：,同时削弱两种齿谐波：,通常，斜槽斜一个齿距！,分数槽来削弱,在大容量低转速电机中，q不可能太大，通常采用分数槽绕组来削弱谐波。 由于q为分数，则齿谐波的次数一般都是分数或偶数，而主极磁场中仅含有奇次谐波，从而避免了出现齿谐波电动势。 分析表明，分数槽绕组对其他高次谐波也有较好的抑制作用，大大改善电动势波形。,2mq1,例题：1.为了消除相电动势中5次谐波，如果采用短距方法