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1、第四章 三相感应电动机,感应电机主要用作电动机，应用最广泛的一种电动机，厂矿企业，交通工具，娱乐，科研，农业生产，日常生活都离不开异步电动机。,交流电机可分为感应电机和同步电机两大类。,类型：异步电机主要分为：鼠笼式异步电动机，绕线式异步电动机和各种控制用电动机三大类。,感应电机分类,按定子绕组供电电源相数,按转子绕组的结构,结构简单，坚固，成本低，运行性能不如绕线式,通过外串电阻改善电机的起动，调速等性能,三相感应电动机的结构,三相感应电动机的结构,定子铁心,定子冲片,定子线圈,铁心和机座,鼠笼转子,鼠笼转子照片,绕线转子照片,感应电机铭牌,铭牌：型号，额定值，绕组联结方式，生产厂家等,型号
2、：Y132S-4,Y-异步电动机；132-机座中心高度132mm，S-短铁心；4-极数。 额定值:正常运行时的主要数据指标。 绕组联结方式：接法或者Y接法。,感应电机额定值,额定电压UN： (V)，额定运行时，规定加在定子绕组上的线电压；额定电流IN： (A),额定运行时，规定加在定子绕组上的线电流； 额定功率PN： (kW),额定运行时，电动机的输出功率； 额定转速n： (r/min),额定运行时，电动机的转子转速； 额定频率fN： (Hz)，规定的电源频率(50Hz)； 额定效率、额定功率因数等,感应电机的基本工作原理,三相对称绕组建立的磁场,感应电机的基本工作原理,转子绕组的导体处于旋转
3、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。,交流电机的共同问题,是交流电机（感应电机和同步电机）的共同问题,三相交流绕组的结构； 三相交流绕组产生的磁势分析； 三相交流绕组产生的感应电势分析；,42 交流电机的电枢绕组,基本概念：, 线圈（绕组元件）：是构成绕组的基本单元。绕组就是线圈按一定规律的排列和联结。线圈可以区分为多匝线圈和单匝线圈。,与线圈相关的概念包括： 有效边；端部；线圈节距等, 极距：沿定子铁心内圆每个磁极所
4、占的范围； 用长度表示/用槽数表示；, 电角度：转子铁心的横截面是一个圆，其几何角度为360度。 从电磁角度看，一对N,S极构成一个磁场周期，即1对极为360电角度；,绕组基本概念（1）,电机的机对数为p时，气隙圆周的角度数为p 360电角度。,单层绕组一个槽中只放一个元件边；双层绕组一个槽中放两个元件边。,单层绕组和双层绕组,一个槽所占的电角度数称为槽距角，用表示；每个极域内每相所占的槽数称为每极每相槽数，用q表示。,槽距角，相数，每极每相槽数,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；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
5、电角度。 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。,二、交流绕组的构成原则,对交流绕组的要求,（1）交流绕组通电后， 必须形成规定的磁场极数； （2）多相绕组必须对称， 不仅要求m相绕组的匝数N、跨距y1、线径及在圆周上的分布情况相同， 而且m相绕组的轴线在空间上互差3600/m电角度。 （3）交流绕组通过电流所建立的磁场在空间的分布为正弦分布，且旋转磁场在交流绕组中感应电动势必须随时间按正弦规律变化。 采用分布绕组和短距绕组。 （4）在一定的导体数之下， 建立的
6、磁场最强而且感应电动势最大。 因此线圈的跨距y1尽可能接近极距， 而且对于三相绕组尽可能采用600相带。（每个极距内属于同一相的槽在圆周上连续所占有的电角度区域称为相带）。 （5）用铜少；下线方便；强度好。,交流绕组,同心式绕组,链式绕组,交叉链式绕组,等元件式整距叠绕组,交流绕组的形式,等元件式整距单层叠绕组,同心式绕组,链式绕组,交叉链式绕组,双层叠绕组,单层叠绕组的构成,1. 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。,实例：Z24（槽）、m3（相）、2p4（极）的单层叠绕组,基本步骤
7、：,每极每相槽数,2. 连线圈和线圈组：将一对极域内属于同一相的某两个线圈边连成一个线圈，共有q个线圈。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。,连线圈和线圈组,线圈组连接,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：电势相加原则最大并联支路数a2p,连相绕组,将三个构造好的单相绕组连成完整的三相绕组； 接法或Y接法；,连三相绕组,实例：Z1=24，2p=4，整距，m=3 双层叠绕组,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1
8、20电角度。,双层叠绕组的构成,每极每相槽数,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线圈边连成一个线圈（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 。,连线圈和线圈组,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，依照电势相加原则。最大并联支路数a2p 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。,连相绕组,连三相绕组,旋转磁场是交流电机工作的基础。在交流电机理论中有两种
9、旋转磁场： (1) 机械旋转磁场通过原动机拖动磁极旋转可以产生机械旋转磁场； (2) 电气旋转磁场三相对称的交流绕组通入三相对称的交流电流时会在电机的气隙空间产生电气旋转磁场； 交流绕组处于旋转磁场中，并切割旋转磁场，产生感应电势。,43 交流绕组的感应电动势,电气旋转磁场,机械旋转磁场,旋转磁场,交流绕组的构成：导体-线圈-线圈组-一相绕组-三相绕组 。,一、相绕组中的基本电动势,感应电势随时间变化的波形和磁感应强度在空间的分布波形相一致。只考虑磁场基波时，感应电势为正弦波。,1、导体中的感应电势,感应电势的波形,磁场转过一对极，导体中的感应电势变化一个周期； 磁场旋转一周，转过p（电机的极
10、对数）对磁极； 转速为n（r/min)的电机，每秒钟转过(pn/60)对极； 导体中感应电势的频率 f=(pn/60)Hz. 问题：四极电机，要使得导体中的感应电势为50Hz,转速应为多少？,感应电势的频率,感应电势的大小,导体感应电势导体与磁场的相对速度：,磁感应强度峰值和平均值之间的关系： 感应电势最大值： 感应电势的有效值：,绕组中均匀分布着许多导体，这些导体中的感应电势有效值，频率，波形均相同；但是他们的相位不相同。,导体感应电势小结：,整距线圈中的感应电势,2、线圈中的感应电势,线圈的两个有效边处于磁场中相反的位置，其感应电势相差180电角度。,整距线圈的感应电势：,考虑到线圈的匝数
11、后：,线圈的两个有效边在磁场中相距为y1,其感应电势相位差是180-电角度。,短距线圈中的感应电势,短距角：,短距线圈的感应电势：,短距系数：,短距系数小于1，故短距线圈感应电势有所损失；但短距可以削弱高次谐波。,每对极下属于同一相的q个线圈，构成一个线圈组。图中q=3 每个线圈的感应电势由两个线圈边的感应电势矢量相加而成。整个线圈组的感应电势由所有属于该组的导体电势矢量相加。,线圈组的感应电势,矢量式,分布系数：,线圈组的电势：,线圈组的感应电势,3、一相绕组的电势,单层绕组的相电势,单层绕组每对极每相q个线圈，组成一个线圈组，共p个线圈组。 若p个线圈组全部并联则相电势=线圈组的电势 若p
12、个线圈组全部串联则相电势=p 倍 线圈组电势 实际线圈组可并可串，总串联匝数,相电势：,双层绕组每对极每相有2q个线圈，构成两个线圈组，共2p个线圈组； 这2p个线圈组可并可串，总串联匝数,双层绕组的电势,双层绕组要考虑到短距系数：,为绕组系数,三相绕组由在空间错开120电角度对称分布的三个单相绕组构成，三相相电势在时间上相差120度电角度。 三相线电势与相电势的关系：三角形接法：线电势=相电势；星形接法：,三相绕组的电势,正弦分布的以转速n旋转的旋转磁场，在三相对成交流绕组中会感应出三相对称交流电势； 感应电势的波形同磁场波形，为正弦波； 感应电势的频率为 f=(pn/60)Hz ；,相电势
13、的大小为,绕组系数,三相绕组电势总结,二、相绕组中的高次谐波电动势,由于种种原因（定转子铁芯开槽、主极的外形、铁心的饱和、气隙磁场的非正弦分布）， 主极磁场在气隙中不一定是正弦分布， 此时绕组的感应电动势中， 除基波外还有一系列高次谐波电动势。 通常，主极磁场的分布与磁极中心线相对称， 故气隙磁场中含有奇次空间谐波： 1、3、5,1、主极磁场产生次谐波的性质,极对数为基波的倍，极距为基波的1/ ，随主极一起以同步转速在空间移动。即,谐波频率：,谐波电动势的有效值：,为次谐波的磁通量：,为次谐波的绕组系数：,齿谐波电动势,特点：谐波绕组因数恰等于基波的绕组因数。,2、相电动势和线电动势大小,相电
14、动势的有效值：,线电动势的有效值：,三相绕组接成Y或， 对于对称的三相系统， 各相电动势的三次谐波时间上同相， 幅值相等。Y连接， 三次谐波互相抵消； 连接， 三次谐波形成环路， E3完全消耗与环流的电压降。,线电动势：,3、谐波的弊害,高次谐波：对于发电机，电动势波形变坏， 降低供电质量；本身杂散损耗增大， 效率下降， 温升增高；对邻近线路产生干扰。,4、消除谐波的方法,（1）采用短距绕组,适当地选择线圈的节距， 使得某一次谐波的短距系数等于或接近零， 达到消除或减弱该次谐波的目的。,例：为消除5次谐波，,从不过分消除基波和用铜考虑， 应选尽可能接近于整距的短节距。即2k1，,对于,此时，,
15、换言之， 为了消除第次谐波， 只要选比整距短 的短距线圈,跨距的选择（1）,消除5次谐波的跨距选择,短距绕组往往采用 , 主要考虑同时减小5次、7次谐波。,对于5次谐波， 选用,对于7次谐波， 选用,（2）采用分布绕组,就分布绕组来说， 每极每相槽数q越多， 抑制谐波电动势的效果越好， 但q增多， 意味总槽数增多， 电机成本提高。,采用分布绕组,采用短距和分布绕组的方法主要针对齿谐波以外的一般高次谐波， 对于齿谐波，它的绕组系数等于基波绕组系数， 不能采用通用的短距和分布绕组的方法。,对于齿谐波， 可采用斜槽， 采用分数槽的方法进行消除。,另外也可在电机设计过程中， 通过减小槽开口和槽形设计等
16、方法进行高次谐波的减弱或消除。,齿谐波的消除,44交流绕组建立的磁动势,一、交流电机定子单相绕组的磁势,1、单个整距集中绕组的磁势一个整距线圈在异步电机中产生的磁势,磁力线穿过转子铁心，定子铁心和两个气隙 相对于气隙而言，由于铁心磁导率极大，其上消耗的磁势降可以忽略不计 ，线圈在一个气隙上施加的磁势为：,如果通过线圈的电流为正弦波， 则矩形波的高度也将按正弦变化。,一个位置固定，幅值随时间按正弦变化，矩形脉振磁势。,矩形脉振磁势,脉振磁势可以表示为,为幅值,按照付立叶级数分解的方法可以把矩形波分解为基波和一系列谐波,基波幅值为：,高次谐波的幅值为,矩形波脉振磁势的分解,基波在空间按正弦分布；在时间上，任何一个位置的磁势都按正弦变化。所以基波是一个正弦分布的正弦脉振磁势。其表达式为：,2、 （1）整距分布绕组的磁势,由q个线圈构成的线圈组，由于线圈与线圈之间错开一个槽距角，称为分布绕组。,取单个线圈的基波进行分析（为正弦脉振磁势），q个正弦脉振磁势在空间依次错开一个槽距角；,
