第5章交流电动机1(原理)

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1、第 五 章 交 流 电 动 机(原理),本章教学基本要求,1.了解三相交流电动机主要结构，注意三相交流电动机的定子结构； 2.熟悉三相交流电动机基本工作原理，理解感应电动势和电磁转矩这两个机电能量转换要素的物理意义，掌握求解他们的计算方法； 3.掌握三相交流电动机的运行原理，电动势、转矩平衡方程式，以及三相交流电动机的工作特性； 4.了解同步电动机的主要结构和工作原理。,重点,重点： 三相交流电动机的基本平衡方程式和工作特性。,5.1 交流电机电枢绕组,（1）线圈 定子绕组是由线圈按一定的规律嵌入定子槽中，并按一定的方式联接起来的。 （2）极距 极距是指沿定子铁心内圆每个磁极所占的范围，如用长

2、度表示。,5.1 交流电机电枢绕组,（3）电角度 一台电机转子铁心的端面是个圆，从几何的角度来说可以分为，这样划分的角度为机械角度，即电机铁心圆周为机械角度。 （4）线圈节距 一个线圈的两根有效边之间所跨的槽数之间的距离为节距。线圈的节距一般总是等于或稍小于极距，如果节距与极距相等，称为整距线圈，如果节距小于极距，则称为短距线圈。,5.1 交流电机电枢绕组,（5）单层及双层绕组 根据定子绕组在槽中的分布情况，可分为单层及双层绕组。容量较大的异步电动机都采用双层绕组。双层绕组在每个槽内的导线分为上下两层，上层和下层线圈之间需要用层间绝缘隔开。对于小容量异步电动机常采用单层绕组，这时每槽中只有一层

3、导线。本节介绍几种单层绕组，根据每极每相槽数的大小，单层绕组分成链式、交叉式和同心式三种。,5.1 交流电机电枢绕组,【例5-1】 绘制，并联支路数的三相单层链式绕组展开图,图5-1 Z=24,2P=4 槽电动势星形图,图5-2 单层链式A相绕组展开图,5.1 交流电机电枢绕组,【例5-2】 绘制Z=36，2p=4，a=1的单层交叉式绕组展开图。,图5-3 Z=36,2P=4 槽电动势星形图,图5-4 单层交叉式A相绕组展开图,5.1 交流电机电枢绕组,【例5-3】绘制Z=24，2p=2，a=1的三相单层同心式绕组展开图,图5-6 单层同心式A相绕组展开图,图5-5 Z=36,2P=2 槽电动

4、势星形图,5.2 旋转磁动势,5.2.1单相脉振磁场 1整距线圈的磁动势 如图是一台两极电机的示意图。定子及转子铁心是同心的圆柱体，所以定、转子间的气隙是均匀的。当线圈通入电流时，便产生一个两极磁场。按照右手螺旋定则，磁场方向如图中箭头所示。,图5-7 整距单线圈产生的矩形磁动势,5.2 旋转磁动势,在一个整距集中的线圈中通过余弦变化的交流电时，他所产生的矩形波磁动势的幅值将随着时间作余弦变化。当wt=0，电流达到最大值时，矩形波的高度也达到最大值Fcm；当wt=90度，电流为零时，矩形的高度也为零。当电流为负值时，磁动势也随着改变方向；矩形磁动势波随时间变化的关系如图所示。由图可以看出：任何

5、瞬间，磁动势在空间的分布为一矩形波；在空间的任何一点，磁动势的大小随时间按余弦规律脉振。我们称这种在空间位置固定，而大小随时间变化的磁动势为脉振磁动势。,5.2 旋转磁动势,图5-8 矩形波磁动势随时间变化,5.2 旋转磁动势,2矩形波磁动势的谐波分析法 从上面的分析可知，一个整距线圈产生的是矩形波磁动势。如果直接利用矩形波磁动势去分析一台电机产生的总磁动势，会遇到很多的不方便。为了简化分析，一般是采用谐波分析法。所谓谐波分析法就是把一个周期变化的非正弦曲线分解成一些列不同周期的正弦曲线。,图5-9 矩形波磁动势的分解,5.2 旋转磁动势,在异步电动机中，谐波磁动势对电动机性能有不良影响，例如

6、，会使电动机耗损增大，启动困难。所以总是设法把谐波磁动势削弱到很小，电机定子采用分布绕组及短距绕组等方法均可削弱谐波磁动势，使磁动势的波形非常接近于正弦波。,5.2 旋转磁动势,图5-10 基波脉振磁动势,5.2 旋转磁动势,3整距线圈组的磁动势 交流电机每相绕组都是由若干个线圈组串联或并联组成的，而每个线圈组是由每极下属于同一相的q个等匝、等距线圈串联而成的。因此求出每个线圈组的磁动势就不难得到每相绕组的磁动势。由于每个线圈组的各线圈磁动势的谐波含量和大小都相同，所不同的是各线圈在空间错开了一个a角度，所以各线圈磁动势之间在空间上也相隔a度。现在把各矩形波都分解成基波和一系列谐波，则各基波之

7、间在空间的位移角度也是a度。把个线圈的的基波磁动势逐点相加，便可求得它们的合成基波磁动势。如下图所示。,5.2 旋转磁动势,图5-11 基波磁动势空间相量图,5.2 旋转磁动势,4双层短距线圈组的磁动势 除了分布绕组外，在双层绕组中，还可以采用短距线圈来改善磁动势波形。图表示的是一台三相2极18槽电动机的A相绕组的线圈分布。由于每极每相槽数q=3，所以每个线圈组由3个线圈串联组成，第一个线圈组由线圈1，2，3组成。现采用短距绕组，极距=9槽，y=(8/9) 槽。,5.2 旋转磁动势,图5-12 单相双层短距绕组磁动势空间相量图,5.2 旋转磁动势,5.2.2三相绕组的合成旋转磁场 三相绕组是由

8、三个单元绕组所构成。把A，B，C三个单相绕组产生的磁动势波逐点相加就可以得到三相绕组的合成磁动势。 上节所述单相绕组流过单相交流电，产生一个基波脉振磁动势，下面将证明三相对称绕组流过三相对称电流，将产生一个圆形旋转磁动势。,5.2 旋转磁动势,1、三相绕组中的单相磁动势 三相绕组是由3个单相绕组所组成，这三个单相绕组分别产生脉振磁动势，要了解他们的合成磁动势，首先必先分析这3个单相脉振磁动势的性质。 （1）三相对称电流的幅值相等，而相位相差120度。 （2）3个单相绕组的轴线在空间依次相隔120度，所以他们各自产生的基波磁动势在空间的分布也依次相隔120度。,5.2 旋转磁动势,2、合成磁动势

9、的推导 用数学的分析方法可以得出三相基波合成磁动势的表达式。根据教材128页公式（5-18）可以画出任意时刻的三相合成磁动势的分布波形及位置 。,图5-13 三相合成磁动势的分布波形及位置,5.2 旋转磁动势,3、三相基波合成磁动势的结论 三相对称绕组通过三相对称电流产生的三相基波合成磁动势是一圆形旋转磁动势，当时间变化时，他的波形不变，他是单相脉振磁动势振幅的3/2倍。,图5-14 旋转合成磁动势,5.2 旋转磁动势,5.2.3两相绕组产生的旋转磁动势 交流电机的电枢绕组有时为两组绕组，当两相绕组通入两相电流时，也会产生磁动势。下面就以两相绕组的两种不同状况来分析其所产生的磁动势情况。,5.

10、2 旋转磁动势,1、圆形磁动势 空间相距（p /2）电角度的两相对称绕组，当通入两相对称电流，即时间相差（p /2）电角度、幅值相同的正弦交流电流时，产生的合成基波磁动势为圆形旋转磁动势。该旋转磁动势的幅值等于原每相绕组产生的基波脉振磁动势的最大幅值。 2、椭圆形磁动势 如果两相绕组是对称的，而通入的电流不对称，同样可以可以分析出两相绕组产生的合成基波总磁动势也是椭圆形磁动势。,5.3交流绕组的感应电动势,5.3.1整距线圈感应电动势 整距线圈的两根导体在空间相隔一个极距，也就是相隔p电角度。当一根导体处在N极最大磁密处时，另一根导体刚好处在S极的最大磁密处，如图所示。所以这两根导体的电动势总

11、是大小相等而方向相反。,图5-16 整距线圈感应电动势,5.3交流绕组的感应电动势,5.3.2整距分布线圈感应电动势 在实际电机中，为了充分利用电机定子内圆空间，定子上不止放置一个线圈，而是放置许多线圈，并均匀分布在定子内表面的槽中。图表示在电机的定子槽里放有三个均匀分布的整距线圈，记作1-1 、2-2 、3-3，这三个线圈的匝数彼此相等，依头、尾端的顺序联接而串联起来，叫分布线圈组。,图5-17 分布线圈组空间位置及连接图,5.3交流绕组的感应电动势,设相邻线圈的槽距角为a。对每个整距线圈来说，他们的基波电动势有效值相同，但是三个整距线圈由于空间分布不同，他们切割同一磁力线时，就必然有先有后

12、。因此，三个分布线圈的基波感应电动势在时间相位上彼此不同。因为三个整距线圈空间上依次相距空间电角度a ，所以他们的基波感应电动势之间依次相差a时间电角度。图5-18(a)是三个整距线圈基波电动势相量，图5-18(b)表示出三个整距线圈基波电动势相量和这三个分布的整距线圈组成的线圈组基波电动势相量之间的关系。,5.3交流绕组的感应电动势,图5-18 分布线圈组感应电动势相量图,5.3交流绕组的感应电动势,5.3.3短距线圈感应电动势 短距线圈每一匝的两根导线在空间的距离比整距线圈缩短了b电角度，即相距（p- b ）电角度，如图5-19所示。因此，两根导线中感应电动势在时间相位上也相差（p- b

13、）电角度，在图5-19中，根据相量图，可求得短距线圈的每匝电动势 。,图5-19 短距线圈相量图,5.3交流绕组的感应电动势,5.3.4 一相绕组感应电动势 如果根据每槽内有几个线圈边来划分绕组类型，那么电动机的定子绕组可以分成单层绕组和双层绕组两种。定子每个槽内只有一个线圈边的绕组称为单层绕组，这种绕组适用于功率较小的电动机。定子每个槽内上、下两层都有线圈边的绕组称为双层绕组。,5.3交流绕组的感应电动势,在双层绕组中，每一极面下就有一个极相组，因而对于 2p个磁极的电机就有 2p个极相组。在联接时可以串联，也可以并联，以组成一定数目的支路数，而每相绕组的电动势数值决定于一条支路的电动势大小

14、。设代表每相的并联支路数，那么每相电动势的基波有效值为：,5.3交流绕组的感应电动势,5.3.5绕组的谐波感应电动势 前面讨论感应电动势时，是假设气隙中只有正弦分布的基波磁动势。但是，在实际电机气隙中除了基波磁动势外，还存在谐波磁动势，如图5-20所示。,图5-20 谐波磁通密度,5.4三相异步电动机,5.4.1基本结构和铭牌数据 1. 三相异步电动机的基本结构 三相异步电动机主要由定子和转子两部分组成：静止部分称为定子；转动部分称为转子。三相笼异步电动机的主要部件如图5-21所示。,图5-21 鼠笼式异步电动机的构造,5.4三相异步电动机,1）定子 定子由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成。

15、 定子铁心是异步电动机磁路的一部分。他是用厚的硅钢片冲制、叠压而成的，紧紧地装在机座的内部。在定子铁心的内圆上开有均匀的槽，用以放置定子绕组。 定子绕组是电动机的电路部分。定子绕组是由许多线圈按规律联接而成的。小型三相异步电动机定子绕组通常用高强度漆包线绕制而成。,5.4三相异步电动机,2）转子 转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。 转子铁心是异步电动机磁路的一部分。他是用厚的硅钢片冲制、叠压而成的，转子铁心与定子铁心之间有一个很小的气隙。转子铁心的外圆上冲有均匀分布的槽，用来放置转子绕组。,5.4三相异步电动机,2. 三相异步电动机的工作原理 当定子三相对称绕组加上对称的三相交流电压后，定子

16、三相绕组中便有对称的三相电流流过，它们共同形成定子旋转磁场。假定定子旋转磁场以n转速沿逆时针方向旋转，则磁力线将切割转子导体而感应出电动势。在该电动势作用下，转子导体内便有电流通过，电流的有功分量与电动势同相位。转子导体内电流的有功分量与旋转磁场相互作用，使转子导体受到电磁力的作用。在该电磁力作用下，电动机转子就转动起来，其转向与旋转磁场的方向相同。这时，如果在电机轴上加载机械负载，电动机便拖动负载运转，输出机械功率。,5.4三相异步电动机,3. 三相异步电动机的铭牌数据 每台异步电动机的机座上都有一块铭牌，上面标有该电动机的主要数据。为了能正确使用电动机，必然要了解铭牌。下面以Y90S-4B型电动机的铭牌为例说明。,5.4三相异步电动机,1）型号 电机型号是电机类型、规格等等代号。例如,5.4三相异步电动机,2）额定功率 额定功率是电动机在额定运行情况下，其轴上输出的机械功率。又称额定容量。 3）额定电压 额定电压是指电动机在额定运行时定子绕组的线电压，他同定子绕组的接法相对应。 4）额定电流 额定电流是电动机