第4章交流绕组及其电动势和磁动势ppt课件

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1、第四章第四章 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 本章研究三相交流绕组的构成和连接规律，交流绕组的感应电本章研究三相交流绕组的构成和连接规律，交流绕组的感应电动势和磁动势，即交流电机理论中的共同问题，亦是研究感应电机动势和磁动势，即交流电机理论中的共同问题，亦是研究感应电机和同步电机原理的基础。和同步电机原理的基础。交流电机的基本工作原理交流电机的基本工作原理第一节第一节 交流绕组的构成原则和分类交流绕组的构成原则和分类第二节第二节 三相双层绕组三相双层绕组第四节第四节 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第五节第五节 感应电动势中的高次谐波感应电动势

2、中的高次谐波第六节第六节 通有正弦电流时单相绕组的磁动势通有正弦电流时单相绕组的磁动势第七节第七节 通有对称三相电流时三相绕组的磁动势通有对称三相电流时三相绕组的磁动势交流电机的基本工作原理交流电机的基本工作原理一、一、同步电机的基本工作原理同步电机的基本工作原理n1，转子转速。p，转子极对数。感应电动势频率：v，导体与磁密的相对线速度，单位m/s。L，导体的轴向长度，单位m。 b，导体所在处磁通密度，单位T。导体中感应电动势：同步转速同步转速最简单的同步发电机模型最简单的同步发电机模型定子定子绕组转子二、二、异步电机（感应电机）的基本工作原理异步电机（感应电机）的基本工作原理电动机运行时：电

3、动机运行时：旋转磁场转速旋转磁场转速n1i，导体中感应电流，单位导体中感应电流，单位A。L，导体的轴向长度，单位导体的轴向长度，单位m。 b，导体所在处磁通密度，单位导体所在处磁通密度，单位T。导体受电磁力作用导体受电磁力作用：转子转速转子转速n ?最简单的鼠笼型异步电动机模型 定子三相对称绕组通三相对称正弦电流，在气隙中产生正弦分定子三相对称绕组通三相对称正弦电流，在气隙中产生正弦分布的旋转磁场，旋转磁场切割转子绕组导体，在闭合的转子绕组导布的旋转磁场，旋转磁场切割转子绕组导体，在闭合的转子绕组导体中产生感应电流，处于磁场中的转子导体将受到电磁力的作用。体中产生感应电流，处于磁场中的转子导体

4、将受到电磁力的作用。第一节第一节 交流绕组的构成原则和分类交流绕组的构成原则和分类主要介绍交流绕组的构成原则和绕组的分类主要介绍交流绕组的构成原则和绕组的分类一、交流绕组的分类一、交流绕组的分类单层有同心式绕组、链式绕组和交叉式绕组单层有同心式绕组、链式绕组和交叉式绕组双层有叠绕组和波绕组双层有叠绕组和波绕组4、绕法分：、绕法分：3、每极下每相槽数分：整数槽绕组和分数槽绕组、每极下每相槽数分：整数槽绕组和分数槽绕组2、层数分：单层、双层和单双层混合、层数分：单层、双层和单双层混合1、相数分：单相和多相、相数分：单相和多相4 4、绝缘要可靠，机械强度、散热条件要好，制造要方便。、绝缘要可靠，机械

5、强度、散热条件要好，制造要方便。3 3、绕组的铜耗要小，用铜量要省。、绕组的铜耗要小，用铜量要省。2 2、对三相绕组，各相的电动势和磁动势要对称，电阻、电抗要、对三相绕组，各相的电动势和磁动势要对称，电阻、电抗要平衡。平衡。1 1、合成电动势和合成磁动势的波形要接近于正弦波，数量上以、合成电动势和合成磁动势的波形要接近于正弦波，数量上以求获得较大的基波电动势和基波磁动势。求获得较大的基波电动势和基波磁动势。二、交流绕组的构成原则二、交流绕组的构成原则第二节第二节 三相双层绕组三相双层绕组n n 三相绕组的材料利用率比单相绕组好，三相电机的运行性能亦比单相电机好，采用三相制还可以节约输电线路的材

6、料，所以现代动力用中、大型电机大多做成三相电机。n n本节主要介绍电机槽内导体感应电动势的特点和由此产生的三相双层绕组的结构。交流绕组的线圈节距：交流绕组的线圈节距：双层绕组线圈数等于槽数，即双层绕组线圈数等于槽数，即 ，单层绕组，单层绕组 。 短距绕组。短距绕组。 长距绕组。长距绕组。 ， ，整距绕组。，整距绕组。 双层绕组，线圈的一条边放在某一双层绕组，线圈的一条边放在某一槽的上层，另一条边放在相隔一个线圈槽的上层，另一条边放在相隔一个线圈节距的另一槽的下层。节距的另一槽的下层。3、端部形状排列整齐，有利于散热和增强机械强度。、端部形状排列整齐，有利于散热和增强机械强度。2、所有线圈具有同

7、样的尺寸，便于制造。、所有线圈具有同样的尺寸，便于制造。1、可以选择最有利的节距，同时采用分布绕组，改善电动势和磁、可以选择最有利的节距，同时采用分布绕组，改善电动势和磁动势波形。动势波形。双层绕组的优点：双层绕组的优点：机座定子绕组定子铁心一、槽电动势星形图和相带划分一、槽电动势星形图和相带划分 由于一个上层导体和一个下层导体对应由于一个上层导体和一个下层导体对应一个槽，所以用槽号表示槽内导体，相应的一个槽，所以用槽号表示槽内导体，相应的槽内导体电动势相量称为槽相量，一个线圈槽内导体电动势相量称为槽相量，一个线圈上下层两个边相距一个节距且反串联，则上上下层两个边相距一个节距且反串联，则上层槽

8、相量也用于表示线圈相量。层槽相量也用于表示线圈相量。 一台三相四极一台三相四极36槽的电机定子来槽的电机定子来说明槽内导体的感应电动势和属于各说明槽内导体的感应电动势和属于各相的导体是如何分布的：相的导体是如何分布的：1、槽电动势星形图、槽电动势星形图凸极式同步电机 一对极相当于一对极相当于3600电角度，电角度，4极电机一周极电机一周7200，沿定子表面，沿定子表面有有Q个槽相邻两槽间电角度个槽相邻两槽间电角度（槽距角）（槽距角）：每极每相槽数每极每相槽数q：每个磁极下每一相绕组所占有的槽每个磁极下每一相绕组所占有的槽把每个极下每相槽所占的区域称为相带把每个极下每相槽所占的区域称为相带 。

9、1）60O相带绕组相带绕组2、相带划分相带划分60O相带绕组相带绕组 以以A相为例，在每个极下相为例，在每个极下A相应有相应有q个槽，整个定子中个槽，整个定子中A相应有相应有2pq个槽。个槽。为使合成电动势最大，在第一个为使合成电动势最大，在第一个N极极下选取相邻的下选取相邻的q个槽作为个槽作为A相带，相带，q个个槽中上层边所在的相邻线圈串联，构槽中上层边所在的相邻线圈串联，构成每极每相线圈组（简称极相组），成每极每相线圈组（简称极相组），合成电动势最大。相隔合成电动势最大。相隔1800在第一在第一S个个极下选取相邻的极下选取相邻的q个槽作为个槽作为X相带，相带， q个相邻线圈串联构成极相组。

10、两极相个相邻线圈串联构成极相组。两极相组电动势相反，反串联后串联感应电组电动势相反，反串联后串联感应电动最大。相应的在相隔动最大。相应的在相隔3600和和5400的的第二对极下得到两个极相组，最后把第二对极下得到两个极相组，最后把四个极相组按照一定的规律连接起来，四个极相组按照一定的规律连接起来，即可得到即可得到A相绕组。相绕组。N1（N2）S1（S2）把每个极下每相槽所占的区域称为相带把每个极下每相槽所占的区域称为相带 。 1）60O相带绕组相带绕组2、相带划分相带划分60O相带绕组相带绕组 同样的规律，在与同样的规律，在与A相相距相相距1200和和2400处开始选取处开始选取B相和相和C相

11、极相组。相极相组。 每个绕组的每个相带各占每个绕组的每个相带各占600电角度，电角度，称为称为600相带绕组。通常的三相绕组都是相带绕组。通常的三相绕组都是600相带绕组相带绕组.N1（N2）S1（S2）60O相带绕组与相带绕组与120O相带绕组合成电动势比：相带绕组合成电动势比： 2）120O相带绕组相带绕组120O相带绕组相带绕组在一对极下连续取在一对极下连续取2q个相邻槽作为相带，构成的绕组称为个相邻槽作为相带，构成的绕组称为1200相带绕组。相带绕组。二、叠绕组二、叠绕组三相四极三相四极36槽的双层绕组，槽的双层绕组， 为例。为例。 画展开图时，上层线圈边用画展开图时，上层线圈边用 实

12、线表示，下层线圈边用虚线表实线表示，下层线圈边用虚线表示，线圈端接线上方的号为线圈示，线圈端接线上方的号为线圈号，线圈号和线圈上层边所在的号，线圈号和线圈上层边所在的槽同号。与上层边相连的出线端槽同号。与上层边相连的出线端称为首端，与下层边相连的出线称为首端，与下层边相连的出线端称为尾端。端称为尾端。叠绕组：相邻的两个线圈中，后一个线圈紧叠在前一个线圈上。叠绕组：相邻的两个线圈中，后一个线圈紧叠在前一个线圈上。NSNS1 1 3 35 57 79 9 1111 1313 1515 1717 1919 2121 2323 2525 2727 2929 3131 3333 35351 10 011

13、11121219192020 212128282929 30301 1 2 2 3 3叠绕组每极每相线圈串联时，应把极相组叠绕组每极每相线圈串联时，应把极相组A和极相组和极相组X反向串联。反向串联。连接规律：连接规律：一条串联支路时的联结一条串联支路时的联结用途用途：一般为多匝，用于一般电压、额定电流不太大的中小型同步一般为多匝，用于一般电压、额定电流不太大的中小型同步 电机和感应电机的定子绕组中电机和感应电机的定子绕组中每台电机的最后几个线圈的嵌线较困难，极间连线较长，每台电机的最后几个线圈的嵌线较困难，极间连线较长，在极数较多时相当费铜。在极数较多时相当费铜。缺点缺点：短距时端部可以节约部

14、分用铜。短距时端部可以节约部分用铜。优点优点： 每相的极相组数等于极数，所以双层叠绕组最多并联支路数每相的极相组数等于极数，所以双层叠绕组最多并联支路数等于等于2p，2p是实际支路数是实际支路数a的整数倍。的整数倍。两条串联支路时的联结两条串联支路时的联结四条串联支路时的联结四条串联支路时的联结三、波绕组三、波绕组两组绕组并联：两组绕组并联：两组绕组串联两组绕组串联整数槽绕组整数槽绕组: 波绕组：波绕组：叠绕组：叠绕组：合成节距合成节距y：相串联的两个线圈其对应线圈边之间的距离相串联的两个线圈其对应线圈边之间的距离连接规律：把所有同一极性下属于同一相的线圈按波浪形依次串联起连接规律：把所有同一

15、极性下属于同一相的线圈按波浪形依次串联起来，组成一组；再把所有另一极性下属于同一相的线圈按波浪形依次来，组成一组；再把所有另一极性下属于同一相的线圈按波浪形依次串联起来，组成另一组；最后把两大组线圈根据需要串联或并联，构串联起来，组成另一组；最后把两大组线圈根据需要串联或并联，构成一相绕组。成一相绕组。绕组特点：线圈为单匝线圈，两个相连接的线圈成波浪形前进。绕组特点：线圈为单匝线圈，两个相连接的线圈成波浪形前进。对于对于3相相4极极36槽，槽，y1=8的波绕组，的波绕组， 。波绕组用途：多极、支路导线截面较大的交流电机（水轮发电机），波绕组用途：多极、支路导线截面较大的交流电机（水轮发电机），

16、 整数槽波绕组在绕线电机转子中应用较多整数槽波绕组在绕线电机转子中应用较多三相双层绕组三相双层绕组A相绕组的展开图相绕组的展开图S2N1S1N22828 2929 30301 1 2 2 3 31010 11111 12 21919 2020 21212828 30303232 3434 36362 24 46 68 81010 1212 1414 1616 1818 2020 2222 2424 2626小结小结 n n双层绕组的优点是，可以同时利用短距和分布的办法来改善感应双层绕组的优点是，可以同时利用短距和分布的办法来改善感应双层绕组的优点是，可以同时利用短距和分布的办法来改善感应双层绕

17、组的优点是，可以同时利用短距和分布的办法来改善感应电动势和磁动势的波形，使电机得到较好的电磁性能。双层绕组电动势和磁动势的波形，使电机得到较好的电磁性能。双层绕组电动势和磁动势的波形，使电机得到较好的电磁性能。双层绕组电动势和磁动势的波形，使电机得到较好的电磁性能。双层绕组主要用于中、大型电机。主要用于中、大型电机。主要用于中、大型电机。主要用于中、大型电机。n n双层绕组中又有叠绕组和波绕组两类，两者的连接规律虽然不同，双层绕组中又有叠绕组和波绕组两类，两者的连接规律虽然不同，双层绕组中又有叠绕组和波绕组两类，两者的连接规律虽然不同，双层绕组中又有叠绕组和波绕组两类，两者的连接规律虽然不同，

18、但有效材料的利用情况却基本相同。但有效材料的利用情况却基本相同。但有效材料的利用情况却基本相同。但有效材料的利用情况却基本相同。n n 构成一个三相绕组，大体上要经过以下几步：构成一个三相绕组，大体上要经过以下几步：构成一个三相绕组，大体上要经过以下几步：构成一个三相绕组，大体上要经过以下几步：确定每板每相槽确定每板每相槽确定每板每相槽确定每板每相槽数数数数 q q q q；划分相带；划分相带；划分相带；划分相带；把每极下同一相带内的线圈串联起来组成把每极下同一相带内的线圈串联起来组成把每极下同一相带内的线圈串联起来组成把每极下同一相带内的线圈串联起来组成一个极相组；一个极相组；一个极相组；一

19、个极相组；把属于把属于把属于把属于A A A A相的所有极相组连接起来，组成相的所有极相组连接起来，组成相的所有极相组连接起来，组成相的所有极相组连接起来，组成A A A A相绕组；相绕组；相绕组；相绕组；同理组成同理组成同理组成同理组成B B B B相和相和相和相和C C C C相绕组。相绕组。相绕组。相绕组。n n简单绕经可用表格法来划分相带，较复杂的绕组可用电动势星形简单绕经可用表格法来划分相带，较复杂的绕组可用电动势星形简单绕经可用表格法来划分相带，较复杂的绕组可用电动势星形简单绕经可用表格法来划分相带，较复杂的绕组可用电动势星形图来划分。为得到尽可能大的基波电动势和磁动势，三相绕组一

20、图来划分。为得到尽可能大的基波电动势和磁动势，三相绕组一图来划分。为得到尽可能大的基波电动势和磁动势，三相绕组一图来划分。为得到尽可能大的基波电动势和磁动势，三相绕组一般采用般采用般采用般采用606060600 0 0 0相带；为使三相对称，划分相带时应使相带；为使三相对称，划分相带时应使相带；为使三相对称，划分相带时应使相带；为使三相对称，划分相带时应使B B B B相和相和相和相和C C C C相的槽号相的槽号相的槽号相的槽号分别滞后于分别滞后于分别滞后于分别滞后于A A A A相相相相1201201201200 0 0 0和和和和2402402402400 0 0 0电角度。不同极性下的

21、极相组互相串联电角度。不同极性下的极相组互相串联电角度。不同极性下的极相组互相串联电角度。不同极性下的极相组互相串联时要反向连接，以免电动势互相抵消。时要反向连接，以免电动势互相抵消。时要反向连接，以免电动势互相抵消。时要反向连接，以免电动势互相抵消。第三节第三节 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n n本节介绍电机槽内导体的感应电动势，整距线圈本节介绍电机槽内导体的感应电动势，整距线圈的感应电动势，短距线圈的感应电动势和节距因的感应电动势，短距线圈的感应电动势和节距因数，分布绕组的电动势和分布因数、绕组因数，数，分布绕组的电动势和分布因数、绕组因数，由极相组构成的每

22、相绕组电动势以及线电动势。由极相组构成的每相绕组电动势以及线电动势。n n节距因数、分布因数、绕组因数，以及每相绕组节距因数、分布因数、绕组因数，以及每相绕组电动势、线电动势是本章重点。电动势、线电动势是本章重点。一、导体的感应电动势一、导体的感应电动势 导体感应电动势有效值。导体感应电动势有效值。时间时间t时，时，=t，感应电动势：感应电动势：设设t=0时导体在极间，转子角频率为时导体在极间，转子角频率为。转子表面距原点转子表面距原点处的气隙磁密：处的气隙磁密：设主磁场在气隙内为正弦分布，坐标取在转子上，原点位于极间，设主磁场在气隙内为正弦分布，坐标取在转子上，原点位于极间，为距离原点的电角

23、度。为距离原点的电角度。1、感应电动势波形、感应电动势波形气隙磁场正弦分布时导体内的感应电动势定子2、正弦电动势的频率、正弦电动势的频率 而而为极距。为极距。3、导体电动势的有效值、导体电动势的有效值中国：中国： ；美国、日本：；美国、日本：电机为一对极：电机为一对极： ；电机为；电机为p对极：对极：每极磁通：每极磁通：一极下平均磁密：一极下平均磁密：从而有：从而有：从而有：从而有：定子二、整距线圈的电动势二、整距线圈的电动势若线圈有若线圈有NC匝：匝：有效值：有效值：单匝线圈电动势：单匝线圈电动势：整距线圈：整距线圈：整距匝电动势整距匝电动势整距短距端部匝电动势匝电动势合适的短距能有合适的短

24、距能有效地抑制线圈谐效地抑制线圈谐波电动势。波电动势。线圈节距因数：线圈节距因数：若线圈有若线圈有NC匝：匝：一匝线圈电动势有效值：一匝线圈电动势有效值：一匝线圈电动势：一匝线圈电动势：短距：短距： 对应节距：对应节距：三、短距线圈的电动势，节距因数三、短距线圈的电动势，节距因数整距整距短距短距端部端部单匝线圈短距时感应电动势相量求和四、分布绕组的电动势、分布因数和绕组因数四、分布绕组的电动势、分布因数和绕组因数 一个极相组由一个极相组由q个嵌放在相邻槽内的线圈串联组成，它们在切个嵌放在相邻槽内的线圈串联组成，它们在切割磁力线时相位依次相差割磁力线时相位依次相差角，角， 。每极每相绕组的合成电

25、。每极每相绕组的合成电动势动势 应为应为q个线圈的电动势相量的相量和。个线圈的电动势相量的相量和。60O相带双层定子绕组相带双层定子绕组60O相带绕组相带绕组q个线圈的电动势相量组成的正多边形外接圆：个线圈的电动势相量组成的正多边形外接圆：绕组的基波分布因数：绕组的基波分布因数：极相组的合成电动势极相组的合成电动势基波绕组因数基波绕组因数极相组电动势：极相组电动势：若线圈有若线圈有NC匝：匝：极相组的线圈匝数极相组的线圈匝数五、相电动势和线电动势五、相电动势和线电动势1、相电动势相电动势每相线圈数：每相线圈数： 若每线圈为若每线圈为N NC C，每相绕组共有，每相绕组共有 匝。匝。并联支路数为

26、并联支路数为a a，串联支路极相组数为串联支路极相组数为每相绕组的每条支路总串联匝数为：每相绕组的每条支路总串联匝数为：单层绕组单层绕组五、相电动势和线电动势五、相电动势和线电动势1、相电动势相电动势每相线圈数：每相线圈数： 若每线圈为若每线圈为N NC C，每相绕组共有，每相绕组共有 匝。匝。并联支路数为并联支路数为a a，串联支路极相组数为串联支路极相组数为每相绕组的每条支路总串联匝数为：每相绕组的每条支路总串联匝数为：双层绕组双层绕组 三角形联结：三角形联结：三相对称绕组三相对称绕组 星形联结：星形联结：2 2、基波基波线电动势线电动势从而一相的电动势：从而一相的电动势：例：习题例：习题

27、4-15 三相两极三相两极50Hz同步发电机，定子槽数同步发电机，定子槽数Q=48，每槽内有两根导体，每槽内有两根导体，支路数支路数a=1，节距节距 y1=20，双层绕组，星形联结，双层绕组，星形联结， 。 求：定子基波绕组因数和空载相电动势、线电动势。求：定子基波绕组因数和空载相电动势、线电动势。解：解：绕组因数：绕组因数：每相串联匝数：每相串联匝数：相电动势：相电动势：线电动势：线电动势：小结小结n n交流绕组的感应电动势可以用交流绕组的感应电动势可以用交流绕组的感应电动势可以用交流绕组的感应电动势可以用 来确来确来确来确定，前者比较直观，后者则是一种普遍的方法。定，前者比较直观，后者则是

28、一种普遍的方法。定，前者比较直观，后者则是一种普遍的方法。定，前者比较直观，后者则是一种普遍的方法。n n感应电动势的频率取决于主极与导体之间的相对速度和感应电动势的频率取决于主极与导体之间的相对速度和感应电动势的频率取决于主极与导体之间的相对速度和感应电动势的频率取决于主极与导体之间的相对速度和极对数，波形主要取决于主极磁场在气隙内的分布，另极对数，波形主要取决于主极磁场在气隙内的分布，另极对数，波形主要取决于主极磁场在气隙内的分布，另极对数，波形主要取决于主极磁场在气隙内的分布，另外还与线圈的节距和分布情况等因素有关。外还与线圈的节距和分布情况等因素有关。外还与线圈的节距和分布情况等因素有

29、关。外还与线圈的节距和分布情况等因素有关。n n由干线圈的节距通常不是整距，极相组又由几个不同相由干线圈的节距通常不是整距，极相组又由几个不同相由干线圈的节距通常不是整距，极相组又由几个不同相由干线圈的节距通常不是整距，极相组又由几个不同相位的线圈组成，所以计算交流绕组的电动势时要引人节位的线圈组成，所以计算交流绕组的电动势时要引人节位的线圈组成，所以计算交流绕组的电动势时要引人节位的线圈组成，所以计算交流绕组的电动势时要引人节距因数距因数距因数距因数k k k kp p p p。和分布因数。和分布因数。和分布因数。和分布因数kdkdkdkd；如果是斜槽，还要引进斜槽；如果是斜槽，还要引进斜槽

30、；如果是斜槽，还要引进斜槽；如果是斜槽，还要引进斜槽因数因数因数因数k k k kc c c c，此时绕组因数，此时绕组因数，此时绕组因数，此时绕组因数k k k kw w w w= = = =k k k kp p p pk k k kd d d dk k k kc c c c。第五节第五节 感应电动势中的高次谐波感应电动势中的高次谐波隐极式同步电机凸极式同步电机 同步电机的主机磁场在气隙中不一定是正弦分布，因此绕组中有同步电机的主机磁场在气隙中不一定是正弦分布，因此绕组中有谐波存在，本节主要介绍各种谐波的特点，以及为消除或减小谐波所谐波存在，本节主要介绍各种谐波的特点，以及为消除或减小谐波所

31、采用的几种典型的方法。采用的几种典型的方法。V次谐波绕组因数：次谐波绕组因数：谐波电动势有效值：谐波电动势有效值：V次谐波磁通量：次谐波磁通量：谐波电动势频率：谐波电动势频率：谐波磁场随主极以同步转速在空间旋转，谐波磁场随主极以同步转速在空间旋转，主极磁场的分布与磁极中心线对称，谐波次数为奇次，主极磁场的分布与磁极中心线对称，谐波次数为奇次，1、主极谐波电动势、主极谐波电动势一、高次谐波电动势一、高次谐波电动势V次谐波节距因数：次谐波节距因数： 电角度表示基波节距电角度表示基波节距y1，V次谐波节距次谐波节距 。V次谐波分布因数：次谐波分布因数：V次谐波磁场，转子一周为次谐波磁场，转子一周为

32、，相邻线圈相距，相邻线圈相距 。开槽后的气隙磁场分布定子开槽后单位面积下的气隙磁导定子开槽后单位面积下的气隙磁导主极气隙磁导2、齿谐波电动势、齿谐波电动势 在每极每相槽数在每极每相槽数q为整数的电机中，为整数的电机中，存在存在 的谐波。的谐波。 由于定子内表面开槽，气隙磁导有由于定子内表面开槽，气隙磁导有谐波，气隙存在磁导齿谐波谐波，气隙存在磁导齿谐波K2时，叫高阶齿谐波。时，叫高阶齿谐波。k=2时，时， ，叫二阶齿谐波。，叫二阶齿谐波。k=1时，时， ，叫一阶齿谐波。，叫一阶齿谐波。凸极同步电机凸极同步电机齿谐波特点齿谐波特点：4）转子有效极弧的宽度不是定子齿距的）转子有效极弧的宽度不是定子

33、齿距的整数倍，则主极移动时，定子绕组中的齿整数倍，则主极移动时，定子绕组中的齿谐波电动势进一步增大。谐波电动势进一步增大。3）转子有效极弧的宽度等于定子齿距的）转子有效极弧的宽度等于定子齿距的整数倍，主极磁场在定子开槽前已含有整数倍，主极磁场在定子开槽前已含有 次谐波时，定子开槽次谐波时，定子开槽后，定子绕组中齿谐波电动势比不开槽后，定子绕组中齿谐波电动势比不开槽时增大很多倍。时增大很多倍。2）转子有效极弧的宽度等于定子齿距的整数倍，且主极磁场在）转子有效极弧的宽度等于定子齿距的整数倍，且主极磁场在定子开槽前为正弦分布时，定子开槽后，定子绕组感应电动势中定子开槽前为正弦分布时，定子开槽后，定子

34、绕组感应电动势中不会有齿谐波。不会有齿谐波。定子开槽后单位面积下的气隙磁导定子开槽后单位面积下的气隙磁导主极气隙磁导转子有消极弧1）齿谐波具有和基波同样的绕组因数）齿谐波具有和基波同样的绕组因数3、计及谐波时相电动势和线电动势、计及谐波时相电动势和线电动势三倍次谐波消耗于绕组压降上，线端不会出现三倍次谐波电动势。三倍次谐波消耗于绕组压降上，线端不会出现三倍次谐波电动势。 三及三倍次谐波电动势之和在闭合的三角形回路中形成环流三及三倍次谐波电动势之和在闭合的三角形回路中形成环流 ，2）三相绕组接成三角形）三相绕组接成三角形1）三相绕组接成星形）三相绕组接成星形相电动势有效值：相电动势有效值：三角形

35、联结时回路三次谐波环流三角形联结时回路三次谐波环流3）线路中谐波对邻近通讯线产生干扰。）线路中谐波对邻近通讯线产生干扰。2）发电机自身杂散损耗增大，效率下降，温升升高。）发电机自身杂散损耗增大，效率下降，温升升高。1）发电机的电动势波形变坏，降低供电质量，影响用电设）发电机的电动势波形变坏，降低供电质量，影响用电设备运行性能。备运行性能。4、谐波的危害、谐波的危害二、消弱谐波电动势的方法二、消弱谐波电动势的方法1、采用短距绕组；、采用短距绕组；2、采用分布绕组；、采用分布绕组；3、改善主极磁场分布。、改善主极磁场分布。对于主极谐波电动势对于主极谐波电动势对于齿谐波电动势对于齿谐波电动势4、采用

36、斜槽；、采用斜槽；5、采用分数槽绕组；、采用分数槽绕组；6、其他措施：改善齿槽形状尺寸。、其他措施：改善齿槽形状尺寸。为消除第为消除第V次谐波，只要选用比整距短次谐波，只要选用比整距短 的短距线圈即可的短距线圈即可。一般取一般取 则：则：谐波节距因数：谐波节距因数：则有：则有：令令适当的选择线圈的节距，使得某一次谐波的节距因数等于或接近于适当的选择线圈的节距，使得某一次谐波的节距因数等于或接近于0。1、采用短距绕组、采用短距绕组用短距的办法消除用短距的办法消除5次谐波次谐波V次谐波的节距因数次谐波的节距因数 在在v次谐波磁场中，比整距缩短次谐波磁场中，比整距缩短 的线的线圈的两条圈边总是处在同

37、一极性的相同磁圈的两条圈边总是处在同一极性的相同磁场位置下，因此就整个线圈来说，两条线场位置下，因此就整个线圈来说，两条线圈边的圈边的v次谐波电动势相抵消，这是短距次谐波电动势相抵消，这是短距消除谐波的实质。消除谐波的实质。2、采用分布绕组、采用分布绕组交流电机一般都选用交流电机一般都选用 。 ， q越大，抑制谐波电动势效果越好。越大，抑制谐波电动势效果越好。V次谐波分布因数次谐波分布因数但：但：q高时，总槽数增加，槽变小，高时，总槽数增加，槽变小，加工槽、下线均困难，会增加成加工槽、下线均困难，会增加成本。本。 q6时，时， 下降已不明显。下降已不明显。2）隐极同步发电机：改善励磁绕组的分布

38、，使主极磁场在气隙中接近于）隐极同步发电机：改善励磁绕组的分布，使主极磁场在气隙中接近于正弦分布。一般正弦分布。一般励磁绕组下线部分与极距之比选在励磁绕组下线部分与极距之比选在0.70.8的范围。的范围。1）凸极电机：改变主极极靴外形，改善气隙磁场分布，削弱）凸极电机：改变主极极靴外形，改善气隙磁场分布，削弱 。 主极极靴宽度和极距的比值为主极极靴宽度和极距的比值为0.70.75， 。3、改善主极磁场分布、改善主极磁场分布4、采用斜槽、采用斜槽用导体斜过的距离用导体斜过的距离C表示：表示：基波斜槽因数：基波斜槽因数： 将定子表面槽斜过一个电角度将定子表面槽斜过一个电角度。槽内导体可看作槽内导体

39、可看作q个短个短小导体的串联小导体的串联,由于槽在空间是斜的由于槽在空间是斜的,q 个短直导体串联后构成局个短直导体串联后构成局部分布绕组。部分布绕组。把谐槽导体看作为无限多根短直导体的串联把谐槽导体看作为无限多根短直导体的串联 斜槽主要用于中小型电机。斜槽主要用于中小型电机。一般取：一般取：消除齿谐波需：消除齿谐波需：对于一阶齿谐波，对于一阶齿谐波，V次谐波斜槽因数：次谐波斜槽因数： （V次谐波，次谐波，变为变为v）C=2V时导体内时导体内V次谐次谐波电动势互相抵消波电动势互相抵消V次谐波斜槽因数次谐波斜槽因数即即要消除要消除V次谐波，只需次谐波，只需 ，5、采用分数槽绕组、采用分数槽绕组分

40、数槽绕组一般用于多极低速同步电机。分数槽绕组一般用于多极低速同步电机。 q=分数，分数， 一般都是分式或一般都是分式或偶数，而主极磁场中仅含有奇次谐波，偶数，而主极磁场中仅含有奇次谐波，不存在空间附加磁导的不存在空间附加磁导的“调制、放大调制、放大”作用，从而避免了电动势波形中出现齿作用，从而避免了电动势波形中出现齿谐波电动势。谐波电动势。 每极每相槽数每极每相槽数 为分数时的绕组称为分数槽绕组。为分数时的绕组称为分数槽绕组。.分数槽绕组基波电动势星型相量图分数槽绕组基波电动势星型相量图分数槽绕组：分数槽绕组：例如：一台三相电机定子：例如：一台三相电机定子：Q=18，p=2，y1=3，a=1，

41、双层短距绕组。双层短距绕组。分数槽绕组的一对极下一相绕组展开图分数槽绕组的一对极下一相绕组展开图1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9分数槽绕组分布因数的计算（把两极下的线圈集中到一极下）：分数槽绕组分布因数的计算（把两极下的线圈集中到一极下）： 分数槽绕组相电动势有效值的计算方法与整数槽绕组一分数槽绕组相电动势有效值的计算方法与整数槽绕组一样，只是绕组因数的计算方法有所不同。样，只是绕组因数的计算方法有所不同。令：每极每相槽数令：每极每相槽数相邻向量夹角相邻向量夹角分数槽绕组一对极下基波电动势星型相量图分数槽绕组一对极下基波电动势星型相量图6、其他措施、其他措

42、施2）采用整数槽绕组、直槽的中、大型同步发电机中，选择转子）采用整数槽绕组、直槽的中、大型同步发电机中，选择转子上阻尼绕组节距上阻尼绕组节距t2的办法来削弱齿谐波，使的办法来削弱齿谐波，使1）小型电机中采用半闭口槽，中型电机中采用磁性槽楔，减小）小型电机中采用半闭口槽，中型电机中采用磁性槽楔，减小开槽引起的气隙磁导变化和齿谐波。开槽引起的气隙磁导变化和齿谐波。小结小结n n感应电动势中的高次谐波（时间谐波），主要是感应电动势中的高次谐波（时间谐波），主要是由主极磁场的非正弦分布所引起。为削弱这类谐由主极磁场的非正弦分布所引起。为削弱这类谐波，可以采用改善主极磁场的分布，采用短距和波，可以采用改

43、善主极磁场的分布，采用短距和分布统组等措施。分布统组等措施。n n为削弱齿谐波，需要采用斜槽、分数槽绕组和适为削弱齿谐波，需要采用斜槽、分数槽绕组和适当地选取阻尼绕组方法等措施。当地选取阻尼绕组方法等措施。第六节第六节 通有正弦电流时单相绕组的磁动势通有正弦电流时单相绕组的磁动势3）槽内电流集中于槽中心处，槽开口影响忽略不计。）槽内电流集中于槽中心处，槽开口影响忽略不计。2）定转子间气隙为均匀。）定转子间气隙为均匀。为简化分析，假设：为简化分析，假设：1）定转子铁心的磁导率）定转子铁心的磁导率 ，铁心磁位降忽略不计。，铁心磁位降忽略不计。 根据安培环路定律，交流绕组中通过电流时，将产生磁动势根

44、据安培环路定律，交流绕组中通过电流时，将产生磁动势和磁场。交流绕组连接时，应使绕组电流形成的定、转子磁场磁和磁场。交流绕组连接时，应使绕组电流形成的定、转子磁场磁极数相等，以使平均转矩不为零。极数相等，以使平均转矩不为零。 本节研究线圈内通有正弦电流时单相绕组的磁动势，先分析本节研究线圈内通有正弦电流时单相绕组的磁动势，先分析整距线圈磁动势，然后分析分布绕组磁动势，最后分析单相绕组整距线圈磁动势，然后分析分布绕组磁动势，最后分析单相绕组磁动势。磁动势。 ，定子为，定子为N极，极， ，定子为，定子为S极，极， 以线圈轴线处为原点，沿定子内表面：以线圈轴线处为原点，沿定子内表面：一个一个NC匝的整

45、距线圈匝的整距线圈:线圈电流线圈电流: 线圈产生一个两极磁场，气隙各处磁动势线圈产生一个两极磁场，气隙各处磁动势为为 。一、整距线圈的磁动势一、整距线圈的磁动势为气隙表面距原点的电角度为气隙表面距原点的电角度一个整距线圈的磁动势一个整距线圈的磁动势把周期性脉振矩形波用傅氏级数把周期性脉振矩形波用傅氏级数分解为基波和一系列齐次空间谐分解为基波和一系列齐次空间谐波，定子线圈轴线处作为坐标原波，定子线圈轴线处作为坐标原点，基波磁动势的方程式：点，基波磁动势的方程式：一个整距线圈的磁动势一个整距线圈的磁动势两组整距线圈形成的四极磁场两组整距线圈形成的四极磁场定子二、分布绕组的磁动势二、分布绕组的磁动势

46、双层整距分布绕组：双层整距分布绕组：单层整距分布绕组：单层整距分布绕组：用空间矢量求合成磁动势，引入分布因用空间矢量求合成磁动势，引入分布因数数 kd11、整距分布绕组极相组磁动势、整距分布绕组极相组磁动势极相组极相组q个线圈空间分布，个线圈空间分布，q个空间分个空间分布线圈基波合成磁动势为布线圈基波合成磁动势为q个线圈磁动个线圈磁动势矢量和。势矢量和。整距分布绕组磁动势整距分布绕组磁动势1 2 3 1 2 3 电流用相电流表示，则电流用相电流表示，则双层绕组：双层绕组：单层绕组：单层绕组：双层绕组：双层绕组：单层绕组：单层绕组：匝数用每相支路总串联匝数匝数用每相支路总串联匝数N表示，则：表示

47、，则：2、短距分布绕组极相组的磁动势、短距分布绕组极相组的磁动势双层绕组，相邻磁极下每相线圈，上层线圈边之间相距一个极距，双层绕组，相邻磁极下每相线圈，上层线圈边之间相距一个极距，下下层线圈边之间也相距一个极距层线圈边之间也相距一个极距把相邻极相组的上层线圈看作一组单层整距分布绕组，把下层线圈看把相邻极相组的上层线圈看作一组单层整距分布绕组，把下层线圈看作另一组单层整距分布绕组，两个单层整距分布绕组间作另一组单层整距分布绕组，两个单层整距分布绕组间相差相差空间电角空间电角度。度。 基波磁动势的绕组因数基波磁动势的绕组因数而而用空间矢量求和，则双层短距分布绕组的基波磁动势：用空间矢量求和，则双层

48、短距分布绕组的基波磁动势：从而从而双层短距分布绕组的磁动势双层短距分布绕组的磁动势三、单相绕组的磁动势，脉振磁动势三、单相绕组的磁动势，脉振磁动势1、单相绕组的基波磁动势、单相绕组的基波磁动势每相有几个极相组，就有几个空间分布磁极，所以单相绕组的基每相有几个极相组，就有几个空间分布磁极，所以单相绕组的基波磁动势就是极相组磁动势。波磁动势就是极相组磁动势。两组整距线圈形成的四极磁场两组整距线圈形成的四极磁场定子 磁动势从空间上看轴线固定不动，磁动势从空间上看轴线固定不动，从时间上看大小不断地随电流的交变从时间上看大小不断地随电流的交变而在正、负幅值之间脉振，称为而在正、负幅值之间脉振，称为脉振脉

49、振磁动势磁动势。从物理上看，脉振磁动势是。从物理上看，脉振磁动势是驻波驻波。则则若若不同瞬间时单相绕组的基波磁动势不同瞬间时单相绕组的基波磁动势2、单相绕组谐波磁动势、单相绕组谐波磁动势V次谐波绕组因数：次谐波绕组因数：V次谐波磁动势的幅值：次谐波磁动势的幅值： 2p极电机，对于基波磁动势是极电机，对于基波磁动势是2p极，空间一周是极，空间一周是 ，对于，对于V次谐波磁动势是次谐波磁动势是 极，空间一周是极，空间一周是 电角度，单相绕组电角度，单相绕组的的V次谐波磁动势为：次谐波磁动势为：第七节第七节 通有对称三相电流时三相绕组的通有对称三相电流时三相绕组的磁动势磁动势n n在单相绕组磁动势分

50、析基础上，将在单相绕组磁动势分析基础上，将A A、B B、C C三个在三个在空间对称的单相绕组产生的磁动势逐点相加，就空间对称的单相绕组产生的磁动势逐点相加，就得到三相绕组的合成磁动势波。得到三相绕组的合成磁动势波。n n本节是整个交流电机的共同理论中的重点。本节是整个交流电机的共同理论中的重点。一、三相绕组基波合成磁动势三相绕组基波合成磁动势三相绕组通对称正序电流：三相绕组通对称正序电流：A相绕组轴线B相绕组轴线C相绕组轴线三相绕组在空间对称分布三相绕组在空间对称分布气隙中一点距气隙中一点距A相绕组轴线距离为相绕组轴线距离为s当当t=0时，时，当当t=t1时，时，旋转磁动势波旋转磁动势波 t

51、=t1时磁动势波比时磁动势波比t=0时磁动势波时磁动势波向前移动了向前移动了 电角度，三相基波合电角度，三相基波合成磁动势是一个成磁动势是一个沿气隙圆周旋转的磁沿气隙圆周旋转的磁动势动势，旋转磁动势波转速为，旋转磁动势波转速为 。t=0和和t1时三相基波合成磁动势的位置时三相基波合成磁动势的位置一个沿一个沿s方向方向传播的行波播的行波 对称三相绕组中通有对称三相正序电流时，基波合成磁动势对称三相绕组中通有对称三相正序电流时，基波合成磁动势是一个正弦分布、以同步转速向前推移的正向是一个正弦分布、以同步转速向前推移的正向圆形旋转磁动势波圆形旋转磁动势波（幅值不变）。合成磁动势的幅值为单相磁动势幅值

52、的（幅值不变）。合成磁动势的幅值为单相磁动势幅值的3/2倍。倍。用转速表示用转速表示取波幅点：取波幅点：t=0和和t1时三相基波合成磁动势的位置时三相基波合成磁动势的位置三相绕组通对称正序电流：三相绕组通对称正序电流：定子绕组合成磁动势：定子绕组合成磁动势： 当当 时，时，A相电流达到最大相电流达到最大值，值， ，合成磁动势的，合成磁动势的幅值位于幅值位于 处，即在处，即在A相绕组轴线相绕组轴线处。处。相电流与磁动势幅值的关系相电流与磁动势幅值的关系A相绕组轴线B相绕组轴线C相绕组轴线 当当 时，时，B相电流达到最大值，相电流达到最大值， 合成磁动势的幅值位于合成磁动势的幅值位于 处，即在处，

53、即在B相绕组轴线处。相绕组轴线处。 当当 时，时，C相电流达到最大值，相电流达到最大值， ，合成磁动势的幅值位于合成磁动势的幅值位于 处，即在处，即在C相绕组轴线处。相绕组轴线处。 即即当某相电流达到交流最大当某相电流达到交流最大值时，基波合成旋转磁动势波的值时，基波合成旋转磁动势波的幅值与该相绕组的轴线重合幅值与该相绕组的轴线重合。A相绕组轴线B相绕组轴线C相绕组轴线二、三相合成磁动势中的高次谐波二、三相合成磁动势中的高次谐波1）当）当V=3k （k=1，2，3,.）三相三相V次谐波合成磁动势：次谐波合成磁动势：2）当当V=6k+1 （k=1，2，3，）时时6k+1次谐波转速次谐波转速： 为

54、抑制谐波磁动势，线圈的节距选择在（为抑制谐波磁动势，线圈的节距选择在（0.80.83）范围内。范围内。 在感应电机中，谐波磁场还会产生一定的寄生转矩，影响电在感应电机中，谐波磁场还会产生一定的寄生转矩，影响电机的起动性能，有时使电机根本不能起动或达不到正常转速。机的起动性能，有时使电机根本不能起动或达不到正常转速。 在同步电机中，谐波磁动势所产生的磁场在转子表面产在同步电机中，谐波磁动势所产生的磁场在转子表面产生涡流损耗，引起电机发热，并使电机的效率降低。生涡流损耗，引起电机发热，并使电机的效率降低。3）当）当V=6k-1，k=1，2，3，.时时6k-1次谐波转速次谐波转速：解解： 习题习题4

55、-24 已知三相、两极、已知三相、两极、50Hz的同步发电机，定子槽数的同步发电机，定子槽数Q48，每槽内有两根每槽内有两根导体，支路数导体，支路数a=1，y1=20，绕组为双层、星形联结，基波磁通量绕组为双层、星形联结，基波磁通量1l.11Wb，发发电机的容量为电机的容量为12000kW， ，额定电压（线电压）为额定电压（线电压）为6.3kV，星形联结。星形联结。试计算发电机通有额定电流时，一相和三相绕组所产生的基波磁动势幅值，一相和试计算发电机通有额定电流时，一相和三相绕组所产生的基波磁动势幅值，一相和三相绕组所产生的三相绕组所产生的3次、次、5次、次、7次空间谐波磁动势幅值、转速、转向。

56、次空间谐波磁动势幅值、转速、转向。三相基波磁动势幅值：三相基波磁动势幅值：一相基波磁动势幅值：一相基波磁动势幅值：基波绕组因数：基波绕组因数：单相谐波：单相谐波：三次谐波三次谐波V=3，7次谐波次谐波V=7，5次谐波次谐波V=5，基波同步转速：基波同步转速：正向旋转。正向旋转。V=7时，时，反向旋转。反向旋转。V=5时，时，V=3时，时，三相合成磁动势：三相合成磁动势：小结小结n n分析交流绕组的磁动势时，要注意磁动势的性质、大小和空间分分析交流绕组的磁动势时，要注意磁动势的性质、大小和空间分分析交流绕组的磁动势时，要注意磁动势的性质、大小和空间分分析交流绕组的磁动势时，要注意磁动势的性质、大

57、小和空间分布。单相绕组所产生的磁动势是脉振磁动势，三相绕组所产生的布。单相绕组所产生的磁动势是脉振磁动势，三相绕组所产生的布。单相绕组所产生的磁动势是脉振磁动势，三相绕组所产生的布。单相绕组所产生的磁动势是脉振磁动势，三相绕组所产生的磁动势则是旋转磁动势波。磁动势则是旋转磁动势波。磁动势则是旋转磁动势波。磁动势则是旋转磁动势波。n n所谓旋转磁动势波是指，磁动势波作为行波，以一定的速度在气所谓旋转磁动势波是指，磁动势波作为行波，以一定的速度在气所谓旋转磁动势波是指，磁动势波作为行波，以一定的速度在气所谓旋转磁动势波是指，磁动势波作为行波，以一定的速度在气隙内推移。隙内推移。隙内推移。隙内推移。

58、n n由于磁动势由电流产生，所以无论是脉振磁动势还是旋转磁动势由于磁动势由电流产生，所以无论是脉振磁动势还是旋转磁动势由于磁动势由电流产生，所以无论是脉振磁动势还是旋转磁动势由于磁动势由电流产生，所以无论是脉振磁动势还是旋转磁动势波，其幅值均与每极下的有效安匝数成正比，脉振或旋转的角频波，其幅值均与每极下的有效安匝数成正比，脉振或旋转的角频波，其幅值均与每极下的有效安匝数成正比，脉振或旋转的角频波，其幅值均与每极下的有效安匝数成正比，脉振或旋转的角频率则取决于电流的角频率。率则取决于电流的角频率。率则取决于电流的角频率。率则取决于电流的角频率。n n脉振磁动势和旋转磁动势波两者的关系为：脉振磁

59、动势和旋转磁动势波两者的关系为：脉振磁动势和旋转磁动势波两者的关系为：脉振磁动势和旋转磁动势波两者的关系为：n n一个正弦分布的脉振磁动势可以分为两个幅值相等、推移方向一个正弦分布的脉振磁动势可以分为两个幅值相等、推移方向一个正弦分布的脉振磁动势可以分为两个幅值相等、推移方向一个正弦分布的脉振磁动势可以分为两个幅值相等、推移方向相反的旋转磁动势波；相反的旋转磁动势波；相反的旋转磁动势波；相反的旋转磁动势波；n n对称三相绕组中通以对称的正序电流时，由三相的三个脉振磁对称三相绕组中通以对称的正序电流时，由三相的三个脉振磁对称三相绕组中通以对称的正序电流时，由三相的三个脉振磁对称三相绕组中通以对称

60、的正序电流时，由三相的三个脉振磁动势分解出来的三个反向旋转磁动势互相抵消，合成磁动势成为动势分解出来的三个反向旋转磁动势互相抵消，合成磁动势成为动势分解出来的三个反向旋转磁动势互相抵消，合成磁动势成为动势分解出来的三个反向旋转磁动势互相抵消，合成磁动势成为正向的旋转磁动势波。正向的旋转磁动势波。正向的旋转磁动势波。正向的旋转磁动势波。n n旋转磁动势波不但可以用机械方法拖动由直流励磁的主磁极来形旋转磁动势波不但可以用机械方法拖动由直流励磁的主磁极来形旋转磁动势波不但可以用机械方法拖动由直流励磁的主磁极来形旋转磁动势波不但可以用机械方法拖动由直流励磁的主磁极来形成，亦可以用电磁方法在多相绕组内通以多相交流电流来产生，成，亦可以用电磁方法在多相绕组内通以多相交流电流来产生，成，亦可以用电磁方法在多相绕组内通以多相交流电流来产生，成，亦可以用电磁方法在多相绕组内通以多相交流电流来产生，这是电机发展史中的一个突破，两相和三相感应电动机的发明就这是电机发展史中的一个突破，两相和三相感应电动机的发明就这是电机发展史中的一个突破，两相和三相感应电动机的发明就这是电机发展史中的一个突破，两相和三相感应电动机的发明就是在这一理论基础上实现的。是在这一理论基础上实现的。是在这一理论基础上实现的。是在这一理论基础上实现的。