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1、,电机学 陈亚爱 周京华主编 梅 杨 温春雪参编 李正熙主审,Page 2,本课程的章节和内容,绪 论 第1章 变压器 第2章 交流电机基础 第3章 异步电动机 第4章 同步电机 第5章 直流电机 第6章 风力发电机,Page 3,第 2 章 交流电机基础,本章内容,2.1 交流电动机的基本工作原理和定子结构,2.2 旋转磁动势,2.3 交流绕组的感应电动势,Page 4,本章教学基本要求,1. 了解交流电机的基本工作原理、基本结构。,2. 理解旋转磁场的概念、圆形旋转磁动势的特性和产生条件。,3. 掌握交流绕组感应电动势的表达式，了解分布和短距绕组对消除高次谐波电动势的作用。,Page 5,
2、本章教学基本要求,1掌握圆形旋转磁动势的特性和产生条件。,2交流绕组感应电动势的表达式。,重点：,Page 6,Page 7,提问,电动机为什么能旋转？,旋转磁场,实验结果得,如何产生旋转磁场？,同步电机运行时，其转速n1与定子绕组中电网频率f1之间有着严格的关系，即 （2-1） 式中，p为电机的极对数，n1为同步电机转子的转速，也是气隙旋转磁场的转速。,Page 8,2.1交流电机的基本工作原理和定子结构,2.1.1三相同步电机的基本工作原理,同步电机主要用作发电机，现代电力系统的电能基本上是同步发电机生产的，但同步电机同样可作为电动机运行拖动生产机械，尤其适用于大功率生产机械的场合，以下主
3、要介绍三相同步电动机。,同步电动机由定子和转子组成，其工作原理示意图如图2-1所示，定、转子之间有气隙，定子内嵌互差120的三相对称绕组AX、BY、CZ，将定子三相对称绕组接入三相对称交流电，会产生圆形旋转磁场，转子上装有励磁绕组，通入直流电后，能建立恒定磁场。,Page 9,2.1交流电机的基本工作原理和定子结构,2.1.1三相同步电机的基本工作原理,工作时定子输入三相交流电，产生旋转磁场，设为逆时针方向旋转，如图2-1所示，转子输入直流励磁电流，产生固定磁极，则旋转磁场的磁极将转子的异性磁极吸引，使转子与旋转磁场同速旋转，这就是同步电动机的基本工作原理。,图2-1 三相同步电动机工作原理示
4、意图,现以同步电动机为例说明工作原理。,异步电动机由定子和转子组成，如图2-2所示，定、转子之间有气隙，定子上内嵌互差120的三相对称绕组AX、BY、CZ，将定子三相对称绕组接入三相对称交流电，会产生圆形旋转磁场，设磁场以同步转速n1逆时针方向旋转切割转子导体。,Page 10,2.1交流电机的基本工作原理和定子结构,2.1.2三相异步电机的基本工作原理,转子与旋转磁场之间存在相对运动，若将旋转磁场看作静止磁场，则转子上半部分导体是顺时针切割静止磁场的，根据电磁感应定律，转子导体内产生感应电动势，用右手定则判定其方向如图2-2所示，转子上半部分导体中的感应电动势方向是指向纸面的，下半部分导体中
5、感应电动势方向从纸面指向外。,图2-2 三相异步电动机工作原理示意图,现以异步电动机为例说明工作原理。,转子导体是闭合回路，在感应电动势的作用下，转子导体内产生电流I2，方向与感应电动势方向一致。根据电磁力定律，转子的载流导体在旋转磁场中要受电磁力作用，其方向由左手定则确定，如图所示转子上半部分导体受力fem向左，下半部分导体受力fem向右，转子在这对力偶的作用下产生逆时针方向的电磁转矩T，从而使转子以转速n逆时针旋转。,Page 11,2.1交流电机的基本工作原理和定子结构,2.1.2三相异步电机的基本工作原理,图2-2 三相异步电动机工作原理示意图,在正常情况下，异步电动机转子转速n达不到
6、旋转磁场的同步转速n1，电动机的转速n总是略小于同步转速n1，即与旋转磁场异步转动，所以称为异步电动机，由于异步电动机转子中的电流是感应产生的，故又可称为感应电动机。,Page 12,2.1交流电机的基本工作原理和定子结构,2.1.2三相异步电机的基本工作原理,图2-2 三相异步电动机工作原理示意图,定子铁心：电机磁路的一部分，定子铁心内圆上均匀开有 槽，安放定子绕组。 机 座：用作固定与支撑定子铁心。 定子绕组：电机电路部分，它由三个在空间相差120电角 度、结构相同的绕组连接而成，按一定规律嵌放 在定子槽中。 绕组分类：单层绕组和双层绕组。 绕组应用：单层绕组一般用在10kW以下的电机，双
7、层短距 绕绕组用在较大容量的电机中。,2.1交流电机的基本工作原理和定子结构,2.1.3交流电机定子结构,Page 13,异步机的定子由定子铁心、定子绕组和基座三部分组成。,2.1交流电机的基本工作原理和定子结构,2.1.3交流电机定子结构,Page 14,定子冲片,定子线圈,2.1交流电机的基本工作原理和定子结构,2.1.3交流电机定子结构,Page 15,铁心和机座,2.1交流电机的基本工作原理和定子结构,2.1.3交流电机定子结构,Page 16,2.1交流电机的基本工作原理和定子结构,2.1.3交流电机定子结构,线圈,线圈嵌放在定子铁心内圆周所开的槽中， 线圈可用单根导线绕成多匝。大、
8、中容量的 电机的线圈中，电流较大，也可用多根导线 并行绕制。,绕组通常由外敷绝缘的铜线或铝线(例 如漆包电磁线)绕制成一定形状的线圈组成。,线圈,Page 17,2.1交流电机的基本工作原理和定子结构,2.1.3交流电机定子结构,线圈节距及有效边,线圈两个有效边之间的距离称为绕组节距。节距一般用铁心上的槽数表示，例如线圈的一个有效边在第1号槽中，另一边在第9号槽中，两有效边所跨槽数为8，则y=8。,线圈放于槽内的直线部分称为有效边， 两端起连接作用的部分称为端接。,Page 18,2.1交流电机的基本工作原理和定子结构,2.1.3交流电机定子结构,极距、整距线圈及短距线圈,为了缩短端接部分以节
9、省有色金属，并 且改善感应电动势波形及磁动势空间分布， 电机中常用短距线圈，即yt 。,交流电机的磁场有一定的极对数，每一 磁极所占定子内圆周的距离称为极距。极距 一般也用槽数表示，例如定子槽数z=36，极 对数p=2，则极距t=z/2p=9。线圈节距y=t， 称为整距线圈。,Page 19,2.1交流电机的基本工作原理和定子结构,2.1.3交流电机定子结构,电角度,如果电机在定子上只有一对磁极，那么在360空间角 度上磁极电角度也是360。若电机定子上有两对磁极，即 p=2，则在360空间角度上磁极电角度却有2 360=720 电角度。换句话说，就是一个极距对应的电角度总是p。因此 电角度=
10、p 机械角,一个圆周是360或2p弧度，是指空间角度或称机械角 度。一对磁极由变化一周，相应的用360电角度或2p电弧 度表示。,Page 20,2.1交流电机的基本工作原理和定子结构,2.1.3交流电机定子结构,每极每相槽数q,三相交流电机的定子绕组是三相对称绕组，每相匝数相 等，在空间互差120电角度。,由于一对磁极对应的电角度是360，故一对磁极下按以 上顺序各槽位置互差60电角度。而实际电机定子槽数为z， 在每一极距下的槽均匀地被三相绕组所占有，那么每极每相 槽数 式中，m为相数。,Page 21,2.1交流电机的基本工作原理和定子结构,2.1.3交流电机定子结构,槽距角ac,上述第一
11、式的物理意义是定子内圆周有z个槽，共含有电 角度为p360，则每槽占p360/ z 电角度；第二式的物 理意义是每极所含有电角度为180，为mq个槽所占有，所 以每槽占180/ mq电角度，显然，两者是一致的。,相邻两槽之间所占有的电角度称槽距角，则有,Page 22,2.1交流电机的基本工作原理和定子结构,2.1.3交流电机定子结构,相带,三相对称绕组在槽中的安排顺序为A-Z-B-X-C-Y-A，彼 此互差60电角度，这就是60相带绕组。,相带就是每相绕组在一个极距中所占有的区域，以电角 度来表示。,60相带绕组就是每极距内属于每相的电角度为60， 对应的槽数为q，一个极距为180电角度，所
12、以每极距内有 三个相带。一般的三相异步电动机中都采用这种60相带的 三相绕组。,Page 23,2.2旋转磁动势,2.2.1单相脉振磁动势,现把直角坐标放入电动机定子内表面，设绕组AX的轴线A与定子内表面的交点为坐标原点，将电动机展开如图 2-3b所示，横坐标表示空间电角度a，纵坐标表示线圈磁动势fy。,单相绕组AX是匝数为Ny的整距线圈，在AX中通入单相交流电，会产生磁动势，如图2-3a所示。,Page 24,2.2旋转磁动势,2.2.1单相脉振磁动势,根据全电流定律，任意一闭合磁路各段磁压降的总合等于线圈的磁动势。在距原点x处作一磁闭合回路，则有，由于空气隙的磁阻远远大于定、转子铁心中的磁
13、阻，可认为磁动势全部降落在两个气隙上，即作用在每个空气隙的磁动势为全部磁动势的一半（iNy/2），磁动势波形为矩形波，如图2-3b所示。,Page 25,2.2旋转磁动势,2.2.1单相脉振磁动势,由于空气隙的磁阻远远大于定、转子铁心中磁阻，可认为磁动势全部降落在两个气隙上，即作用在每个空气隙的磁动势为全部磁动势的一半（iNy/2）磁动势波形为矩形波。,Page 26,2.2旋转磁动势,2.2.1单相脉振磁动势,矩形波磁动势用傅立叶级数分解得：,设AX中通入交流电为：,则每极磁动势表达式为：,Page 27,2.2旋转磁动势,2.2.1单相脉振磁动势,对周期性变化的矩形波分布的磁动势，用傅氏级
14、数进行谐波分析，可分解成为：,式中v=1，3，5为谐波系数，系数Cv为,Page 28,2.2旋转磁动势,2.2.1单相脉振磁动势,基波磁动势为：,为基波磁动势最大幅值。,基波磁动势,Page 29,2.2旋转磁动势,2.2.1单相脉振磁动势,三次谐波磁动势为：,三次谐波磁动势最大幅值。,三次谐波磁动势,Page 30,还有七次、九次、十一次等高次谐波磁动势。,2.2旋转磁动势,2.2.1单相脉振磁动势,五次谐波磁动势为：,五次谐波磁动势最大幅值。,五次谐波磁动势,Page 31,2.2旋转磁动势,2.2.1单相脉振磁动势,每相绕组产生基波磁动势幅值:,I1为相电流的有效值，,kw1=kq1k
15、y1称为基波绕组系数，,基波分布系数为：,基波短距系数为：,Page 32,2.2旋转磁动势,2.2.1单相脉振磁动势,每相绕组产生的谐波磁动势幅值为,kw=kqky称为v次谐波绕组系数,v次谐波分布系数为：,v 次谐波短距系数为：,Page 33,脉振磁动势的分解推导,2.2旋转磁动势,2.2.1单相脉振磁动势,根据三角函数的和差与积的关系：,Page 34,脉振磁动势的分解推导,2.2旋转磁动势,2.2.1单相脉振磁动势,为行波表达式,fF1随时间增大，向a方向移动，在电动机中是旋转的，称正向旋转磁动势。,为行波表达式,fF1随时间增大，向a方向移动，在电动机中是旋转的，称反向旋转磁动势。
16、,Page 35,结论,2.2旋转磁动势,2.2.1单相脉振磁动势,一个脉振磁动势可以分解为两个幅值相等，转速相同，转向相反的两个旋转磁动势，它们的幅值是原脉振磁动势最大幅值的一半。,Page 36,2.2旋转磁动势,2.2.2三相绕组的合成旋转磁动势,三相对称绕组在空间互差120电角度，假设通入三相对称交流电为,则在每相绕组中都要产生单相脉振磁动势。,Page 37,2.2旋转磁动势,2.2.2三相绕组的合成旋转磁动势,三个脉振磁动势在空间和时间上都互差120电角度，可分别表示为,三个单相脉振磁动势的合成为,合成磁动势为一旋转磁动势，式中，,Page 38,2.2旋转磁动势,2.2.2三相绕组的合成旋转磁动势,在三相对称绕组通入三相对称交流电产生旋转磁动势具有以下特点：,3）旋转磁动势的转向：由电流的相序决定（即电流达到最大值的顺序），它总是
