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1、 第一部分第一部分交流绕组及其电动势和磁动势交流绕组及其电动势和磁动势主要内容：三相交流绕组的构成，主要内容：三相交流绕组的构成，绕组连接绕组连接规律及规律及电动势电动势和和磁动势磁动势。交流电机同步电机：主要作为发电机，也可作为电动机和补偿机。感应电机：主要作为电动机，有时也作发电机。同步电机和感应电机虽然激磁方式和运行特性有很大差别，但电机定子中发生的电磁现象和机电能转换的原理却基本上是相同的，因此存在许多共性问题，可统一进行研究。本章就是研究交流电机的绕绕组组、电电动动势势、磁磁动动势势问题。这些问题对于分别研究感应电机和同步电机的运行性能有着重要意义。1绕组构成了电机的电路部分，是电机
2、的核心，必须对交流绕组的构成和连接规律有一个清楚的了解。4-1交流绕组的构成和分类交流绕组的构成和分类一、交流绕组的构成原则一、交流绕组的构成原则对交流绕组的基本要求：（1）电动势和磁动势波形要接近正弦波，也就是基波电动势和基波磁动势大，谐波电动势和磁动势尽可能小。（2）对三相绕组各相的电动势、磁动势必须对称，电阻 电抗要平衡。（3）绕组铜耗小，用铜量少。 （4）绝缘可靠，机械强度高，散热条件要好，制造方便。 2本章主要介绍三相整数槽绕组。二、交流绕组的分类二、交流绕组的分类按相数分单相三相按每极每相槽数分整数槽分数槽按槽内层数分单层双层同心式交叉式链式叠绕波绕3对于10kw以上的三相交流电机
3、，其定子绕组一般均采用双层绕组。双层绕组每个槽内有上、下两个线圈边，分别称为上层边和下层边。一个线圈的一个边放在某槽的上层，另一个边则放在下层，相隔的槽数称为节距，用y1表示。4-2 三相双层绕组三相双层绕组在双层绕组中线圈数正好等于槽数。4一、双层绕组的优点一、双层绕组的优点 1、可选择最有利的节距，以改善电动势、磁动势波形；2、线圈尺寸相同便于制造；3、端部形状排列整齐，有利于散热和增加机械强度。二、交流绕组的基本知识二、交流绕组的基本知识1、电角度与机械角度、电角度与机械角度电机圆周在几何上为360度，这个角度称为机械角度。在电机中磁场变化一个周期，即经过N、S一对磁极就称为360度电角
4、度。若电机有p对极，整个圆周就是p3600电角度。电角度=P机械角度52、线圈线圈 图片图片 7 7线圈由一匝或多匝导线绕成。3、节距节距线圈两边所跨定子圆周上的槽数，用y1表示，y1应接近电机的极距 极距4、槽距角槽距角相邻槽之间的电角度 有效边端部首端末端6返回75、每极每相槽数每极每相槽数 m:相数 p:极对数即每一个极下每相所占的槽数三、槽电动势星形图和相带划分三、槽电动势星形图和相带划分当把各槽内导体感应的电动势分别用矢量表示时，这些矢量构成一个辐射星形，称为槽电动势星形图。例：一台三相4极36槽电机，试绘出槽电动势星形图并划 分相带。槽电动势8返回91 1、绘槽电动势星形图、绘槽电
5、动势星形图123456789101112131415161718若气隙中有一正弦分布的旋转磁场，则槽内导体的感应电动大小相等，相位依次相差一个槽距角。102 2、划分相带、划分相带 ( (每极下每相所占有的区域称为相带每极下每相所占有的区域称为相带) )以A相为例，A相在每极下应占有3个槽，整个定子中A相共有12个槽，为使合成电动势最大，在第一个N极下取1、2、3三个槽作为A相带，在第一个S极下取10、11、12三个槽作为X相带。1、2、3三个槽向量间夹角最小，合成电动势最大，而10、11、12三个槽分别与1、2、3三个槽相差一个极距，即180度电角度，这两个线圈组（极相组）反接以后合成电动势
6、代数相加，其合成电动势最大。同理将19、20、21和28、29、30也划为A相，然后把这些槽里的线圈按一定规律连接起来，即得A相绕组。A: 1 2 3 19 20 21 X: 10 11 12 28 29 30A: 1 2 3 19 20 21 X: 10 11 12 28 29 3011同理，为了使三相绕组对称，应将距A相120度处的7、8、9、16、17、18和25、26、27、34、35、36划为B相。而将距A相240度处的13、14、15、22、23、24和31、32、33、4、5、6划为C相，由此得一对称三相绕组。每个相带各占60度电角度 ，如图4-2（a）所示，称为60度相带绕组。
7、B: 7 8 9 25 26 27 X: 16 17 18 38 35 36C: 13 14 15 31 32 33 Z: 4 5 6 22 23 26 12也 可 按 图 4-2（b）所示分相，得到一个对称的120度相带绕组。因120度相带合成电动势较60度相带合成电动势小，所以一般采用60度相带绕组。图42（b）13绘制绕组展开图的步骤是： a、绘槽电动势星形图 b、划分相带 c、把各相线圈按一定规律连接成对称三相绕组。四、绘四、绘制绕组展开图制绕组展开图根据线圈的形状和连接规律，双层绕组可分为叠绕组和波绕组两类。141 1、叠绕组、叠绕组任何两个相邻的线圈都是后一个叠在前一个上面的，称为
8、叠绕组。例：绘制4极3相36槽的双层叠绕组展开图。解：绘制槽电动势星形图和相带划分同上，取y1=8。15电机学图1/叠绕组.SWF16按相邻极下电流必须相反的原则，将各极相组连接起来，构成相绕组，图中实线为上层边，虚线为下层边。 由由于于N N极极下下的的极极相相组组A A与与S S极极下下的的极极相相组组X的的电电动动势势相相位位相相反反，电电流流方方向向也也相相反反，应应将将极极相相组组A A和和极极相相组组X X反反向向串联或反向并联。串联或反向并联。由于每相的极极相相组组数数等于极数，所以双层叠绕组的最大并联支路数等于2p。如上例中电机为4极，有4个极相组，所以最大并联支路数a =4实
9、际支路数通常小于2p，且2p必须是a的整数倍。17a=118最大并联支路数最大并联支路数a=4192 2、波绕组、波绕组两个相邻的线圈成波浪形前进，如图所示，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。 为合成节距20例：将前述3相4极36槽y1=8的绕组绕成波绕组。 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，如右图所示。21电机学图1/波绕组1.SWF22每绕完一周后人为
10、地后退一个槽，才能使绕组继续绕下去。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，其绕组展开图如图所示。1-2-3 10-11-12 19-20-21 28-29-30A1X1A2X223一路串联24单层绕组每槽只有一个线圈边，所以线圈数等于槽数的一半。这种绕组下线方便，槽利用率高（无层间绝缘）。分同心式、链式和交叉式，本节介绍单层绕组连接规律，现分别说明如下：一、一、同心式同心式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。4-3 4-3 三相单层绕组三相单层
11、绕组分相：A 23 24 1 2 X 11 12 13 14 B 7 8 9 10 Y 19 20 21 22 C 15 16 17 18 Z 3 4 5 625单层整距绕组，23-11，24-12，1-13，2-14为4个整距线圈，串联后构成一个线圈组。线圈组的电动势大小与线圈边串联次序无关，因此可把2-11，1-12，23-14，24-13分别构成线圈。26同心式优点：下线方便，端部的重叠层数较少，便于布置，散热好。 缺点：线圈的大小不等、绕制不便。27二、二、链式绕组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偶数。例：三相6极36槽
12、绘制链式绕组展开图1号向右连，36号向左连，且节距相等，然后用极间连线（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。28链式绕组本质上就是q=2的同心式绕组。29例：三相四极36槽定子，绘制交叉式绕组展开图 三、三、交叉式绕组交叉式绕组30在交流电机气隙中有一以ns转速旋转的旋转磁场。本节讨论旋转磁场在空间正弦分布时，交流绕组中感应电动势的计算公式。由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。 4-4 4-4 正弦磁场下交流绕组的感应电动势正弦磁场下交流绕组的感应电动势一相绕组的电动势=一条支路的电动势导体的感应电动势线圈的感应电动势线圈组（极相组）的感
13、应电动势一相绕组感应电动势31一、一、导体的感应电动势导体的感应电动势如图为一台两极交流发电机，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，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：离开原点的电角度可认为导体以角频率反向旋转，当时间为t时，导体转过，且=t，则导体感应电动势为：1、电动势的波形33由上式可见导体中感应电动势是随时间正弦变化的交流电动势。342 2、正弦电动势的频率、正弦电动势的频率f f若p =1 ，电角度=机械角度 ，转子转一周感应电动势交变一次，设转子每分钟转ns转（即每秒
14、转ns/60转），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353 3、导体电动势有效值、导体电动势有效值：平均磁密：每极磁通。36二、二、整距线圈的感应电动势整距线圈的感应电动势 ，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37若线圈有NC匝，则 三、短距线圈的电动势，节距因数三、短距线圈的电动势，节距因数y1 因此节距小于180两导体中的感应电动势不是
15、差180度，而是相差节距因数（基波）38若为NC匝表示线圈采用短距后感应电动势较整距时应打的折扣当时，1当 时，例如： 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。39四、四、线圈组的电动势、分布因数和绕组因数线圈组的电动势、分布因数和绕组因数 每极下每相有一个线圈组，由q个线圈组成，且各个线圈依次相差电角度如q=340q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qEc1，所以kd16时，分布因数的下降已不明显，所以一般选6q2，图4-20表示不同q值时，谐波分布因数的变化情况。64（3
16、）削弱谐波磁场）削弱谐波磁场凸极同步电机改善磁极极靴外型，隐极同步电机励磁绕组合理的分布，使磁极磁场沿电枢表面分布接近于正弦波。（4）三次和三的倍数次谐波的消除）三次和三的倍数次谐波的消除三相绕组可接成三角形或星形。凸极电机以上方法均不能削弱齿谐波电动势。652、齿谐波电动势减小的方法、齿谐波电动势减小的方法对于齿谐波，由于其绕组因数与基波绕组因数相同，不能采用短距和分布的方法削弱它。目前采用以下几种方法削弱齿谐波电动势： （1）采用斜槽采用斜槽采用斜槽后，同一根导体内的各个小段在磁场中的位置互不相同，所以同一导体各段感应电动势不同，与直槽相比，导体中的感应电动势有所变化，理论分析证明采用斜槽
17、可有效削弱齿谐波电动势，但对基波和其他谐波也有削弱作用，为计及这一影响，在计算电动势时，除了考虑节距因数和分布因数外，还应考虑斜槽因数斜槽因数。66为了推导斜槽因数，把斜槽内导体看为无限多根短直导体的串联。相邻直导体间有一微小的相位差（0）短直导体数q，而q=，为整根导体斜过的电弧度，仿照分布因数的推导方法，可导出斜槽因数。基波的斜槽因数为：67若导体斜过的距离用c来表示时， 次谐波的斜槽因数为：从以上可见，如用斜槽消除 次谐波，应使即68取 为了使 ，这两个齿谐波都得到削弱。2mq：为一对极下的槽数，tZ：齿距。即斜过的距离等于一个齿距。只要使斜过的距离等于该次空间谐波的2倍极距，谐波电动势
18、相互抵消。所以，要消除齿谐波电动势应取采用斜槽后，可使齿谐波大大削弱。斜槽主要用于中、小型电机中。69(2) 采用分数槽采用分数槽在多极同步发电机（例如水轮发电机）中，常常采用分数槽绕组来削弱齿谐波。由于每极每相槽数q=分数，所以齿谐波次数一般为分数或偶数，而主极磁极中仅含有奇次谐波，即不存在齿谐波磁场，也就不存在齿谐波电动势。(3) 采用半闭口槽和磁性槽楔采用半闭口槽和磁性槽楔在小型电机中采用半闭口槽，中型电机中采用磁性槽楔来减小由于槽开口而引起的气隙磁导变化和齿谐波。但采用半闭口下线工艺复杂。70因组成一相绕组的基本单元是线圈，所以在分析单相磁动势时，我们先从分析一个线圈的磁动势入手，进而
19、分析一个线圈组的磁动势，最后推出一相绕组产生的磁动势。 4-6 正弦电流下单相绕组的磁动势正弦电流下单相绕组的磁动势一、一、整距线圈的磁动势整距线圈的磁动势下图表示一台两极电机，设定子上有一整距线圈AX，匝数NC当通入交流电ic时，电流方向如图所示。71由全电流定律即作用于任何一闭合回路的磁动势等于它所包围的全电流。因磁力线通过两个气隙，如不计铁磁材料中的磁压降，则磁动势全部消耗在气隙中，经过一次气隙，消耗磁动势为。72如将磁力线出定子进转子作为磁动势正方向整距线圈在气隙内形成一个矩形分布的磁动势波，其矩形的高度是时间的函数。当时 高度达最大值；当 矩形波高度为零。当电流变为负值时，两个矩形波
20、的高度跟着变号，正变负，负变正。73这种空间位置固定不动，但波幅的大小随时间而变化的磁动势为脉振磁动势。下图表示节距等于1/4周长的两组整距线圈形成四极磁场时的情况，其磁动势波形仍为矩形波，但极数为4。插入动态图电机学图1/4-28.SWF插入动态图电机学图1/4-24DONG.SWF74应用富氏级数可将矩形波进行分解得：该磁动势波分解为基波和一系列奇次谐波，其中基波磁动势的幅值是矩形波的 倍， 次谐波的幅值是基波的 倍。分别为基波和谐波磁动势的最大值。由于波形的对称性，富氏级数中只含余弦项的奇次谐波。磁动势即是时间的函数又是空间的函数，所以是时空函数。分析时往往对时间和空间分别考虑：固定时间
21、看磁动势在空间的分布；固定空间，看磁动势随时间的变化。75二、二、线圈组的磁动势线圈组的磁动势每个线圈组是由若干个节距相等，匝数相同，依次沿定子圆周错开同一角度的线圈串联而成，下面按整距线圈组和短距线圈组两种情况分别分析线圈组的磁动势。1、整距线圈的线圈组磁动势整距线圈的线圈组磁动势q个整距线圈组串联构成线圈组，q个线圈在空间依次相隔的电角度。线圈组的合成磁动势并不等于每个线圈磁动势的q倍，而是等于q个线圈磁动势的矢量和。求合成磁动势的方法与求线圈组电动势方法相同。下面以q=3为例进行分析。7677Kd1：基波分布因数782、短距线圈的线圈组磁动势、短距线圈的线圈组磁动势双层绕组中常采用短距。
22、若线圈为整距时，上层与下层的磁动势可直接相加，即 而短距时，不能用代数和，而是矢量和。例如一台2极18槽，y1=8的双层短距绕组。就产生磁动势而言，可以把上层边和下层边各看成一个整距线圈组。两个整距线圈组在空间互差电角度，因此不能直接相加。79采用短距和分布绕组，磁动势的变化：绕组分布后所形成的磁动势较集中绕组减小。采用分布和短距后，可有效削弱谐波，从而改善磁动势波形。80三、三、单相绕组的磁动势单相绕组的磁动势脉振磁动势脉振磁动势由于各对极下磁动势的分布完全相同，所以一相绕组的磁动势是指每对极下的磁动势。对于单层绕组，qNC所产生的磁动势脉振磁动势 电机学图1/4-24dong.swf81而
23、对于双层绕组，应为2qNC所产生的磁动势对于单层和双层绕组，一相绕组磁动势的表达式可统一为82单相绕组的磁动势是一种空间位置固定，幅值随时间变化的脉振磁动势，其脉振频率取决于电流的频率。磁动势是时空函数。1.性质：脉振磁动势。 基波2. 最大值次谐波3. 脉振频率：电源频率。4.轴线：绕组的轴线。这里的谐波磁动势是基波电流产生的。83前面分析了单相绕组的磁动势为一脉振磁动势。将三个单相磁动势相加，即得三相绕组的合成磁动势。为了清楚的理解由单相到三相合成时，脉振磁动势如何变为旋转磁动势，用解析法和图解法两种方法进行分析。一、三相绕组的基波合成磁动势1、解析法：单相磁动势为：当对称三相绕组中，通入
24、对称三相电流时，由于三相绕组在空间互差1200，三相电流在空间上互差1200。4-7 正弦电流下三相绕组的磁动势正弦电流下三相绕组的磁动势84若把空间坐标原点取在A相绕组轴线上，A相电流达到最大值的瞬间为时间起始点，则A，B，C三相绕组各自产生的脉振磁动势基波的表达式为：85三相基波合成磁动势是一个圆形旋转磁动势。转速：电流变化一个周期，磁动势波推移2电弧度，电 流频率为f 时，每秒转过的电弧度为2f ，转速为：86三相绕组的基波合成磁动势：1.性质：圆形旋转磁动势。2.幅值：3.转速：4.转向：由电流的超前相转向电流的滞后相。5.瞬时位置：哪一相电流达到最大值，合成磁动势的轴线与哪一相绕组的
25、轴线重合。多相对称绕组流过多相对称电流时，产生的合成磁动势为圆形旋转磁动势。电机学图1三相合成磁动势.SWF872、图解法下面用图解法分析三相基波合成磁势。88899091当对称三相绕组中通入对称三相电流时，基波合成磁势将是一个圆形旋转磁动势。若在三相对称绕组中通以不对称三相电流，则正转和反转磁动势将同时存在。例如三相电流的幅值分别为IAm、IBm、ICm，相位分别为，则：二、椭圆形旋转磁动势的概念92利用三角公式上式为交流绕组磁动势的普遍表达式，此时基波合成磁动势将成为一个正弦分布，幅值变化，非恒速推移的椭圆形旋转磁动势。93椭圆的长轴为：椭圆的短轴为：在长轴附近转速低，在短轴附近转速高，平
26、均转速不变。圆形磁动势和脉振磁动势可看作是椭圆形磁动势的特例。如有一个为零时，为圆形旋转磁动势。如为脉振磁动势。三、相合成磁动势中的高次谐波单相绕组的次谐波磁动势为：94同理将A、B、C三相绕组所产生的次谐波磁势相加可得三相次谐波合成磁动势。2.当即=7，13，19时1.当即=3，9，15时计算结果表明：合成磁势为一正向旋转，转速为ns/，幅值为的旋转磁动势，转向与基波相同。95在同步电机中,谐波磁动势产生的磁场在转子表面产生涡流损耗，引起电机发热，使效率降低。在感应电机中，产生附加转距，使电机性能变坏。因此应尽量减小磁动势中的高次谐波，采用短距和分布绕组是减小谐波磁动势的有效方法。一般线圈节
27、距最好选择在（0.80.83）这一范围内。3.当即=5,11,17时，合成磁势为一反向旋转，转速为ns/，幅值为的旋转磁动势。96本章主要内容本章主要内容1.交流绕组的构成交流绕组的构成 三相双层绕组展开图三相双层绕组展开图2.交流绕组的相电动势交流绕组的相电动势（1）基波；（基波；（2）谐波；（）谐波；（3）削弱谐波电动势的方法。）削弱谐波电动势的方法。3.交流绕组的磁动势交流绕组的磁动势（1）整距线圈的磁动势：波形；性质；轴线；最大幅值。）整距线圈的磁动势：波形；性质；轴线；最大幅值。（2）一相绕组的基波磁动势：性质；轴线；最大幅值。）一相绕组的基波磁动势：性质；轴线；最大幅值。（3）三相绕组的基波合成磁动势：性质；幅值；转速；转向；）三相绕组的基波合成磁动势：性质；幅值；转速；转向； 幅值所在位置。幅值所在位置。（4）谐波合成磁动势：）谐波合成磁动势：6k-3次；次；6k-1次；次；6k+1次；次；k=1,2,397
