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1、交流电机的共同问题之 第六章交流电机的绕组及其感应电动势 交流电机的绕组 交流电机 产生或使用交流电能的旋转电机 两大类 同步电机 速度等于同步速异步电机 速度不等于同步速 同步速 旋转磁场的转速 对称是指各相绕组的匝数相 例 三相同步电机 磁极对数p 1 定子 转子 空气隙 绕组a x b y c z 等 空间位置彼此相距120 转子绕组通以直流电流 定子上嵌放有对称的三相形成分布磁场 匝链定子上的各相绕组 设磁场在气隙中按正弦分布 设转子以恒定速度旋转 定子绕组中所匝链的磁通按正弦规律变化 其感应电势按正弦规律变化 由于各相匝数相等 从而各相电势的大小相等 由于各相绕组空间分布彼此相距12
2、0 从而三相电势时间相位差120 满足了三相电势对称要求 三相电势对称 例 p 2 每相两个线圈 a1 x1 a2 x2属于a相 b1 y1 b2 y2属于b相 c1 z1 c2 z2属于c相 各相的两个线圈的分布 空间上 相距一对磁极 电势看 两个线圈交链的磁通变化规律完全相同 因而感应电势完全相同 幅值一致 时间上同相位 例 三相异步电机 电磁过程 图例 异步电动机定子上有三相对称的交流绕组 三相对称交流绕组通入三相对称交流电流时 将在电机气隙空间产生旋转磁场 转子绕组的导体处于旋转磁场中 转子导体切割磁力线 并产生感应电势 判断感应电势方向 转子导体通过端环自成闭路 并通过感应电流 感应
3、电流与旋转磁场相互作用产生电磁力 判断电磁力的方向 电磁力作用在转子上将产生电磁转矩 并驱动转子旋转 根据以上电磁感应原理 异步电动机也叫感应电动机 交流绕组的基本概念 绕组 按一定规律排列和连接的线圈的总称 要求磁势和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 电力系统都有统一的标准频率 我国规定工业标准 频率为50Hz 在一定的导体数下 获得较大的基波电势和基 波磁势 交流绕组的构成原则 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 每极槽数用极距 表示 每极每相槽数 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
4、度 如槽距角为 则相邻两相错开的槽数为120 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 如线圈的一个边在N极下 另一个应在S极下 元件 线圈 术语1 电角度 磁场每转过一对磁极 电势变化一个周期 称为 一个周期 360 电角度 在电机中一对磁极所对应的角度定义为360 电角度 几何上 把一圆周所对应的角度定义为360 机械角度 磁极对数为p 圆周机械角度为360 电角度为p 360 术语2 相带 为了三相绕组对称 在每个极面下每相绕组应占有相等的范围 相带 度 则每个相带占有电角度 三相电机m 3 其相带为60 按60 相带排列的绕组称为60 相带绕组
5、 m 每个极对应于180 电角180 如电机有m相 60 相带绕组 把每对极所对应的定子槽等分为六个等分 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 术语3 每极每相槽数q每个极面下每相占有的槽数 已知总槽数Z 极对数p和相数m为 则 Z2pm q q 1 分布绕组整数槽绕组 q为整数分数槽绕组 q为分数 术语4 槽距角 相邻两槽之间的电角度已知总槽数Z 极对数p p 360 Z 圆周的电角度 术语5 极距 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为定子内圆直径 槽数表示极距 即基波磁场每极所对应的槽数 D2pZ2p 术语6 节距y
6、跨距 表示元件的宽度 元件放在槽内 其宽度可用元件两边所跨越的槽数表示 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 相距360度电角度 导体电势时间上同相位 三相单层绕组 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 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 2 3 4 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 单层绕组 构造方法和步骤 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
7、120电角度 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 共有多少个线圈组 以上连接应符合电势相加原则 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 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Y接法或者接法 例如 相数m 3 极数2p 4 槽数Z 24 槽距角 极距 Z 2p 24 4 6 Z每极每相槽数q 22pm p 360 30 Z 说明 属于a相8个槽 即l 2 7 8 13 14 19 20 根据槽导体电势星形图 按电势相加原则构成元件 每个元
8、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成一个元件组 2对极 每相2个元件组 1 7 2 8 13一19一14 20 元件组之间可串联或并联形成不同并联支路数 单层绕组每相有p个元件组 如串联方式连接 则并联支路a 1 相电势E pEq 相电流I Ic 每相功率P EI pEqIc 连成三相绕组 y 5 6 一 链式绕组链式绕组适用于q 2 p 1的小型异步电机 例如m 3 p 2 Z 24 q 2 a 30 链式绕组的每个元件都是短距 从相电势和磁势角度看 具有整距性质 二 交叉式绕组 交叉式绕组适用于q 3的小型异步电机 例如 m 3 p 2 q 3 定子
9、槽数Z 2mpq 2 3 2 3 36槽距角a p 360 Z 20 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 8 y 7 2 10 3 11相连 是节距为8的 大 线圈12 19相连 节距为7的 小 线圈 20 28 21 29相连 节距为8的大线圈30 1相连 节距为7的小线圈 依次二大一小交叉布置为交叉式绕组 b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 三 同心式绕组 对于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 采用同心式绕组嵌线
10、 例如 m 3 p 1 q 4 则定子槽数Z 2mpq 2 3 l 4 24 槽距角a 15 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 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 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 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 在外形上有多种绕组型式 元件节距可以整距 短矩或长短 合理选用绕组型式 可以节省铜线 简化
11、工艺 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 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 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 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 三相单层绕组 三相双层绕组 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 每个元件均有一个边放在上层 一个边放在另一
12、槽的下层 相隔距离取决于节距 元件的总数等于槽数 每相元件数即为槽数的三分之一 构造方法和步骤 举例 Z1 24 2p 4 整距 m 3 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 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 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
13、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 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Y接法或者接法 例 设相数m 3 极数2p 4 槽数Z 24 则每极每相 槽数q 2 槽距角a 30 步骤 绘槽电势星形图 分相 使各相电势最大 且三相电势对称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号 表示各元件的上层边 在实线近旁画出虚线以表示下层元件边 把各槽按顺序编号 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 槽上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 整矩绕组 跨距y
14、6 每个元件的上层边与下层边相距6个 例如第l槽的层边应与第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 19 1 20 2 分别用I 表示 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 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方式 当通以电流形成4极磁场 短距绕组 取y 5 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 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
15、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 表示 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kp 正弦磁场下绕组的感应电势 元件电势 元件组电势绕组相电势 1 单层绕组2 双层绕组 一 元件的电势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设气隙磁场按正弦规律分布 则每极磁通 m 2Bml 气隙磁场每转过一对磁极 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 pn 示 极对数p 转速n r min 则频率f mcos t t 0 元件匝链一个磁极的全部磁通 元件中的感应电势e Nd dt设
16、元件匝数为Nc 感应电势的瞬时值为 有效值 d dt ec Nc Nc msin t Nc m2 Ec 4 44fNc m mcos t v 2p m Bml f Ea 2Bml 元件中的感应电势e Blv设原点在转子上B 0处 即t 0时 B 0分析导体at 0时 Ba 0 ea Balv经过时间t 转动了 t Ba Bmsin t ea Balv Bmlvsin t 有效值 pn60 Bmlv2 2 22f m mcos tn602 pn60 度 ea Bmlvsin t 180 元件电势为Eaa y Ea Ea 2 22f m 0 2 22f m 180 4 44f m 0 mcos tea Balv Bmlvsin t整距线圈导体a 与导体a相距一个极距 即180 电角 2 2 4 44f mcos 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Eaa y Ea Ea 2 22f m 0 2 22f m 180 Ea Ea Eaa Ea 4 44f mcos2 短距元件电势短距元件的电势小于整距元件的电势设短距角为 电角度 节距因数 2 cos 4 44f m
