《电机学第4章 交流电机理论的共同问题》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电机学第4章 交流电机理论的共同问题（87页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、,第4章 交流绕组及其电动势和磁动势,4.1 交流绕组的构成原则和分类,交流绕组的构成原则： (1)合成电动势和合成磁动势的波形要接近于正弦形、幅值要大； (2)对三相绕组，各相的电动势和磁动势要对称，电阻、电抗要平衡； (3)绕组的铜耗要小，用铜量要省； (4)绝缘要可靠，机械强度、散热条件要好，制造要方便。,交流绕组的分类: 由于交流电动机应用范围非常广，不同类型的交流电 机对绕组的要求也各不相同，因此交流绕组的种类也非常 多。其主要分类方法有： （1）按槽内层数分，可分为单层和双层绕组。其中，单 层绕组又可分为链式、交叉式和同心式绕组；双层绕组又 可分为叠绕组和波绕组。 （2）按相数分，
2、可分为单相、三相及多相绕组。 （3）按每极每相槽数，可分为整数槽和分数槽绕组。 尽管交流绕组种类很多，但由于三相双层绕组能较好 地满足对交流绕组的基本要求，所以现代动力用交流电机 一般多采用三相双层绕组。,3,4.2 三相双层绕组 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槽的上层，另一边安放在相隔一定槽数的另一槽的下层。双层绕组由于其一槽可安放两个线圈边，所以双层绕组的线圈数和槽数正好相等。 根据双层绕组线 圈形状和连接规律， 三相双层绕组可分为 叠绕组和波绕组两大 类。,交流绕组的基本知识和基本量：, 电角度与机械角度： （1）电角度：在电机理论中，我们把一对主磁极所占的 空间距
3、离，称为360的电角度。 （2）机械角度：一个圆周的空间角度为机械角度360。 很明显，电角度=极对数机械角度。 极对数：指电机主磁极的对数，通常用p表示。 线圈： 组成交流绕组的单元叫线圈，在直流电机中叫元件。 节距： 一个线圈的两个边所跨定子圆周上的距离称为节距， 用y1 表示（以槽数计）。y1 =p，称为整距绕组；y1p为短距；y1p为长距。, 槽距角： 相邻两槽间的距离用电角度表示，叫做槽距角，用表示。 = p3600 / Q 每极每相槽数： 在交流电机中，每极每相占有的平均槽数q是一个重要的参数，q 的大小对电机的参数、附加损耗、温升以及绝缘材料的消耗量等都有影响。如定子槽数为Q，极
4、对数为p，相数为m。则得： q = Q/2pm q =1的绕组称为集中绕组，q1的绕组称为分布绕组。,槽电动势星形图和相带划分 三相绕组需要对称分布，绕组的排列和连接。 给定2p=4, Q=36槽,m=3。 计算每极每相槽数： q = 36/(43) = 3 (槽） 计算槽距角： =23600/36 =200 确定相带： 每个极下每相所占的区域 为相带，通常三相电 动机都采用600相带。,各相带槽号分配：,2、叠绕组 任何两个相邻的线圈都是后一个“紧叠”在另一个上面，故称为叠绕组。 双层叠绕组的主要优点： 1）可以灵活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；
5、 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。 双层叠绕组的主要缺点： 1）嵌线较困难，特别是一台电机的最后几个线圈； 2）极间连线较长，极数较多时比较费铜。 主要用于一般电压、额定电流不大的中、小型同步电动机和异步电动机的定子绕组。,例：三相交流电机Q1=36，2p=4，试绘制三相双层叠绕组展开图。 先计算： （1）= 23600/36 = 200 q = 36/(43) = 3 （槽） = Q1/2p = 36/4 = 9（槽） 取y1=8个槽(短距） （2）画出电动势星形图 （3）分相 （4）画A相绕组展开图,下面我们通过具体例子来说明叠绕组的绕制方法：,11,1,
6、3,5,7,9,11,13,15,17,19,21,23,25,27,29,31,33,35,1,2,3,10,11,12,19,20,21,28,29,30,三相双层叠绕组的A绕组的展开图,12,-1-2-3-,-10-11-12-,-19-20-21-,-28-29-30-,A相绕组线圈的连接图（一条并联支路）,123,192021,101112,282930,A相绕组线圈的连接图（两条并联支路）,2、波绕组 用于多极、支路导线截面积较大的电机，节约极间连线用铜。 其特点是：两个相邻的线圈成波浪形前进，波绕组的连接规律是把所有同一极性（如N1, N2）下属于同一相的线圈按波浪形依次串联起来
7、组成一组，在把另一极性（S1,S2）下的属于同一相的线圈按波浪形依次串联起来，组成另一组， 最后根据需要把这 两组接成串联或并 联，构成相绕组。,例：将前述三相四极36槽、y1=8的绕组制成波绕组。,绘制波绕组展开图的步骤与叠绕组完全相同，该例题槽电动势星形图和相带划分与前例完全相同。 若A相从3号线圈起，则3号线圈一导体边放在3号槽上层用实线表示，另一导体边放在11号槽下层用虚线表示（y1=8）然根据y=18，3号线圈应与21号线圈连接。 为避免绕组闭合，每绕完一周后人为地前进或后退一个槽，才能使绕组继续绕下去。本例后退一个槽。,4.3 三相单层绕组 定子或转子每槽中只有一个线圈边的三相交流
8、绕组称为三相单层绕组。 三相交流绕组由于每槽中只包含一个线圈边，所以其线圈数为槽数的一半。三相单层绕组比较适合于10kW以下的小型交流电机中，很少在大、中型电机中采用。,分类：按照线圈的形状和端部连接方法的不同，三相单层绕组主要可分为同心式、链式和交叉式等型式。 单层绕组嵌线比较方便，因没有槽绝缘，所以槽的利用率较高。,1、同心式绕组 同心式绕组由不同节距的同心线圈组成。 以两极三相 24槽电机为例说明。,优点：嵌线方便，端部不重叠，散热好，便于布置。 缺点：线圈节距不等，绕制不便，端部较长。,同心式绕组,*正弦绕组： 基本原理：采用同心式绕组时，若每个线圈匝数不等 ，使其产生的磁动势接近正弦
9、分布。 以Q1=24，p=1为例：,1）计算每个线圈边离磁极中心线的电角度正弦值：,2）计算每个线圈匝数占每极总匝数的百分比：,同理,可计算出其它线圈匝数占总匝数的百分比分别为： 16.5%、21.4%、25%、26.8%,2、链式绕组 链式绕组的线圈具有相同的节距。就整个绕组外形来看，一环套一环，形如长链。链式线圈的节距恒为奇数。 主要用于每极每相槽数为偶数的小型四、六极小型感应电动机。 特点：线圈大小相等，绕组方便，采用短距时端部用铜较少。 例：三相六极36槽绘制链式绕组展开图。,用极间连线（红线）按相邻极下电流方向相反的原则将六个线圈反向串联，得A相绕组。,3、交叉式绕组 这种绕组主要用
10、在q=奇数的小型四极、六极感应电动机中。如q为奇数，则一个相带内的槽数无法均分为二，必须出现一边多，一边少的情况。因而线圈的节距不会一样，此时采用交叉式绕组。 特点：采用不等距绕组，比同心式绕组的端部短，便于布置。 例：三相四极36槽定子，绘制交叉式绕组展开图：,*单双层绕组： 单双层绕组与单层绕组相比，具有双层绕组的特点，即有较好的气隙磁场波形、较好的启动性能以及较低的附加损耗等优点；与双层绕组相比，能提高短距绕组的基波绕组系数，可减少绕组的实际匝数，缩短绕组的实际节距 ，从而节约绕组用铜，降低铁耗、提高效率。 单双层绕组的缺点：线圈的节距不等，单双层绕组的匝数不同，制作复杂。 以q1=3，
11、p=1，y=8/9Z为例：,* Y 混合绕组： Y 混合绕组是把60相带的三相绕组分成两套三相绕组，这两套三相绕组空间位置相差30电角度，其中一套为接法，一套为Y接法。 Y 混合绕组的优点：提高电机的功率，改善功率因数，削弱谐波，改善转矩特性等；缺点：制作工艺的分散性，容易造成绕组内部环流，引起额外损耗。嵌线及接线比较复杂。,29,4.4 正弦磁场下交流绕组的感应电动势,导体的感应电动势 电动势的波形 正弦电动势的频率 导体电动势的有效值 整距线圈的电动势 短距线圈的电动势、节距因数 分布绕组的电动势、分布因数和绕组因数 相电动势和线电动势,30,在交流电机中有一个以ns转速旋转的旋转磁场，由
12、于旋转的磁场切割定子绕组，所以在定子绕组中将产生感应电动势。 首先求出一根导体中的感应电动势，然后导出一个线圈的感应电动势，再讨论一个线圈组（极相组）的感应电动势，最后推出一相绕组的感应电动势计算公式。,31,1、导体的感应电动势 下图为一台两极同步发电机，转子是直流励磁形成的主磁极（简称主极）定子上放有一根导体，当转子由原动机拖动以后，形成一旋转磁场。定子导体切割该旋转磁场感应电动势。,32,电动势的波形 设主极磁场在气隙内按正弦规律分布，则：,B1：磁场幅值 ：离开原点的电角度,因定子旋转的角频率为，当时间为t 时，转子转过，且=t，则导体感应电动势为：,由上式可见导体中感应电动势是随时间
13、正弦变化的交流电动势。,设：,33,正弦电动势的频率 若p=1，电角度=机械角度，转子转一周感应电动势交变一次，于是导体中电动势交变的频率应为：,若电机为p对极，则转子每旋转一周，导体中感应电动势将交变p次，此时电动势频率为：,在我国工业用标准频率为50HZ，所以当：,34,一根导体电动势的有效值,:一个极下的平均磁密,：一极下磁通量,35,2、整距线圈的感应电动势,y1=时，则线圈的一根导体位于N极下最大磁密处时，另一根导体恰好处于S极下的最大磁密处。所以两导体感应电动势瞬时值总是大小相等，方向相反，设线圈匝数NC=1，则整距线圈的电动势为：,若线圈有NC匝，则：,36,3、短距线圈的电动势
14、，节距因数 y1时，线圈的两个边中感应电动势不再是差1800， 而是相差,基波绕组 节距因数,37,若为NC匝，则：,表示线圈采用短距后感应电动势对比于整距时应打的折扣。,时，,可见采用短距线圈后对基波电动势的大小稍有影响，但当主磁场中含有谐波时，它能有效地抑制谐波电动势，所以一般交流绕组大多采用短距绕组。,时，例如： 取 ，则,38,4、分布绕组的电动势、分布因数和绕组因数 每极下每相有一个线圈组，线圈组由q个线圈组成，且每个线圈互差电角度。 如q=3,39,kd1 -基波分布因数 q个线圈分布在不同槽内，使其合成电动势小于q个集中线圈的合成电动势，所以kd11。 分布因数kd1可理解为各线
15、圈分布排列后感应电动势较集中排列时应打的折扣。,40,为q个线圈的总匝数。,Kw1是既考虑了短距、又考虑了分布后整个绕组合成电动势所打的折扣。,基波绕组因数,5、相电动势和线电动势 根据设计要求，将属于同一相的极相组串联或并联起来得一相的绕组，只要将每相串联总匝数代入极相组方程中便得一相绕组的电动势，设一相绕组串联总匝数为N=2pqNc(双层绕组)，则：,极相组的合成电动势为,41,4.5 感应电动势中的高次谐波,高次谐波电动势 谐波电动势 齿谐波电动势 相电动势和线电动势 谐波的危害 削弱谐波电动势的方法 采用短距绕组 采用分布绕组 改善主极磁场分布 采用斜槽,前面我们假定主机磁场在气隙内为正弦分布，实际上，磁极磁场并非完全按正弦规律分布，此时将磁场波进行谐波分析，可得基波和一系列高次谐波，相应的交流绕组中感应电动势除基波外还有一系列高次谐波电动势。 高次谐波电动势： 交流电机中气隙磁场分布一般呈平顶波如图所示，应用富氏级数可将其分解为基波和一系列谐波的合成。因主机磁场分布与磁极中心线相对称，故偶次谐波为零，所以磁场中仅存在奇次谐波（1，3，5），图中只画出（1，3，5次谐波），且次数越高，幅值越小。,谐波的磁场的性质为：,由于谐波旋转磁场也因转子旋转而形成旋转磁场，转速等于转子转速。,即谐波频率为基波频率的倍。,除基波磁场在绕组中感应电动势外，各次谐波也将在绕组中感应电动势
