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1、第四章 交流绕组的基本理论 交流旋转电机可以分为同步电机和异步电机两类。同 步电机和感应电机虽然励磁方式和运行特性有很大的差 别，但电机内部发生的电磁现象和机电能量转换的原理 却基本上是相同的，存在共性的问题，本章所要论述的 是：交流电机绕组的连接规律、正弦分布磁场下绕组的 电动势、非正弦分布磁场下的谐波电动势及其抑制和通 有正弦电流时绕组产生的磁动势。这些问题为后文研究 感应电机和同步电机的运行性能提供基础。 交流电 机 同步电机 异步电机(感应电机 ) 转子结构 隐极同步电机 凸极同步电机 同步电机主要用作发电机， 也有用作电动机和调相机。 换向器型感应电机 绕线型感应电机 笼型感应电机
2、笼型感应电机应用最为普遍；感应电机主要用 作电动机，很少作为发电机使用，风力发电机 中有采用感应电机。 发电机定子 汽轮发电机转子 鼠笼式异步电动机定子 鼠笼式异步电动机转子 第四章 交流绕组的基本理论 主要内容 交流电机绕组的连接规律 正弦分布磁场下绕组的电动势 谐波电动势及其抑制方法 单相绕组产生的磁动势 三相绕组产生的磁动势 4.1.1基本要求: 感应电动势 导通电流 产生电磁转矩 所以其构成原则也基本相同。 4.1 交流电机的基本要求和分类 交流绕组尽管形式多样，但其基本功能相同: 交流绕组基本要求: 1. 在一定的导体数下，有合理的最大绕组 合成电动 势和磁动势； 2. 各相的相电动
3、势和相磁动势波形力求接近正弦波， 即要求尽量减少它们的高次谐波分量； 3. 对三相绕组，各相的电动势和磁动势要求对称（大 小相等且相位上互差120），并且三相阻抗也要求 相等； 4. 绕组用铜量少，绝缘性能、散热条件好； 5. 机械强度好，绕组的制造、安装和检修要方便。 4.1.2 绕组的分类 按槽内层数 分 按相数分 每极每相槽 数 单层绕组 双层绕组 链式绕组 交叉式绕组 同心式绕组 叠绕组 波绕组 两相绕组 三相绕组 多相绕组 单相绕组 整数槽 分数槽绕组 4.1.3 相关绕组概念的介绍 1. 极对数：指 电机主磁极 的对数，通 常用p表示 。 2. 机械角度： 一个圆周真 正的空间角
4、度为机械角 度360 3. 电角度：在电 机理论中，我 们把一对主磁 极所占的空间 距离，称为 360的空间电 角度。电角度= 极对数机械角 度。 4. 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。 用槽数表示 用空间长度表示 5. 极距：指电机一 个主磁极在电枢 表面所占的长度 。 6. 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，如电机槽数 为Z，极对数为p， 相数为m。则得： q=1的绕组称为集中绕组， q1的绕组称为分布绕组。 4.1.4 槽电动势星形图 例：下图是一台三相同步发电机的定子槽内导体沿电 枢内圆周的分布情况，已知
5、2p=4,电枢槽数Z=36,转 子磁极逆时针方向旋转，试绘出槽电动势星形图。 槽电动势星形图：当把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时，这些相量构成一个辐射星形 图，槽电动势星形图是分析交流绕组的有效方法，下面我 们用具体例子来说明。 2p=4,电枢槽数Z=36 解：先计算槽距角： 设同步电机的转子磁极磁场的磁通密度沿电机气隙 按正弦规律分布，则当电机转子逆时针旋转时，均匀分 布在定子圆周上的导体切割磁力线，感应出电动势。由 于各槽导体在空间电角度上彼此相差一个槽距角，因 此导体切割磁场有先有后，各槽导体感应电动势彼此之 间存在着相位差，其大小等于槽距角。 槽电动势星形图的
6、一个圆周的距离使用电角度 360，即一对磁极的距离。所以，118号相量和19 36重合。 一般来说,当用相量表示各槽的导体的感应电动势时, 由于一对磁极下有Z/P个槽,因此一对磁极下的Z/P个槽 电动势相量均匀分布在360的范围内,构成一个电动势星 形图. 4.2 三相单层绕组 一、相关概念: 定义:定子或转子每槽中只有一个线圈边的三相交流 绕组称为三相单层绕组。 1. 线圈（元件）：是构成绕组的基本元件，它由Nc根 线匝串联而成，线圈中嵌放在槽内的部分称为有效线 圈边，线圈边之间的连接部分称为端部。如图： y1：线圈的第一节距，常用槽数来进行表示。 y1 = 整距线圈 y1 长距线圈 y1y
7、1y1 2. 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以下的小型交流异步电机中， 很少在大、中型电机中采用。 3. 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链式、同心式和交叉式等型 式。 4. 分相：由于绕组为三相绕组，因此还需把各槽导体 分为三相，在槽电动势星形图上划分各相所属槽号。 分相的原则是使每相电动势最大，并且三相的电动势 相互对称。通常三相绕组使用60分相法，即把槽电 动势星形图6等分，每一等分称为一个相带，依次分 别为A、Z、B、X、C、Y相带，如下所示： 相带 极数 A Z B X
8、 C Y 第一极数 1 2 34 5 6 7 8 9 10 11 1213 14 15 16 17 18 第二极数19 20 2122 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 等元件单层绕组 1 10 2 11 3 12 交叉式连接 210 3 11 19 12 同心式连接 112 2 11 3 10 4.3 三相双层绕组 双层绕组：指电机每一槽分为上下两层，线圈（元件） 的一个边嵌在某槽的上层，另一边安放在相隔一定槽数 的另一槽的下层的一种绕组结构。双层绕组的线圈结构 和单层绕组相似，但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
9、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。下面仅介绍叠绕组。 叠绕式：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在于： a) 可以灵活地选择线圈节距来改善电动势和磁动势 波形； b) 各线圈节距、形状相同，便于制造； c) 可以得到较多的并联支路数； d) 可采用短距线圈以节约端部用铜。 主要缺点在于： a) 嵌线较困难，特别是一台电机的最后几个线圈； b) 线圈组间连线较多，极数多时耗铜量较大。一般 10kW以上的中、小型同步电机和异步电机及大型 同步电机的定子绕组采用双层叠绕组。下面我们通 过具体例子来说明
10、叠绕组的绕制方法。 三相交流电机Z=36，2p=4，试绘制a=2的三相双层 叠绕组展开图。 例4- 2 解：先计算： （2）画出电动势星形图 极对 各相槽号 AZBXCY 第一对极 1， 2， 3 4， 5， 6 7， 8， 910，11， 12 13，14， 15 16，17， 18 第二对极 19，20， 21 22，23， 24 25，26， 27 28，29， 30 31，32， 33 34，35， 36 （3）分相 将同一磁极下属于同一相带的线圈依次连成一个线 圈组则A相可得四个线圈组，分别为1-2-3，10-11-12 ，19-20-21，28-29-30。同理B、C两相也各有4个
11、线 圈组。四个线圈组的电动势的大小相等，但同一相的两 个相带中的线圈组电动势相位相反。 （4）绘制绕组展开图: 线圈组的串并连接 三相双层波绕组的展开图 4.4 正弦分布磁场下绕组的电动势 若气隙中磁场的分布是正弦的，那么交流绕组中感 应的电动势也是正弦的，而事实上气隙中磁场不可能做 到绝对的正弦分布，实际上只要求电动势波形接近正弦 波就能满足工程实际的需要。一个非正弦分布的磁场可 以分解为基波磁场和一系列高次谐波磁场，先分析基波 磁场下绕组感应的电动势，再分析高次谐波磁场感应的 高次谐波电动势。 导 体 电动势 匝电 动势 线 圈 电动势 线圈组 电动势 相电 动势 1. 导体电动势 当气隙
12、磁场的磁通密度 B 在空间按正弦波分布时， 设其最大磁密为 Bm1，则： B= Bm1sin 当导体切割气隙磁场时： 其中： 所以导体电动势的有效值为： 正弦波磁通密度的平均值为： 每极磁通为： 都代入上式： 2. 线圈电动势和短距系数 其有效值为： 线圈一般由Nc匝构成，当Nc=1时，为单匝线圈。 (1) 单匝时：y1= 称为整距线圈。由于整距线匝两有效 边感应电动势的瞬时值大小相等而方向相反，故整距线 匝的感应电动势为： y1 所以短距线匝的电动势为： 对于y1 的短距线圈，其有效边的感应电动势相位差 其中ky1称为线圈的短距系数，其大小为: 其有效值为： 当线圈有Nc匝时，其整个线圈的电
13、动势为 3.线圈组电动势和分布系数 线圈在下线时，是以线圈组为单位的，每个极（双 层绕组时）或每对极（单层绕组时）下有q个线圈串联 ，组成一个线圈组，所以线圈组的电动势等于q个串联 线圈电动势的相量和。 对于确定的q且q值较小，用相量加法不难求出线 圈组的电动势。 利用正多边形和它的外接圆的几何关系来求出普 遍q值下的线圈组电动势和线圈电动势的关系式。 q个线圈电动势的相位差为1，将q个线圈电动势相 量作为一正多边形的q个边。 O为线圈组电动势相量多边形的外接圆圆心，R为半径 当q=1时，kq1=1，称为集中绕组。 线圈组电动势的有效值为： Eq1=4.44qNcKy1Kq1f1=4.44qN
14、cKN1f1 式中kN1= ky1kq1称为绕组系数，称为绕组系数，表示由于 绕组为短距、分布绕组，线圈组电动势时所应打的折扣。 4 相电动势和线电动势 2p个(或p个)线圈组或并或串构成一相绕组，把一相 所串联的线圈组电动势相加便得相电动势，相电动势的 计算和绕组的并联支路数有关，如果每相有 a 并联支路 ，则a条支路的电动势应同大小、同相位，以免产生环 流。这时相电动势等于每一支路的电动势。 若是双层绕组，则每条支路有 2p/a个线圈组串联，相电动势为： 若是单层绕组，则每条支路有 p/a个线圈组串联，相电动势为： 相电动势可以统一写成 式中N为每相绕组的串联匝数（即一支路的匝数） 对于双
15、层绕组 对于单层绕组 5、感应电动势和绕组所交链磁通的相位关系： . . 绕组中的感应电动势在时间相位上滞后于与绕组相 交链的磁通90电角度。 在变压器中，与绕组交链磁通的变化 是由于主磁通本身随时间变化（脉振）所 引起的；而在旋转电机中，一般是气隙磁 密波本身的大小没有变化，但随时间相对 于绕组而旋转，因此它与绕组交链的磁通 也随时间而正弦变化（基波），表示为： (t)= msint 有一台汽轮发电机，定子槽数Z=36，极数2p=2，节距y1=14,每 个线圈匝数Nc=1，并联支路数a=1，频率为50Hz，每极磁通量 1=2.63Wb。试求：（1）导体电动势Ec1；（2）匝电动势Et1；(3)线 圈电动势Ey1；（4）线圈组电动势Eq1；（5）相电动势E1。 例4-2 解（1）导体电动势 短距系数 匝电动势 或 （2）极距 （3）线圈电动势 (5) 绕组的相电动势为 分布系数 绕组系数 线圈组电动势 每相串联的匝数为 (4) 每极每相槽数q和槽距电角1为 4.5
