华中科技大学_电机学__第四章_交流电机绕组(完美解析)

电机学ElectricMachinery（第4章交流电机绕组的基本理论）2交流电机同步电机同步发电机同步电动机异步发电机异步电动机异步电机同步电机异步电机交流绕组：交流电机中的绕组速度等于同步速速度不等于同步速3异步电机：主要用作电动机，只有特殊场合才用作发电机。4同步电机：多用作发电机使用，在不调速情况，也用作电动机，可改变电网功率因数（通过调节励磁电流）。5两种类型的交流电机在涉及的基本电磁理论、基本结构原理方面具有下面三个共同部分：交流绕组的基本结构交流绕组中感应的电动势交流绕组产生的磁动势4.1&4.2交流绕组的基本结构交流绕组的基本要求三相双层绕组正弦波三相对称较大基波分量三相单层绕组7线圈：线圈是串联好的两根导体或多根导体，相应地称为单匝线圈或多匝线圈。绕组：按一定规律排列和连接的线圈的总称。在电机制造过程中，线圈是构成交流绕组的基本单元。y1(a)单匝线圈(b)多匝线圈(c)多匝线圈简易画法一、交流绕组的基本要求8交流绕组的基本要求①要求磁势和电势的波形为正弦波形；②要求磁势和电势三相对称，三相电压对称；③在一定的导体数下，获得较大的基波电势和基波磁势。导体、线圈交流绕组9①交流绕组感应电动势（磁动势）接近正弦波同步发电机结构示意图气隙中磁感应强度正弦分布θBBsin)θ(mωtlvBθlvBlvBesinsin)θ(mmc定子导体感应的电动势10ceωtlvBlvBesinsinmmctω导体感应电动势结论①：励磁磁动势在气隙中产生的磁场在空间正弦分布，即可保证交流绕组感应电动势随时间正弦变化。11术语1.电角度磁密在空间为正弦分布，一对磁极对应于一个完整正弦波，相当于360°。如果磁极极对数是p，整个圆周有p个完整正弦波，相当于p×360°。从几何的观点来看，整个圆周只有360°。圆周的空间几何角度称为机械角度，而圆周上对应于磁场分布的角度称为电工角度，简称为电角度。电角度＝p×机械角度360°电角度2×360°电角度12Zα360pαZpα3601Z为电机槽数术语3.槽距电角α1：相邻两槽之间的电角度。术语2.槽距角α：相邻两槽之间的机械角度。1036360360Zα203636023601Zpα例图中：Z=3613203636023601Zpα②三相绕组基波电动势（磁动势）对称各槽导体感应电动势大小相等，相邻槽导体电动势相位差α1。将各槽导体电动势相量画在一起，组成一个星形，称为槽电动势星形图。sinsinmmceωtlvBe14术语4：每极每相槽数q定义：每相在每个极下所占有的槽数。已知总槽数Z、极对数p和相数m，则q1——分布绕组整数槽绕组——q为整数分数槽绕组——q为分数pmZq23322362pmZq例图中：Z=36，p=2，m=315术语5.相带定义：每极每相绕组占有的范围，用电角度表示。3322362pmZq例图中：Z=36，p=2，m=3ZppmZq36021已知总槽数Z、极对数p和相数m，则203636023601Zpα601q故称为60°相带16120°相带结论②：利用槽电动势星形图分相，即均分槽电动势矢量可保证三相感应电动势对称。将槽电动势星形图3等分，每等分120°，即构成120°相带。17将槽电动势星形图6等分，每等分60°，即构成60°相带。60°相带结论③：采用60°相带可获得较大基波电势。③交流绕组感应电动势（磁动势）基波分量较大18总结：交流绕组的构成原则均匀原则：每个极内的槽数（τ）应相等，各相绕组在每个极内所占的槽数（q）应相等；对称原则：三相绕组的结构完全一样，且在空间互相错开120°电角度；若槽距角为α，则相邻两相错开的槽数为120/α电势相加原则：线圈两个有效边的感应电势应该相加，线圈与线圈之间的感应电势也应该相加；如线圈的一个边在N极下，另一个应在S极下采用60°相带19单层绕组只适用于10kW以下的小型异步电动机，其极对数通常是p＝l~4；二、三相单层绕组单层：每槽中只放置一层线圈边；单层绕组线圈数等于槽数的一半；20y1)(2π)(2米槽pDpZ)()()(1长距短距整距＝y各个线圈的感应电动势有效值相等相邻线圈的感应电动势相位差为槽距电角α1单层绕组的线圈节距均为整距术语7.极距：一个磁极在铁心圆周表面上所占的范围称为极距，用符号τ表示，通常以用槽数或长度计。术语6.节距：一个线圈的两个有效边在铁心圆周表面上所跨的距离称为节距，用符号y1表示，一般以槽数计。211、实例：单层叠绕组展开图例：一台交流电机定子槽数Z=36，极数2p=4，并联支路数a=1，试绘制三相单层绕组展开图。步骤：①画槽电动势星形图；②分极分相；③构成线圈和线圈组；④构成一相绕组；⑤画出三相绕组。22203636023601Zpα①画槽电动势星形图各槽导体感应电动势有效值相等，且相邻槽导体感应电动势相位差为槽距电角α123②分极分相:将总槽数按极数均匀分开，N、S极相邻分布将每个极的槽数按三相均匀分开，三相在空间错开120°电角度24③构成线圈和线圈组将一对极下属于同一相的某两个导体连接，构成一个线圈将一对极下属于同一相的q个线圈连接，构成一个线圈组X2A1X1A225线圈线圈组线圈组线圈组：每相绕组中，相邻的线圈串联在一起，称为一个线圈组。一个线圈组中的线圈个数为每极每相槽数q。X2A1X1A226◎并联支路数a：一相绕组中并联支路的个数，即因各个线圈组的感应电动势相等，可以采用串、并联方式将q个线圈组连接，形成a条并联支路。◎单层绕组每相最大并联支路数amax=p④构成一相绕组：将属于同一相的p个线圈组串、并联成一相绕组，并标记首尾端X2A1X1A2a=1AXa=227④画出三相绕组：A相绕组整体右移120°得B相绕组，整体右移240°得C相绕组28总结：单层叠绕组构造方法和步骤画槽电动势星形图分极分相:将总槽数按极数均匀分开，N、S极相邻分布将每个极的槽数按三相均匀分开，三相在空间错开120°电角度构成线圈和线圈组：将一对极下属于同一相的某两个圈边连接，构成一个线圈将一对极下属于同一相的q个线圈连接，构成一个线圈组构成一相绕组：将属于同一相的p个线圈组连成一相绕组，并标记首尾端线圈组串联与并联，均符合电势相加原则画出三相绕组：画出三个的单相绕组，并△接法或者Y接法连成完整的三相绕组292、单层同心式绕组A相展开图a=1适用于p＝l的小型三相异步电动机和单相异步电动机（每极每相槽数q较大）构成：1与12相连构成一个大线圈，2与11相连构成一个中线圈，3与10相连构成一个小线圈，这三个线圈组成一个线圈组；同理，19与30、20与29、21与28相连，组成另一线圈组。30特点：绕组型式不同只不过是线圈构成方式不同、导体连接先后次序不同，而构成绕组的导体所占的槽号是相同的，都在属两个相差180°电角度的相带内；三相单层绕组的节距因数均为1，具有整距绕组性质；单层绕组无需层间绝缘，结构和嵌线较简单。适用范围：一般用于10kW以下小功率电机。3、三相单层绕组特点31双层：每槽中有两个线圈边，分为上、下两层放置，其中靠近槽口的为上层，靠近槽底部为下层。每个线圈均有一个边放在上层，一个边放在另一槽的下层，相隔距离取决于节距。双层绕组中，线圈的总数等于槽数。功率较大或对波形要求较高的电机，通常采用双层绕组。双层绕组常有叠绕组和波绕组两种型式。三、三相双层绕组321、实例：三相双层叠绕组展开图例：一台交流电机定子槽数Z=36，极数2p=4，并联支路数a=2，y1=7，试绘制三相双层叠绕组展开图。步骤：①画槽电动势星形图；②分极分相；③构成线圈和线圈组；④构成一相绕组；⑤画出三相绕组。33203636023601Zpα①画槽电动势星形图各槽导体感应电动势有效值相等，且相邻槽导体感应电动势相位差为槽距电角α134②分极分相:将总槽数按极数均匀分开，N、S极相邻分布将每个极的槽数按三相均匀分开，三相在空间错开120°电角度35③构成线圈和线圈组根据节距y1连线圈，并以上层边所在槽号标记线圈编号将一对极下属于同一相的q个线圈连接构成线圈组（共2组）共有2p个线圈组y1=936y1=7,a=2AX④构成一相绕组：将属于同一相的2p个线圈组串联、并联、或一半串联后再并联成一相绕组，并标记首尾端◎双层绕组每相最大并联支路数amax=2p37双层叠绕组A相展开图(y1=7,a=2)。38双层叠绕组展开图(y1=7,a=2)。AX⑤画出三相绕组：BYZC39总结：双层叠绕组构造方法和步骤画槽电动势星形图分极分相(60°相带):将总槽数按极数均匀分开，N、S极相邻分布将每个极的槽数按三相均匀分开，三相在空间错开120°电角度构成线圈和线圈组：根据节距y1连线圈，并以上层边所在槽号标记线圈编号将一对极下属于同一相的q个线圈连接构成线圈组构成一相绕组：将属于同一相的2p个线圈组连成一相绕组，并标记首尾端根据并联支路数将线圈组串联、并联或串并联，均符合电势相加原则画出三相绕组：右移画出三个的单相绕组，并△接法或者Y接法连成完整的三相绕组40短距时，在某些槽中，其上层线圈边与下层线圈边可能不属一相，在这些槽中，上层与下层之间有较大电位差，应加强层间绝缘。短距时，同一相的上、下层导体错开了一个距离，用短距角β表示，表示一个线圈的上层导体电势和下层导体电势的相位差是180°-β电角度，合成电势应计及节距因数kp。2、短距（y1τ）4.3交流绕组电动势基波电动势（正弦分布磁场）谐波电动势及其削弱方法导体电动势线圈电动势与短距系数线圈组电动势与分布系数相电动势与绕组系数气隙磁场谐波分量谐波电动势削弱谐波电动势方法42支路电动势相电动势线圈组电动势线圈电动势43一、基波电动势1.导体电动势p对极电机，气隙磁场空间分布为p个正弦波的磁场称为基波磁场，基波磁场在绕组中感应的电动势为基波电动势。θBBsin)θ(m144当p对极的正弦分布磁场以转速n1切割导体时，在导体中感应电动势为正弦波：ωtlvBθlvBlvBesinsin)θ(m1m1c1θBBsin)θ(m1导体感应电动势有效值lvBEm1c121fpnnDv26026011速度每极磁通lBm112感应电动势频率601pnfflB221m1f121122.2fEc导体感应电动势452.线圈电动势与短距系数)2πsin(211cc1yENEy)2πsin(11yky短距系数★ky1≤1★对于整距线圈ky1=1)sincos1()1(111c1c2cc1cc11yjyENeENENENEcyjcy线圈电动势线圈电动势有效值11144.4ycykNfE线圈感应电动势463.线圈组电动势与分布系数分布系数★kq1≤1★对于集中绕组（q=1）kq1=12sin2sin1111qqqEEyq2sin2sin111qqkq)1(111)1(21y1qjjjqeeeEE线圈组电动势线圈组电动势有效值111144.4qycqkkqNfE线圈组感应电动势11qykqE474.相电动势与绕组系数相电动势等于并联支路的支路电动势。每条支路所串联的各线圈组的电动势都是同大小、同相位，可以直接相加。对于单层绕组，每相有p个线圈组，每条支路有p/a个线圈组；对于双层绕组，每相有2p个线圈组，每条支路有2p/a个线圈组。基波相电动势有效值Eφ1为)(244.42)(44.411c1111c111双层绕组单层绕组qyqqyqkkapqNfΦEapkkap