第四章交流电机绕组的基本理论09.9.24

《电机学》第四章交流电机绕组的基本理论1抽象交流电机的基础掌握重要内容第四章交流电机绕组的基本理论《电机学》第四章交流电机绕组的基本理论2主要内容：交流绕组构成；电势；磁势。交流电机分：同步：主要作为发电机，也可作为电动机和补偿机异步：主要作为电动机，有时也作发电机区别：两类交流电机在励磁方式和运行特性有很大差别相同点：电机定子中发生的电磁现象和机电能转换的原理基本相同《电机学》第四章交流电机绕组的基本理论3《电机学》第四章交流电机绕组的基本理论44.1交流绕组的基本要求一、基本要求：电气要求：1.绕组产生的电动势（磁动势）接近正弦波---谐波分量少。2.三相绕组的基波电动势对称3.一定导体数下，产生尽可能大的基波电动势4.绕阻铜耗小，用铜量少。5.绝缘可靠，机械强度高，散热条件要好，制造方便。例：Z=36，2p=4槽槽内放置绕组《电机学》第四章交流电机绕组的基本理论5二、设计原则1、正弦分布磁场在导体中产生正弦波电动势2、用槽电势星形图分布保证三相绕组的感应电动势对称3、采用60º相带可获得尽可能大的基波电动势《电机学》第四章交流电机绕组的基本理论61、正弦分布磁场在导体中产生正弦波电动势保证励磁磁动势在气隙中产生的磁场在空间按正弦规律分布，则它在交流绕组中感应的电动势就随时间按正弦规律变化cos)(mBBtcoslvB=lv)(B=emc0t某根导体对准磁极轴线0tcos)(lvBlvBemc《电机学》第四章交流电机绕组的基本理论7电动势的频率f=pn/60（p191）转子为一对极p＝1转子旋转一周，绕组中的感应电动势正好交变一次(一周期)；设转子每分钟转数为n(r/min)，则转子每秒旋转n/60(转/秒)f=n/60《电机学》第四章交流电机绕组的基本理论8电机有p对极转子旋转一周，感应电动势交变p次(即p个周期)；转子每秒钟旋转n/60(转/秒)，感应电动势每秒交变pn/60次，即电动势的频率为：※我国国标工业交流电动势的频率为50Hz，因此电机的极数和转速成反比关系。f=pn/6060/221pnf磁极切割导体角速度min/r1500=n2=pmin;/r3000=n1=pp3000=pf×60=n时，时，《电机学》第四章交流电机绕组的基本理论9电角度的定义：转子铁心的横截面是一个圆，其几何角度为360º。从电磁角度看，一对N,S极构成一个磁场周期，即1对极为360º电角度。2、用槽电动势星形图分相以保证三相感应电动势对称2p＝2一周360º(2π)机械角度——空间角度一对极一周360º电角度——空间角度《电机学》第四章交流电机绕组的基本理论10机械角度＝360º电角度=p×360º=720º电角度=p×机械角度2p＝4两对N,S极构成2个感应电势周期《电机学》第四章交流电机绕组的基本理论11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，这些相量构成一个辐射星形图，称槽电势星形图。槽距角：一个槽所占的机械角度，用α表示槽距电角：一个槽所占的电角度，用α1表示103636036000Z2036360360001papZp《电机学》第四章交流电机绕组的基本理论12例：Z=36，2p=4,绘制槽电势星形图。解：槽距角α=360º/Z=10º槽距电角α1=p×360º/Z=20º将星形图圆周分为三等份，每等份120º（称120º相带，相带是指一相绕组在一个磁极下连续所占的电角度），将每个相带内的所有导体电动势相量正向串联起来（蓝色为A相；黑色为B相，红色为C相），得到相电动势。1(19)2(20)3(21)4(22)A相5(23)6(24)7(25)8(26)9(27)B相10(28)11(29)12(30)13(31)14(32)15(33)C相16(34)17(35)18(36)一般地，如电机有p对极，则有p个重叠的槽电势星形。《电机学》第四章交流电机绕组的基本理论133、采用60º相带可获得较大的基波电势分相方法：将星形图圆周分为六等份，每等份60º（称60º相带）。A、B、C三相带中心线依此互差120º，X相带中心线与A相带中心线互差180º，将X相带与A相带电动势反向串联起来得A相电动势。同理得到B、C相电动势。各相电动势大于120º相带时的值。A和X相带内的全部导体属于A相，B和Y相带的全部导体为B相……《电机学》第四章交流电机绕组的基本理论144.2三相单层绕组※与绕组有关的几个概念线圈（绕组元件）：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。叠绕组线圈波绕组线圈结构上区别：线圈的两个出线是靠拢还是远离线圈的对称轴线铜(铝)线《电机学》第四章交流电机绕组的基本理论15与线圈相关的概念：有效边；端部；线圈节距：一个线圈两个有效边之间所跨的槽数，用y1表示。y＝4(1－5)y1《电机学》第四章交流电机绕组的基本理论16极距：相邻极所距距离；沿定子铁心内圆每个磁极所占的范围（槽数）用槽数表示：=Z/2p用长度表示：=D/2p例：Z=36，2p=4=36/4=9例：Z=36，2p=2=36/2=18y1=τ时，线圈称为整距线圈；y1τ时，线圈称为短距线圈；y1τ时，线圈称为长距线圈；《电机学》第四章交流电机绕组的基本理论17每极每相槽数：例：Z=36，2p=4相带的宽度恰好对应每极每相槽数q每个极下每相占有的槽数。已知总槽数Z、极对数p和相数m，则pmZq23=3×2×236=pm2Z=q《电机学》第四章交流电机绕组的基本理论18极相组——将一个磁极下属于同一相（即一个相带）的q个线圈，按照一定方式串联成一组，称为极相组（又称为线圈组）。线圈组数=线圈个数/q《电机学》第四章交流电机绕组的基本理论19例：Z=24，2p=4=Z/2ppmZq2Zp01360《电机学》第四章交流电机绕组的基本理论20单层绕组和双层绕组:单层绕组一个槽中只放一个元件边双层绕组一个槽中放两个元件边。《电机学》第四章交流电机绕组的基本理论211.绘制槽电动势星形图2.分相，构成线圈。3322362pmZq20363602360001Zp600相带例：已知一交流电机槽数Z＝36，极数2p＝4，并联支路数a＝1，绘制三相单层绕组展开图。《电机学》第四章交流电机绕组的基本理论223.确定并联支路数单层绕组：每相最大并联支路数等于极对数amax=p4.画出三相绕组展开图(a=1)头尾相连《电机学》第四章交流电机绕组的基本理论23《电机学》第四章交流电机绕组的基本理论24二极交流电机，其线圈节距y≈τ，故其端接线几乎跨过半个定子内圆，其嵌线及端部整形困难，为减少嵌线难度，可以将线圈制成大小不同、同心套置在一起的绕组，称为同心式绕组，连接绕组仍应保持电动势相加的原则。《电机学》第四章交流电机绕组的基本理论25说明1.单层绕组虽然因线圈形状或端接连接方式不同，而分成许多不同形式，本质上各类型单层绕组均为整距绕组，即短距系数Kp＝1(Kp意义将在后续章节中介绍)。因为虽然线圈实际跨距可能大于或小于极距，但相电动势大小仍为各相带全部有效边导体电动势之矢量和，并不减小。2.与双层绕组比较，单层绕组线圈数少(节省线圈制造工时)，槽内不需层间绝缘，因而槽面积利用率高。但其磁动势、电动势波形较差，目前只用在10kw以下的小型异步电机中。《电机学》第四章交流电机绕组的基本理论264.3三相双层绕组大多数交流电机使用双层绕组。双层绕组的每个槽内放置上、下层两个线圈有效边，线圈一条边在某槽上层，另一个边则放置在相距y1槽的下层，因此每台电机线圈个数＝槽数。《电机学》第四章交流电机绕组的基本理论27主要优点：1.可以选择最有利的节距，并同时采用分布绕组，以改善电动势和磁动势的波形；2.所有线圈具有相同的尺寸，便于制造;3.端部形状排列整齐，有利于散热和增强机械强度。相隔距离取决于节距元件的总数等于槽数，每相元件数即为槽数的三分之一。《电机学》第四章交流电机绕组的基本理论28例4.2一台相数3，极数2p=4，槽数36的定子的三相双层叠绕组展开图1、选择节距：极距=Z/2p=9整距则y1==9本例：y1=72、绘制槽电势星形图：3、分相：每极每相槽数：q=Z1/2pm=3按600相带各相带分配的线圈号为：《电机学》第四章交流电机绕组的基本理论29《电机学》第四章交流电机绕组的基本理论304、确定并联支路条件：各条支路电动势相量相等双绕组：最大并联支路数amax=2p《电机学》第四章交流电机绕组的基本理论315、绘制绕组展开图连相绕组；按照同样的方法构造其他两相。※10kW以上的电机主要采用双层绕组《电机学》第四章交流电机绕组的基本理论324.4在正弦分布磁场下的绕组电动势交流绕组的感应电势：旋转磁场是交流电机工作的基础。在交流电机理论中有两种旋转磁场:1.机械旋转磁场:通过原动机拖动磁极旋转可以产生机械旋转磁场.2.电气旋转磁场:三相对称的交流绕组通入三相对称的交流电流时会在电机的气隙空间产生电气旋转磁场两种旋转磁场尽管产生的机理不相同，但在交流绕组中形成的电磁感应效果是一样的。交流绕组处于旋转磁场中，并切割旋转磁场，产生感应电势。《电机学》第四章交流电机绕组的基本理论33交流绕组构成：导体→线圈→线圈组→一相绕组→三相绕组《电机学》第四章交流电机绕组的基本理论34一、导体感应电势（ÉC1）1、感应电势的波形感应电势随时间变化的波形和磁感应强度在空间的分布波形相一致。只考虑磁场基波时，感应电势为正弦波。《电机学》第四章交流电机绕组的基本理论352、感应电势的频率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，转过p（电机的极对数）对磁极；转速为n1（r/min)的电机，每秒钟转过(pn1/60)对极；导体中感应电势的频率f=pn1/60Hz同步转速：感应电动势的频率：《电机学》第四章交流电机绕组的基本理论36导体与磁场的相对速度：v=2pn1/60v=电机圆周长/转一周需时间:以长度计的极距（m),=D/2p（D：电枢内径）n1为转子转速（r/min)，转一周需要时间60/n1(s/r)3、感应电势的大小Bm1——磁感应强度基波的幅值；l——导体A在磁场中的有效长度v——导体与磁场的相对速度推导过程：v=D/(60/n1)=2pn1/60《电机学》第四章交流电机绕组的基本理论37导体感应电势的有效值：v=2pn1/60每极磁通：lгl每极下面积Bav=2Bm/π（注意各物理量的单位）《电机学》第四章交流电机绕组的基本理论38二、匝电势Et1（一个线匝有两个导体）《电机学》第四章交流电机绕组的基本理论39整距线圈: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。短距线圈：匝电势《电机学》第四章交流电机绕组的基本理论40单匝线圈电动势的有效值时1y1cE2cE短距系数《电机学》第四章交流电机绕组的基本理论41ky1=Et1/2EC1=sin(y1/2)ky11，∴线圈感应电势有所损失；但短距可以削弱高次谐波短距系数ky1：线圈有Nc匝，则线圈电动势为：节距为y1的线匝电势整距线匝电势※ky1：由于短距关系匝电动势比整距时小些，应打折扣。《电机学》第四章交流电机绕组的基本理论42三、线圈组的感应电势Èq1无论是单层绕组还是双层绕组，总是由属于同一相带范围内的q个线圈串联构成线圈组，再将q个(单层绕组)或2q个(双层绕组)线圈组串联或并联，组成相绕组。]e...ee1[EE111a)1-q(ja2jja1y1q－－－q个线圈电动势之相量和111111111)2sin()2sin()2sin()2sin(qyyyqkqEaqqaqEaqaEE线圈组电动势之模《电机学》第四章交流电机绕组的基本理论43111111111)2sin()2sin