电机第四章交流机一般部分

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1、第四章第四章 交流绕组及其电动势交流绕组及其电动势和磁动势和磁动势 本章讨论交流电机中共同的理论，研究交流绕组的联本章讨论交流电机中共同的理论，研究交流绕组的联结规律；交流绕组的感应电动势；感应电动势中的高次谐结规律；交流绕组的感应电动势；感应电动势中的高次谐波。交流绕组通过电流时所产生的磁势。波。交流绕组通过电流时所产生的磁势。14.1交流绕组的构成原则和分类交流绕组的构成原则和分类 绕组构成电机的电路部分，是电机的重要部件。交流绕组构成电机的电路部分，是电机的重要部件。交流绕组的构成原则基本相同，这些原则是：绕组的构成原则基本相同，这些原则是：l1、合成电动势和磁动势的波形要接近于正弦形，

2、且幅、合成电动势和磁动势的波形要接近于正弦形，且幅值要大；值要大；l2、对三相绕组，各相的电动势和磁动势要对称（大小、对三相绕组，各相的电动势和磁动势要对称（大小相等，相位相差相等，相位相差120电角度），电阻电抗要平衡；电角度），电阻电抗要平衡；l3、绕组的铜耗小，用铜量少；、绕组的铜耗小，用铜量少；l4、绕组绝缘要可靠，机械强度，散热条件要好，制造、绕组绝缘要可靠，机械强度，散热条件要好，制造方便。方便。2ACBYAZX 交流绕组从相数分有单相和多相绕组；从槽内层数分有交流绕组从相数分有单相和多相绕组；从槽内层数分有单层和双层绕组；按每极下槽数分可分为整数槽和分数槽单层和双层绕组；按每极下

3、槽数分可分为整数槽和分数槽绕组；按绕法分有叠绕组和波绕组。本章重点介绍三相双绕组；按绕法分有叠绕组和波绕组。本章重点介绍三相双层整数槽绕组。层整数槽绕组。34.2三相双层绕组三相双层绕组双层绕组是指每槽中放置上、下两个线圈边，双层绕组优双层绕组是指每槽中放置上、下两个线圈边，双层绕组优点：点：41、可以选择最有利的节距，并同时采用分布绕组，以改、可以选择最有利的节距，并同时采用分布绕组，以改善电动势和磁动势波形。善电动势和磁动势波形。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、所有线圈具有同样大的尺寸，便于制造。、所有线圈具有同样大的尺寸，便于

4、制造。5 Q总槽数总槽数 m相数相数 P极对数极对数一、槽电动势星型图和相带划分一、槽电动势星型图和相带划分1、电角度、电角度 在电机理论中需把机械角度化为电角度，在电机理论中需把机械角度化为电角度，电角度是机械角度乘以极对数电角度是机械角度乘以极对数P。1.名词名词2、每极每相槽数、每极每相槽数 6用槽数表示：用槽数表示：4、极距、极距3、槽距角、槽距角 （用电角度表示）（用电角度表示）用长度单位表示：用长度单位表示： D电枢圆周半径电枢圆周半径75、槽电动势星型图、槽电动势星型图槽中导体电势向量图。槽中导体电势向量图。8例：槽数例：槽数 Q=36 极数极数 2P=4 相数相数 m=3 则：

5、则： 每极下每相每极下每相占三个槽。占三个槽。96、相带、相带每极下每相所占区域称为相带。如图：每极下每相所占区域称为相带。如图：10叠绕组优点：短距时端部可以节省用铜量，缺点是最后几叠绕组优点：短距时端部可以节省用铜量，缺点是最后几圈线圈的嵌线比较困难，极间连线较长。叠绕组主要应用圈线圈的嵌线比较困难，极间连线较长。叠绕组主要应用于电压、电流不太大的中、小型交流电机定子绕组中于电压、电流不太大的中、小型交流电机定子绕组中。叠绕组：是指绕组嵌线时，相邻的两个串联线圈中，后一叠绕组：是指绕组嵌线时，相邻的两个串联线圈中，后一个线圈紧叠在前一个线圈上。个线圈紧叠在前一个线圈上。二、叠绕组二、叠绕组

6、叠绕组和波绕组线圈叠绕组和波绕组线圈11 在叠绕组中，每一个极相组内部的线圈是依次串联的，在叠绕组中，每一个极相组内部的线圈是依次串联的，不同磁极下的各个极相组之间按需要可以并联也可以串联，不同磁极下的各个极相组之间按需要可以并联也可以串联，对于双层绕组而言，相邻的极相组对于双层绕组而言，相邻的极相组A和极相组和极相组B应反向联应反向联接，即首接，即首首相连，尾首相连，尾尾相连。同时各极相组之间还可尾相连。同时各极相组之间还可并联，或串联后并联（依电机对支路数要求而定）双层叠并联，或串联后并联（依电机对支路数要求而定）双层叠绕组最多并联支路数等于绕组最多并联支路数等于2P。124.3正弦磁场下

7、交流绕组的感应电动正弦磁场下交流绕组的感应电动势势 在正弦交变磁场作用下，绕组中会感应交流电势。线在正弦交变磁场作用下，绕组中会感应交流电势。线圈又是由两个有效边和端接部分组成的圈又是由两个有效边和端接部分组成的,极相绕组又是由极相绕组又是由q个线圈串联而成的，相绕组是由极相绕组串并联而成的，个线圈串联而成的，相绕组是由极相绕组串并联而成的，所以分析相绕组电动势顺序是：所以分析相绕组电动势顺序是：导体的感应电动势导体的感应电动势线线圈的感应电动势圈的感应电动势极相组的感应电动势极相组的感应电动势相绕组的感相绕组的感应电动势。应电动势。13一、导体的感应电动势一、导体的感应电动势 图图4-7 气

8、隙磁场正弦分布时导体内的感应电动势气隙磁场正弦分布时导体内的感应电动势 a)两极交流发电机两极交流发电机 b)主极磁场在空间的分布主极磁场在空间的分布 c)导体中感应电动势波形导体中感应电动势波形141.电动势的波形电动势的波形.设主磁场在气隙中正弦分布：设主磁场在气隙中正弦分布：导体感应电势为：导体感应电势为： 导体的有效长度；导体的有效长度； 导体导体“切割切割”主极磁场速度主极磁场速度 导体感应电势有效值导体感应电势有效值15 在磁场正弦分布、主极转速恒定的情况下，定子导体在磁场正弦分布、主极转速恒定的情况下，定子导体中感应电动势随时间按正弦规律变化，如图中感应电动势随时间按正弦规律变化

9、，如图4-7c)所示。所示。2、正弦电动势频率、正弦电动势频率工业用标准为工业用标准为50Hz，所以转速和极对数乘积应为，所以转速和极对数乘积应为60f3000。当。当p=1时时 =3000转转/分，分，p=2时时 =1500转转/分，称分，称此转速为同步转速，此转速为同步转速，163、导体电动势有效值、导体电动势有效值代入上式：代入上式：17二、整距线圈的电动势二、整距线圈的电动势 整距线圈的节距整距线圈的节距 ，所以线圈的一个有效边在，所以线圈的一个有效边在N极下什么位置另一有效边就在极下什么位置另一有效边就在S极下的对应位置，两个极下的对应位置，两个有效边的电动势总是大小相等、方向相反的

10、，就一匝而言，有效边的电动势总是大小相等、方向相反的，就一匝而言，匝电动势匝电动势 应等于两有效边电动势应等于两有效边电动势 和和 之差。之差。所以单匝线圈电动势的有效值所以单匝线圈电动势的有效值 应为：应为：E1/E1/18若线圈有若线圈有 匝，则线圈电动势为：匝，则线圈电动势为：19三、短距线圈的电动势、节距因数三、短距线圈的电动势、节距因数当当 时，线圈为短距线圈，节距为时，线圈为短距线圈，节距为 ， 如图如图4-8c所示。如线圈为单匝所示。如线圈为单匝两根导体中的电动势在时间相位上相差两根导体中的电动势在时间相位上相差 角，则单匝线角，则单匝线圈的电动势应为：圈的电动势应为：E1/-E

11、1/E1/EC120由图可知，单匝短距线圈的电动势有效值为：由图可知，单匝短距线圈的电动势有效值为：称为线圈的基波节距因数。称为线圈的基波节距因数。若线圈为若线圈为 匝，则有效值为匝，则有效值为:21 四、分布绕组的电动势、分布因数和四、分布绕组的电动势、分布因数和绕组因数绕组因数 每极下属于同一相的线圈有每极下属于同一相的线圈有 个，个， 个线圈串联组个线圈串联组成一个相组，相串联的成一个相组，相串联的 个线圈的电动势有效值均相等个线圈的电动势有效值均相等且为且为 ，但各电动势之间互差，但各电动势之间互差 角（角（ 为槽距角），为槽距角），极相数的合成电动势极相数的合成电动势 应为这应为这q

12、 线圈电动势相量的相量线圈电动势相量的相量和，和，如图如图4-10所示。所示。O为线圈电动势相量所组成的正多边形外为线圈电动势相量所组成的正多边形外接圆的圆心，圆半径为接圆的圆心，圆半径为R。2223由图可见：由图可见：由图可知：由图可知：将将R代入上式：代入上式：是是q个线圈的合成电动势的代数和。个线圈的合成电动势的代数和。24 称为绕组的基波分布因数。称为绕组的基波分布因数。 所以极相组的电动势：所以极相组的电动势： 绕组的基波绕组因数绕组的基波绕组因数是既考虑短距，又考虑分布时，整个绕组合成电动势所是既考虑短距，又考虑分布时，整个绕组合成电动势所须打的折扣须打的折扣。25五、相电动势和线

13、电动势五、相电动势和线电动势 整个电机共有整个电机共有2p个极，这些极下属于同一相的极相组个极，这些极下属于同一相的极相组可以串联，也可以并联，视设计需要而定，组成一定的并可以串联，也可以并联，视设计需要而定，组成一定的并联支路。设一相绕组的总串联匝数为联支路。设一相绕组的总串联匝数为N，则一相的电动势，则一相的电动势 应为应为对于双层绕组：对于双层绕组：对于单层绕组：对于单层绕组：s每槽匝数每槽匝数264.4感应电动势中的高次谐波感应电动势中的高次谐波一、高次谐波感应电势一、高次谐波感应电势 实际电机气隙不一定是正弦分布，所以绕组中感应电实际电机气隙不一定是正弦分布，所以绕组中感应电势除基波

14、外还有一系列高次谐波感应电动势。势除基波外还有一系列高次谐波感应电动势。 与基波电与基波电动势相同分析，高次谐波感应电动势动势相同分析，高次谐波感应电动势其中：其中： v次谐波电动是的频率次谐波电动是的频率27则则:28 v次谐波磁场每极磁通量次谐波磁场每极磁通量29齿谐波电动势：齿谐波电动势： 由于电机内部齿槽的存在，使得气隙磁场分布发生改由于电机内部齿槽的存在，使得气隙磁场分布发生改变，感应出齿谐波电势。齿谐波特点是谐波绕组因数与基变，感应出齿谐波电势。齿谐波特点是谐波绕组因数与基波绕组因数相等。波绕组因数相等。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相电动势：相电动势：3

15、0线电动势：线电动势：星型接法时，线电势中不存在三及三的倍数次谐波电动势。星型接法时，线电势中不存在三及三的倍数次谐波电动势。三角形接法时，三次谐波电势会在闭合的三角形内部形成三角形接法时，三次谐波电势会在闭合的三角形内部形成环流环流31所以所以 完全消耗与环流在阻抗上引起的压降完全消耗与环流在阻抗上引起的压降 。所以线端也不会出现三次谐波电压，但三角形内部的三次所以线端也不会出现三次谐波电压，但三角形内部的三次谐波电流会引起杂散损耗，所以一般交流发电机采用谐波电流会引起杂散损耗，所以一般交流发电机采用Y接接法而不采用法而不采用 接法。接法。谐波的弊害：谐波的弊害：使发电机的电动势波形变坏，降

16、低供电质量，使发电机的电动势波形变坏，降低供电质量，影响电气设备的运行性能，电机本身杂散损耗增加，效率影响电气设备的运行性能，电机本身杂散损耗增加，效率下降，温升升高，电机噪音增加，同时还会产生无线电干下降，温升升高，电机噪音增加，同时还会产生无线电干扰扰32二、消弱谐波方法二、消弱谐波方法1、采用短距绕组、采用短距绕组取取 则可以消除则可以消除v次谐波，因为次谐波，因为 通常为同时消弱通常为同时消弱5、7次谐波取次谐波取消除消除7次谐波采用次谐波采用 如消除如消除5次谐波采用次谐波采用332、采用分布绕组、采用分布绕组 就分布绕组来说，每极每相槽数就分布绕组来说，每极每相槽数q越多抑制谐波电

17、动势越多抑制谐波电动势的效果越好，但的效果越好，但q越多，电机成本将提高，一般越多，电机成本将提高，一般3、改善主磁场分布、改善主磁场分布合理选择极靴外形，使气隙磁场接近于正弦。合理选择极靴外形，使气隙磁场接近于正弦。4、采用斜槽、采用斜槽消弱齿谐波。一般沿电机轴向斜过一个齿距。消弱齿谐波。一般沿电机轴向斜过一个齿距。344.5通过正弦电流时单相绕组的磁通过正弦电流时单相绕组的磁动势动势为简化分析，假设：为简化分析，假设：定、转子铁芯的磁导率定、转子铁芯的磁导率 。忽略铁芯中磁压降。忽略铁芯中磁压降。定、转子之间的气隙均匀。定、转子之间的气隙均匀。槽内电抗集中于槽中心处，槽开口的影响忽略不计。

18、槽内电抗集中于槽中心处，槽开口的影响忽略不计。分析顺序：整距线圈的磁动势分析顺序：整距线圈的磁动势 分布绕组的磁动分布绕组的磁动势势 相绕组磁动势。相绕组磁动势。35一、整距线圈的磁动势一、整距线圈的磁动势 利用安培环路定律，忽略铁芯部分磁压降，则线圈磁利用安培环路定律，忽略铁芯部分磁压降，则线圈磁动势动势 将全部消耗在两个气隙内。若气隙均匀，则气隙各将全部消耗在两个气隙内。若气隙均匀，则气隙各处磁场势均为。处磁场势均为。 图图4-17 一个整距线圈的磁动势一个整距线圈的磁动势 a)整距线圈所产生的磁场整距线圈所产生的磁场 b)整距线圈的磁动势整距线圈的磁动势36磁动势为周期性矩形波，幅值为磁

19、动势为周期性矩形波，幅值为将周期性矩形波进行分解，得其基波分量将周期性矩形波进行分解，得其基波分量37 图图4-18 两组整距线圈形成的四极线圈两组整距线圈形成的四极线圈 a)磁场分布磁场分布 b)磁动势分布磁动势分布38二、分布绕组的磁动势二、分布绕组的磁动势1、整距分布绕组的磁动势、整距分布绕组的磁动势合成电动势是一个阶梯波分布的磁动势。合成电动势是一个阶梯波分布的磁动势。39 阶梯波可以分解为正弦基波与一系列谐波的和，三阶梯波可以分解为正弦基波与一系列谐波的和，三个整距线圈的基波磁动势，其幅值大小相等，空间互差个整距线圈的基波磁动势，其幅值大小相等，空间互差 电角度，三个基波磁动势逐点相

20、加，即为合成磁势的基电角度，三个基波磁动势逐点相加，即为合成磁势的基波分量。波分量。 q 个基波磁动势相加，由于基波磁动势按正弦个基波磁动势相加，由于基波磁动势按正弦规律分布，所以规律分布，所以q个基波磁动势之和，也就是互差个基波磁动势之和，也就是互差 电角电角度的度的q个矢量之和与基波电动势合成相似。个矢量之和与基波电动势合成相似。考虑到参数考虑到参数N（每相串联匝数）（每相串联匝数）402、短距分布绕组的磁动势、短距分布绕组的磁动势所以双层短距分布绕组的基波磁动势所以双层短距分布绕组的基波磁动势 为为 基波磁动势的绕组因数基波磁动势的绕组因数41三、单相绕组的磁动势三、单相绕组的磁动势1、

21、单相绕组的基波磁动势、单相绕组的基波磁动势:一相绕组的磁动势等于一个极相组的磁动势。一相绕组的磁动势等于一个极相组的磁动势。坐标原点位于每相绕组的轴线上。坐标原点位于每相绕组的轴线上。则单相绕组基波磁动势可写成：则单相绕组基波磁动势可写成：42 单相绕组基波磁动势的幅值。单相绕组基波磁动势的幅值。 这种从空间看轴线固定不动，从时间上看其瞬时值这种从空间看轴线固定不动，从时间上看其瞬时值不断随时间在正、负幅值之间脉振的磁动势，称为不断随时间在正、负幅值之间脉振的磁动势，称为脉振脉振磁动势磁动势磁动势的脉振频率决定于电流的频率。磁动势的脉振频率决定于电流的频率。43不同瞬间单相绕组的基波脉振磁动势

22、波。不同瞬间单相绕组的基波脉振磁动势波。 图图 4-21 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442、单相绕组的谐波磁势、单相绕组的谐波磁势 除正弦基波外，阶梯波磁势分解结果还有一系列谐波除正弦基波外，阶梯波磁势分解结果还有一系列谐波磁动势存在，谐波磁动势表达式：磁动势存在，谐波磁动势表达式： 谐波磁动势从空间上看，是一个按谐波磁动势从空间上看，是一个按v次谐波分布，随时次谐波分布，随时间按间按t的余弦规律脉振的脉振磁势。的余弦规律脉振的脉振磁势。454.6三相对称绕组通对称电流时磁三相对称绕组通对称电流时磁动势动势一、三相绕组的基波合成磁动势一、三相绕组的基波合成磁动

23、势 三相对称绕组是指三相绕组结构相同，空间互差三相对称绕组是指三相绕组结构相同，空间互差120电角度的三相绕组。电角度的三相绕组。 则：则：同时，由于三相绕组通对称电流：同时，由于三相绕组通对称电流：46三相绕组的基波合成磁动势三相绕组的基波合成磁动势其中：其中：47三相绕组产生的基波合成磁动势幅值大小不变，但随时间，三相绕组产生的基波合成磁动势幅值大小不变，但随时间，幅值位置总在幅值位置总在 处，即处，即t移过多少度，磁势即在空移过多少度，磁势即在空间移过多少度，磁势是空间正弦分布的，幅值大小不变得间移过多少度，磁势是空间正弦分布的，幅值大小不变得旋转磁势，旋转磁势，图图4-23 t=0和和

24、 t=t1基波合成基波合成 图图4-24 旋转磁动势旋转磁动势481、旋转磁势的转速、旋转磁势的转速 由于旋转磁势幅值总出现在由于旋转磁势幅值总出现在 处，所以随处，所以随着时间的推移着时间的推移 变化，旋转磁势旋转的角速度：变化，旋转磁势旋转的角速度： 磁势旋转的角速度与交流电流变化的角速度相等，磁势旋转的角速度与交流电流变化的角速度相等，所以旋转磁场转速：所以旋转磁场转速：492、旋转磁势幅值所在位置、旋转磁势幅值所在位置 哪相绕组电流最大，磁势幅值就与该相绕组的轴线重合。哪相绕组电流最大，磁势幅值就与该相绕组的轴线重合。3、基波旋转磁势的转向、基波旋转磁势的转向 基波旋转磁势转向决定于电

25、流相序。基波旋转磁势转向决定于电流相序。50结论：结论： 对称三相绕组中，通过对称三相正序电流时，基波对称三相绕组中，通过对称三相正序电流时，基波合成磁动势是一个空间正弦分布，以同步速度向前推移合成磁动势是一个空间正弦分布，以同步速度向前推移地正向恒幅旋转磁动势，称其为地正向恒幅旋转磁动势，称其为圆形旋转磁势。圆形旋转磁势。若通负若通负序电流，则基波合成磁势为一反相推移的旋转磁动势序电流，则基波合成磁势为一反相推移的旋转磁动势.51 除基波旋转磁势外，三项绕组还会产生一系列谐波磁除基波旋转磁势外，三项绕组还会产生一系列谐波磁动势经分析可知，谐波中无三及三的倍数次谐波合成磁动动势经分析可知，谐波中无三及三的倍数次谐波合成磁动势，而存在势，而存在v=6k1次谐波，其中次谐波，其中v=6k1次谐波磁动势与次谐波磁动势与基波旋转磁动势相同，转速为基波旋转磁动势相同，转速为 ；v=6k-1次谐波磁次谐波磁动势与基波磁动势转向相反，转速为动势与基波磁动势转向相反，转速为 。谐波磁动势。谐波磁动势的存在会对电机引起一系列不利影响，应设法消除的存在会对电机引起一系列不利影响，应设法消除5253