电机学交流电机的绕组及其感应电动势精选文档.ppt

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1、电机学交流电机的电机学交流电机的绕组及其感应电动绕组及其感应电动势势本讲稿第一页，共七十二页第六章 交流电机的绕组及其感应 电动势本讲稿第二页，共七十二页第一节基本结构、分类、工作原理第一节基本结构、分类、工作原理本讲稿第三页，共七十二页一、基本结构一、基本结构定子与转子两大部分：1、定子l固定不动的部分l铁芯、绕组、机坐本讲稿第四页，共七十二页同步机与异步机转子结构不一样l铁芯外表面开槽l绕组2、转子本讲稿第五页，共七十二页l交流电机：产生或使用交流电能的旋转电机。l两大类：同步电机转子的速度等于同步速度异步电机转子的速度不等于同步速度同步速同步速旋转磁场的转速旋转磁场的转速二、分类二、分类

2、本讲稿第六页，共七十二页三、同步电机三、同步电机（放在第四篇讨论）（放在第四篇讨论）l定子绕组：对称三相绕组l转子：励磁绕组l原理：励磁绕组通与直流励磁电流原动机拖动转子旋转产生转子旋转磁场穿过气隙切割定子绕组感应三相电势当接负载感应电流电能输出本讲稿第七页，共七十二页四、异步电机工作原理四、异步电机工作原理（放在第三篇讨论）（放在第三篇讨论）l 静止起动l对称的三相电流=对称三相绕组=旋转磁场B1=B1切割转子导条（因为转子静止）=感应电势E2=（因为转子闭合）感应电流I2=B1与I2作用=电磁转矩T=当TT0TL时，转子从静止开始起动l其中：T0空载转矩lTL负载转矩本讲稿第八页，共七十二

3、页 第二节第二节 交交 流流 绕绕 组组本讲稿第九页，共七十二页交流绕组概述交流绕组概述l作用：通入电流磁场（电动机）磁场与定子绕组切割电势电流（发电机）l分类（类型）相数：单相、三相层数：l单层：同心式、交叉式、链式l双层：叠绕组、波绕组宽度：整距、短距分布性：分布绕组、集中绕组本讲稿第十页，共七十二页交流绕组的基本概念交流绕组的基本概念l绕组：按一定规律排列和连接的线圈的总称要求磁势和磁势和电势的波形为正弦波形电势的波形为正弦波形；要求磁势和电势三相对称，三相电压对称三相电压对称；电力系统都有统一的标准频率有统一的标准频率，我国规定工业标准频率为50Hz。在一定的导体数下，获得较大的基波电

4、势和基波磁势。本讲稿第十一页，共七十二页交流绕组的构成原则交流绕组的构成原则均匀原则均匀原则：每个极域内的槽数（线圈数）要相等，各相绕组在每个极域内所占的槽数应相等l每极槽数用极距表示l每极每相槽数对称原则对称原则：三相绕组的结构完全一样，但在电机的圆周空间互相错开120电角度。l如槽距角为，则相邻两相错开的槽数为120/。电势相加原则电势相加原则：线圈两个圈边的感应电势应该相加；线圈与线圈之间的连接也应符合这一原则。l如线圈的一个边在N极下，另一个应在S极下。本讲稿第十二页，共七十二页元件元件(线圈线圈)本讲稿第十三页，共七十二页本讲稿第十四页，共七十二页术语术语1：电角度l磁场每转过一对磁

5、极，电势变化一个周期，称为（一个周期）360电角度。在电机中一一对对磁磁极极所所对对应应的的角角度度定定义义为为360360电电角角度度。（几何上，把一圆周所对应的角度定义为360机械角度。）l磁极对数为p圆周机械角度为360电角度为 p*360 本讲稿第十五页，共七十二页术语术语2：相带l为了三相绕组对称，在每个极面下每相绕组应在每个极面下每相绕组应占有相等的范围占有相等的范围相带相带。l每个极对应于180电角度，如电机有m相，则每个相带占有 电角度。三相电机m3，其相带为60，按60相带排列的绕组称为60相带绕组。本讲稿第十六页，共七十二页60相带绕组l把每对极每对极所对应的定子槽等分为六

6、个等分。依次称为a、c、b、a、c、b相带，各相绕组放在各自的相带范围内本讲稿第十七页，共七十二页术语术语3：每极每相槽数每极每相槽数q ql每每个个极极面面下下每每相相占占有有的的槽槽数数。已知总槽数Z、极对数p和相数m为，则 lq1分布绕组l整数槽绕组q为整数l分数槽绕组q为分数本讲稿第十八页，共七十二页术语术语4：槽距角槽距角 l相邻两槽之间的相邻两槽之间的电角度电角度l已知总槽数Z、极对数pp*360 =Z圆周的电角度本讲稿第十九页，共七十二页术语术语5：极距极距l相邻两磁极对应位置两点之间的圆周距离相邻两磁极对应位置两点之间的圆周距离 几何尺寸每极所对应的定子内圆弧长 设D为定子内圆

7、直径。l槽数表示极距：即基波磁场每极所对应的槽数本讲稿第二十页，共七十二页本讲稿第二十一页，共七十二页术语术语6：节距节距 y(y(跨距跨距)l表示元件的宽度。元件放在槽内，其宽度可用用元件两边所跨越的槽数表示元件两边所跨越的槽数表示。本讲稿第二十二页，共七十二页分析工具：槽导体电势星形图分析工具：槽导体电势星形图把电枢上各槽内导体按正弦规律变化的电势分别用矢量表示，构成一辐射星形图把电枢上各槽内导体按正弦规律变化的电势分别用矢量表示，构成一辐射星形图相距360度电角度，导体电势时间上同相位本讲稿第二十三页，共七十二页相带与电势星形图相带与电势星形图 本讲稿第二十四页，共七十二页一、三相单层绕

8、组一、三相单层绕组l单层每槽中只放置一层元件边，元件数等于槽数的一半，无需层间绝缘，结构和嵌线较简单l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pl,2,3,4l单层绕组通常有链式、交叉式和同心式等三种不同排列方式本讲稿第二十五页，共七十二页单层绕组：构造方法和步骤l分极分相分极分相:将总槽数按给定的极数均匀分开（N,S极相邻分布）并标记假设的感应电势方向。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。l连线圈和线圈组：连线圈和线圈组：将一对极域内属于同一相的某两个圈边连成一个线圈（共有q个线圈，为什么？）将一对极域内属于同一相的q个线圈连成一个线圈组（共有多少个

9、线圈组？）以上连接应符合电势相加原则l连相绕组：连相绕组：将属于同一相的p个线圈组连成一相绕组，并标记首尾端。串联与并联，电势相加原则。l连三相绕组：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接法或者Y接法。本讲稿第二十六页，共七十二页例如：相数m3，极数2p4，槽数Z24l每极每相槽数q2l槽距角=30l极距=Z/2p=24/4=6本讲稿第二十七页，共七十二页本讲稿第二十八页，共七十二页说明：说明：l属于a相8个槽，即l、2、7、8、13、14、19、20l根据槽导体电势星形图，按电势相加原则构成元件，每个元件都是整距，y=6槽，即每元件的跨距为6个槽，同为单层，每相每对极可以连接

10、成一个元件组。l2对极，每相2个元件组，1728，13一19一1420。l元件组之间可串联或并联形成不同并联支路数l单层绕组每相有单层绕组每相有p p个元件组，如串联方式连接，则并联支路个元件组，如串联方式连接，则并联支路a a1 1，相电势，相电势E=pEqE=pEq，相电流，相电流I IIcIc。每相功率。每相功率P PEIEIpEqIcpEqIc。本讲稿第二十九页，共七十二页*连成三相绕组连成三相绕组本讲稿第三十页，共七十二页二、链式绕组二、链式绕组l链式绕组适用于q=2，p1的小型异步电机。例如m3，p2，Z=24，q2，a=30本讲稿第三十一页，共七十二页l链式绕组的每个元件都是短距

11、。从相电势和磁链式绕组的每个元件都是短距。从相电势和磁势角度看势角度看具有整距性质具有整距性质本讲稿第三十二页，共七十二页三、交叉式绕组三、交叉式绕组l交叉式绕组适用于q3的小型异步电机例如：m3，p=2，q3。定子槽数Z=2mpq=2*3*2*336 槽距角a=p*360/Z=20本讲稿第三十三页，共七十二页l属于a相的元件有1、2、3、10、ll、12、19、20、21、28、29、30共12个元件边y=8y=7本讲稿第三十四页，共七十二页l210，311相连，是节距为8的（大）线圈l1219相连，节距为7的（小）线圈l2028，2129相连，节距为8的大线圈l301相连，节距为7的小线圈

12、。依次二大一小交叉布置为交叉式绕组lb相和c相的连接规律与a相完全一样，a=20，相间相差6个槽。如第2槽为a相首端，则b相首端是第8槽，c相首端是第14槽。本讲稿第三十五页，共七十二页本讲稿第三十六页，共七十二页三、同心式绕组三、同心式绕组l对于pl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，采用同心式绕组嵌线本讲稿第三十七页，共七十二页l例如：m3，p=1，q4。则定子槽数Z=2mpq2*3*l*424，槽距角a15l属于a相的有8个元件边，把1与12相连构成一个大线圈，2与11相连构成一个小线圈。这一一大一小组成一个同心式线圈组大一小组成一个同心式线圈组。13与24相连，1

13、4与23相连组成另一同心式线圈组。然后把两个线圈组反向串联，以保证电势相加本讲稿第三十八页，共七十二页属于a相的有8个元件边，把1与12相连构成一个大线圈，2与11相连构成一个小线圈。这一大一小组成一个同心式线圈组一大一小组成一个同心式线圈组。13与24相连，14与23相连组成另一同心式线圈组。然后把两个线圈组反向串联，以保证电势相加本讲稿第三十九页，共七十二页本讲稿第四十页，共七十二页l在外形上有多种绕组型式：元件节距可以整距、短矩或长距，合理选用绕组型式，可以节省铜线，简化工艺。l分析相电势分析相电势：采用槽电势星形图。绕组型式不同只不过是元件构成方式不同、导体连接先后次序不同，而构成绕组

14、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三相单层绕组的节距因数均为1 1，具有整距绕，具有整距绕组性质组性质l优点：绕组因数中只有分布因数，基波绕组因数较高，无层间绝缘，槽利用率高l缺点：对削弱高次谐波不利，无法改善电势波形和磁势波形，漏电抗较大l使用：一般用于10kW以下小功率电机。（功率较大或对波形要求较高的电机，通常采用双层绕组。）小结：小结：三相三相单层绕组单层绕组本讲稿第四十一页，共七十二页二、三相双层绕组二、三相双层绕组l双层每槽中有两个元件边，分为上下两层放置。靠近槽口的为上层，靠近槽底部为下层。每每个元件均有一个边放在上层，一个边

15、放在另一槽个元件均有一个边放在上层，一个边放在另一槽的下层的下层，相隔距离取决于节距。l元件的总数等于槽数，每相元件数即为槽数的三分之一。本讲稿第四十二页，共七十二页构造方法和步骤（举例：构造方法和步骤（举例：Z=24,2p=4,整距整距,m=3)l分极分相分极分相:将总槽数按给定的极数均匀分开（N,S极相邻分布）并标记假设的感应电势方向；将每个极域的槽数按三相均匀分开。三相在空间错开120电角度。l连线圈和线圈组连线圈和线圈组：根据给定的线圈节距连线圈（上层边与下层边合一个线圈）以上层边所在槽号标记线圈编号。将同一极域内属于同一相的某两个圈边连成一个线圈（共有q个线圈，为什么？）将同一极域内

16、属于同一相的q个线圈连成一个线圈组（共有多少个线圈组？）以上连接应符合电势相加原则l连相绕组：连相绕组：将属于同一相的2p个线圈组连成一相绕组，并标记首尾端。串联与并联，电势相加原则。按照同样的方法构造其他两相。l连三相绕组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接法或者Y接法本讲稿第四十三页，共七十二页例：设相数m3，极数2p4，槽数Z24，则每极每相槽数q2，槽距角a30步骤步骤：l绘槽电势星形图l分相使各相电势最大，且三相电势对称l绘绕组元件平面展开图 首先画出等距离的24根平行线段以表示槽槽号号表表示示各各元元件件的的上上层层边边。在实线近旁画出虚线以表示下层元件边。把各槽按

17、顺序编号，取槽号作为上层边的代号，取槽号加注上标作为下层边代号。本讲稿第四十四页，共七十二页整矩绕组整矩绕组：跨距y6，每个元件的上层边与下层边相距6个槽。例如第l槽的上层边应与第7槽的下层边接成一个元件。同理2-8，3-9，4-10，.相连，共计有24个元件。a相8个元件分成4个元件组，各元件组的连接规律为l-7-2-8，7-13-8-14，13-19-14-20，19-1-20-2，分别用I、表示。本讲稿第四十五页，共七十二页l当磁场切割绕组时，该四个元件组的电势大小相等，I、组电势时间上同相，、IV组电势与I、组电势反相。l各元件组可以串联、并联、或一半串联后再并联。相绕组可以有不同连接

18、方式，当通以电流形成当通以电流形成4极磁场极磁场。本讲稿第四十六页，共七十二页短距绕组短距绕组l取y5，每个元件跨5个槽，a相的4个元件组，分别是l-6-2-7，7-12-8-13，13-18-14-19，19-24-20-l本讲稿第四十七页，共七十二页l短距时，在某些槽中，其上层元件边与下层元件边可能不属一相，短距时，在某些槽中，其上层元件边与下层元件边可能不属一相，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。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。l短距时，同一相的上、下层导体错开了一个距离，用短距角短距时，同一相的上、下层导体错开了一个距离，用短距角表示，表示

19、，表示一个元件的上层导体电势和下层导体电势的相位差是表示一个元件的上层导体电势和下层导体电势的相位差是180-电角度，合成电势时应计及节距因数电角度，合成电势时应计及节距因数kp。本讲稿第四十八页，共七十二页 第三节第三节 绕组的感应电动势绕组的感应电动势本讲稿第四十九页，共七十二页正弦磁场下绕组的感应电势正弦磁场下绕组的感应电势l元件电势l元件组电势l绕组相电势1单层绕组2双层绕组本讲稿第五十页，共七十二页一、元件的电势一、元件的电势l电势决定于磁场的大小与分布以及磁场与元件间电势决定于磁场的大小与分布以及磁场与元件间的相对运动的相对运动 设气隙磁场按正弦规律分布，则每极磁通 气隙磁场每转过

20、一对磁极，线圈中的电势便经历一个周期。电势的频率用每秒转过的磁极对数表示。极对数p，转速n(r/min)，则频率本讲稿第五十一页，共七十二页t=0,元件匝链一个磁极的全部磁通元件匝链一个磁极的全部磁通本讲稿第五十二页，共七十二页元件中的感应电势元件中的感应电势 e=-Nd/dtl设元件匝数为Nc，感应电势的瞬时值为l有效值本讲稿第五十三页，共七十二页l整距线圈 导体a与导体a相距一个极距，即180电角度 元件电势为本讲稿第五十四页，共七十二页l短距线圈 导体a与导体a相距非一个极距（差一短距角）元件电势为EaEa-EaEc本讲稿第五十五页，共七十二页短距元件电势短距元件电势l短距元件的电势小于

21、整距元件的电势设短距角为电角度l节距因数节距因数本讲稿第五十六页，共七十二页二、元件组电势二、元件组电势l电机采用分布绕组，每元件组有q个元件，元件组电势即为q个元件的电势之和。l通常各元件匝数相等，所以各元件电势的幅值相等，由于各元件空间位置依次相位差a电角度，各元件电势的时间相位差也为a角度。本讲稿第五十七页，共七十二页p=3的元件组的元件组本讲稿第五十八页，共七十二页分布因数 kdl元件组各电势的相量和与代数和的比值本讲稿第五十九页，共七十二页元件组电势元件组电势l绕组因数绕组因数kN=kdkp，反映分布和短距对电势的影响 Ncq为一个元件组串联匝数本讲稿第六十页，共七十二页三、绕组的相

22、电势三、绕组的相电势1单层绕组l每对极每相有一个元件组lp对极电机，每相有p个元件组，可以串联、并连或混合连接。如有a条并联支路，则每相电势为 单层绕组每相串联匝数本讲稿第六十一页，共七十二页绕组的相电势绕组的相电势2双层绕组l每对极每相有2个元件组lp对极电机，每相有2p个元件组，可以串联、并连或混合连接。有a条并联支路 双层绕组每相串联匝数本讲稿第六十二页，共七十二页每相每相串联串联匝数匝数l设每槽导体数为S，对单层绕组Nc=S，双层Nc=S/2lN为每相实有串联匝数lNkN为有效串联匝数，kN反映绕组因采用短距和分布而使每相电势减小的程度本讲稿第六十三页，共七十二页感应电势与绕组匝链磁通

23、的相位关系感应电势与绕组匝链磁通的相位关系l 即感应电势在时间上滞后磁通 90。l 变压器：主磁通本身随时间变化l旋转电机：气隙磁密波大小不变，随时间绕绕组而旋转本讲稿第六十四页，共七十二页第四节第四节 谐波电动势及其削弱方法谐波电动势及其削弱方法本讲稿第六十五页，共七十二页一、非正弦磁场下一、非正弦磁场下绕组的感应电势绕组的感应电势l以三相凸极同步电机为例磁场是由转子电流激励产生的 气隙磁通密度实际是一个平顶波，可分解出基波和各奇次谐波(由于对称性)基波磁场和各次谐波磁场均随转子而旋转l在定子绕组中不仅感应基波电势，还感应有各次谐波电势。本讲稿第六十六页，共七十二页1NNNSSSSSSSSN

24、NNNN本讲稿第六十七页，共七十二页谐波电势谐波电势例例6-2 p102本讲稿第六十八页，共七十二页二、谐波电势的影响二、谐波电势的影响l高次谐波电势对电势大小影响较小l主要影响电势的波形 在基波电势上叠加有高次谐波电势使波形变坏 引起发电机损耗增加，温升增高、效率降低。在输电线路上，谐波电势产生高频干扰，使输电线路时近的通信设备不能正常工作。输电线路自身有电感和电容，在某一高频条件下，将产生自激振荡而产生过电压。在异步电机中产生有害的附加转矩和损耗本讲稿第六十九页，共七十二页三、消除和减小高次谐波电势的方法三、消除和减小高次谐波电势的方法l从磁场角度：使气隙磁场接近正弦分布，如采用适当的极靴

25、宽度和不均匀的气隙长度(磁极中心气隙较小，磁极边缘的气隙较大)、励磁绕组的分布范围l从绕组方面：采用短距、分布绕组l从谐波性质：当接成星形连接时，在线电势中不可能出现3次及其3的倍数次谐波电势。本讲稿第七十页，共七十二页小结小结l交流绕组的组成原则获获得得较较大大的的基基波波电电势势，尽尽量量减减少少谐谐波波电电势势，且且保保持持三三相相电电势势对称，同时考虑节约铜线和具有良好的工艺性对称，同时考虑节约铜线和具有良好的工艺性。l分析绕组的基本方法槽槽导导体体电电势势星星形形图图，通过槽电势相量的分析可以了解三相绕组的形成和特性。l交流绕组的型式很多，应该掌握几种常用三相单层、双层绕组的构成方式和特点。通常小功率电机多采用单层绕组，功率较大的多为双层短距绕组，以削弱高次谐波、改善电势和磁势波形。l绕组电势的计算公式与变压器线圈电势的相类似。由于绕组型式不同，相相电电势势计计算算时时必必须须考虑分布因数和节距因数考虑分布因数和节距因数。l由于气隙磁场并不完全按正弦规律分布，存在谐波电势，对电机运行不利。本讲稿第七十一页，共七十二页思考题思考题l6-3 为什么单层绕组采用短距（y）只是外形上的短距，实际上仍是整距性质l6-4 改变每相绕组元件组的连接方式，即串并联数，相电势有何变化，电机功率如何变化？l6-6 为什么交流电机常采用分布和短距绕组？本讲稿第七十二页，共七十二页