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1、第5章 交流电机的绕组和电动势 5.1 交流电机的基本工作原理，交流电机的基本工作原理，对交流绕组的基本要求对交流绕组的基本要求交流电机的种类交流电机的种类绕线转子异步电机绕线转子异步电机同步电机同步电机异步电机异步电机凸极同步电机凸极同步电机笼型异步电机笼型异步电机隐极同步电机隐极同步电机可可以以作作为为发发电电机机，也也可可以以作作为电动机。为电动机。交流电机交流电机w同步电机和异步电机运行原理不同。同步电机和异步电机运行原理不同。w但但是是两两者者在在定定子子结结构构、定定子子绕绕组组以以及及绕绕组组感感应应电电动动势势和和绕绕组组产产生生磁磁动动势势等等方方面面有有很很多多共共同同的的
2、地地方方，将将这这些些作作为为共共同同问问题来一起进行研究。题来一起进行研究。同步电机的基本工作原理同步电机的基本工作原理w原原动动机机拖拖动动转转子旋转。子旋转。w励励磁磁绕绕组组中中通通入直流电。入直流电。w导导体体切切割割磁磁感感应应线线，产产生生感感应电动势。应电动势。同步电机的基本工作原理同步电机的基本工作原理l导体感应电动势导体感应电动势与与导导体体所所在在处处的的气气隙隙磁磁通通密密度度、长长度度和和相相对对运运动动速速度度有有关。关。同步电机的基本工作原理同步电机的基本工作原理l感感应应电电动动势势的的方向方向用右手定则判断；用右手定则判断；图图中中所所示示时时刻刻电电动动势的
3、方向为出纸面。势的方向为出纸面。同步电机的基本工作原理同步电机的基本工作原理转转子子转转过过一一周周，定定子子导导体体感感应应电电动动势势正正负负交交变变一一个周期。个周期。带带上上负负载载则则可可以以输出电能。输出电能。同步电机的基本工作原理同步电机的基本工作原理转速转速n1的单位为的单位为r/min。对对于于p对对极极的的电电机机而而言言，转转子子每每转转过过一一周周，定定子子导导体体感感应应电电动动势势正正负交变负交变p个周期。个周期。同步电机的基本工作原理同步电机的基本工作原理l同同步步电电动动机机的的基本原理基本原理定定子子通通电电形形成成旋旋转转磁磁场场，等等效效为为旋转的磁极。旋
4、转的磁极。同步电机的基本工作原理同步电机的基本工作原理w极极对对数数p一一定定时时，定定子子导导体体感感应应电电动动势势的的频频率率f 与与转转子子转转速速n1有有严严格格的的关关系系，称称为为同步关系。转子转速同步关系。转子转速n1称为同步转速。称为同步转速。w这种电机称为同步电机。这种电机称为同步电机。异步电机的工作原理异步电机的工作原理l笼型异步电机笼型异步电机异步电机的工作原理异步电机的工作原理转子转速转子转速n是否会等于定子磁场的转速是否会等于定子磁场的转速n1 ？不不会会，否否则则无无法法感感应应电电动动势势，不不会会有有电电流流，不会产生转矩。不会产生转矩。因因为为转转子子转转速
5、速n与与定定子子磁磁场场转转速速n1之之间间没没有有严格的同步关系，所以称为异步电机。严格的同步关系，所以称为异步电机。交流绕组交流绕组由由交交流流电电机机的的工工作作原原理理可可见见，交交流流绕绕组组是电机进行能量转换的关键部件。是电机进行能量转换的关键部件。w产生感应电动势；产生感应电动势；w产生磁动势。产生磁动势。对交流绕组的要求对交流绕组的要求w导导体体数数一一定定情情况况下下，能能产产生生较较大大的的基基波波电电动势和磁动势；动势和磁动势；w三相绕组感应电动势对称；三相绕组感应电动势对称；w三相绕组阻抗相等；三相绕组阻抗相等；w电动势和磁动势的波形尽可能接近正弦；电动势和磁动势的波形
6、尽可能接近正弦；w较好的散热，一定的绝缘强度；较好的散热，一定的绝缘强度；w工艺简单、维护方便。工艺简单、维护方便。交流绕组的电动势和磁动势交流绕组的电动势和磁动势w研研究究交交流流绕绕组组的的感感应应电电动动势势和和产产生生磁磁动动势势的问题。的问题。w同步电机、异步电机都存在这些共同问题。同步电机、异步电机都存在这些共同问题。w先先研研究究绕绕组组和和电电动动势势问问题题，以以同同步步发发电电机机为对象。为对象。交流绕组的电动势交流绕组的电动势 交交流流电电机机的的绕绕组组是是由由放放置置在在铁铁心心槽槽中中的的导导体通过一定的方式联结而成的。体通过一定的方式联结而成的。导体导体线匝线匝线
7、圈线圈线圈组线圈组相绕组相绕组由简单到复杂由简单到复杂交流绕组的构成交流绕组的构成交流绕组的电动势交流绕组的电动势l绕组联结的原则绕组联结的原则w尽尽量量充充分分利利用用导导体体（产产生生的的感感应应电电动动势势尽可能大尽可能大）。）。w电动势质量好。电动势质量好。波形接近正弦波形接近正弦三相对称三相对称w节省材料。节省材料。5.2 三相单层集中整距绕组三相单层集中整距绕组及其电动势及其电动势 导体感应电动势导体感应电动势与与导导体体所所在在处处的的气气隙隙磁磁通通密密度度b 、导导体体长长度度 l 和和相对运动速度相对运动速度 v 有关。有关。对对于于确确定定的的电电机机而而言言，长长度度和
8、和转转速速都都是是确确定定的的，所以着重分析气隙磁通密度。所以着重分析气隙磁通密度。导体感应电动势导体感应电动势l为为方便进行数学描述，建立直角坐标系方便进行数学描述，建立直角坐标系w在转子表面；在转子表面；w原点、横坐标、纵坐标。原点、横坐标、纵坐标。l规定物理量的参考方向规定物理量的参考方向w气气隙隙磁磁通通由由转转子子进进入入定定子子方方向向为为正正，相相应应的磁通密度也为正；的磁通密度也为正；w电动势以出纸面方向为正。电动势以出纸面方向为正。导体感应电动势导体感应电动势l励励磁磁磁磁动动势势FfNf If 产产生生气气隙隙磁磁场场，用用气气隙磁通密度隙磁通密度 b 表示。表示。导体感应
9、电动势导体感应电动势l谐波分析谐波分析w应用叠加定理；应用叠加定理；w由由磁磁通通密密度度波波形形的的特特点点，可可知知傅傅里里叶叶级级数数分分解解后后，只只含含有有奇奇数数次次的的正弦项。正弦项。气隙磁通密度的空间分布为平顶波。气隙磁通密度的空间分布为平顶波。导体感应电动势导体感应电动势l气隙磁通密度可以表示为气隙磁通密度可以表示为l分别研究各次磁通密度的作用，再综合。分别研究各次磁通密度的作用，再综合。l可可以以看看成成是是导导体体以以角角速速度度 向向着着与与转转子子转转向向相反的方向运动，相反的方向运动，导体的基波感应电动势导体的基波感应电动势t0时，时， t 时刻，时刻，211mEE
10、 =为基波感应电动势的有效值。lvBEmm11=为导体A基波感应电动势的最大值。导体的基波感应电动势导体的基波感应电动势l习惯上采用每极磁通量来计算电动势习惯上采用每极磁通量来计算电动势1 为气隙基波每极磁通量；为气隙基波每极磁通量； p 为极距。为极距。导体的基波感应电动势导体的基波感应电动势电角度与机械角度电角度与机械角度w转转子子转转过过一一对对极极，定定子子感感应应电电动动势势就就交交变变一一次次，即即经经过过360 。电角度与机械角度电角度与机械角度w在在电电机机学学中中，将将一一对对极极在在空空间间上上占占据据的的机机械械角角度度定定义义为为360，称称为为空空间间电电角角度度，用
11、用 表示。表示。w原原来来的的空空间间一一周周对对应应的的360 ，称称为为空空间间机机械角度，用械角度，用 表示。表示。w空间电角度与空间机械角度之间的关系空间电角度与空间机械角度之间的关系结论结论w空空间间上上正正弦弦分分布布的的磁磁通通密密度度波波，通通过过转转子子旋转产生了旋转产生了时间时间上正弦变化的电动势。上正弦变化的电动势。w转转子子在在一一段段时时间间内内转转过过的的空空间间电电角角度度和和电电动动势势在在时时间间上上经经过过的的角角度度相相等等，即即转转子子在在空空间间上上转转过过多多少少电电角角度度，电电动动势势就就在在时时间间上经过了多少电角度。上经过了多少电角度。导体的
12、基波感应电动势导体的基波感应电动势l与与导导体体A相相距距一一个个角角度度的的导导体体B的的感感应应电电动势动势t 时刻，时刻，eB1与与eA1的有效值相同，但相位不同。的有效值相同，但相位不同。导体的基波感应电动势导体的基波感应电动势结论结论w导导体体B 与与导导体体A 在在空空间间上上相相差差 电电角角度度，它它们的感应电动势在时间上也相差们的感应电动势在时间上也相差 电角度。电角度。w顺顺着着转转子子转转动动的的方方向向看看，空空间间上上超超前前，则则感感应电动势在时间上滞后。应电动势在时间上滞后。导体的谐波感应电动势导体的谐波感应电动势l同理也可以得到同理也可以得到5次、次、7次等各次
13、谐波电动势次等各次谐波电动势整距线匝的感应电动势整距线匝的感应电动势线匝线匝应应将将哪哪两两个个导导体体联联结结起起来来，构构成成一一个个整距线匝？整距线匝？整距线匝的感应电动势整距线匝的感应电动势w要要使使线线匝匝的的感感应应电电动动势势最最大大，应应选选节节距距等等于一个极距的两根导体联结成线匝。于一个极距的两根导体联结成线匝。w节距等于一个极距，称为整距。节距等于一个极距，称为整距。w节节距距可可以以不不等等于于一一个个极极距距，可可以以形形成成短短距距或者长距。或者长距。整距线匝的感应电动势整距线匝的感应电动势整距线匝的基波感应电动势有效值为整距线匝的基波感应电动势有效值为整距线圈的感
14、应电动势整距线圈的感应电动势w多个同样的线匝构成线圈。多个同样的线匝构成线圈。w整整距距线线圈圈就就是是多多匝匝的的整整距距线线匝，各线匝之间相互匝，各线匝之间相互绝缘绝缘。线线圈圈的的匝匝数数为为Nk（即即Nk个线匝串联）。个线匝串联）。整整距距线线圈圈的的基基波波感感应应电电动动势势有效值为有效值为三相单层集中整距绕组三相单层集中整距绕组l沿沿着着转转子子转转动动的的方方向向看看，空空间间上上超超前前，则则感感应应电电动动势势在在时时间间上上滞后。滞后。w三相对称的交流电动势三相对称的交流电动势三相有效值相同；三相有效值相同；A相相电电动动势势超超前前B相相120电电角角度度，B相相超超前
15、前C相相120电电角角度。度。三相单层集中整距绕组三相单层集中整距绕组三相单层集中整距绕组三相单层集中整距绕组l三相绕组可以联结成星形或者三角形三相绕组可以联结成星形或者三角形三相单层集中整距绕组三相单层集中整距绕组w星星形形联联结结时时，线线电电动动势势中中不不含含有有3次次或或3的的倍数次谐波电动势。倍数次谐波电动势。3次谐波电动势次谐波电动势三相单层集中整距绕组三相单层集中整距绕组w三三角角形形联联结结时时，线线电电动动势势中中不不含含有有3次次或或3的的倍倍数数次次谐谐波波电电动动势势，但但有有循循环环电电流流，产产生损耗。生损耗。三相单层集中整距绕组三相单层集中整距绕组w三相单层集中
16、整距绕组，非常简单。三相单层集中整距绕组，非常简单。w绕组集中，发热集中，散热困难。绕组集中，发热集中，散热困难。w铁铁心心表表面面有有很很多多空空间间没没有有利利用用，不不经经济。济。w电动势的波形不好。电动势的波形不好。5.3 三相单层分布绕组及其电动势三相单层分布绕组及其电动势 w为为充充分分利利用用空空间间，沿沿圆周均布多根导体。圆周均布多根导体。w如如何何将将这这些些导导体体联联结结成三相绕组？成三相绕组？电动势尽可能大电动势尽可能大三相对称三相对称以以p2，定定子子上上均均匀匀分分布布24槽为例进行说明。槽为例进行说明。（定子槽数（定子槽数Q24）三相单层分布绕组三相单层分布绕组l
17、电动势星形相量图电动势星形相量图w槽槽距距角角 相相邻邻两两个个槽槽之之间间相相距距的的空间电角度。空间电角度。三相单层分布绕组三相单层分布绕组l分相分相相相带带每每极极下下每每相占有的区域相占有的区域。60相带相带l每极每相槽数每极每相槽数qm为相数为相数三相单层分布绕组三相单层分布绕组l绕组展开图绕组展开图三相单层分布绕组三相单层分布绕组l绕组展开图绕组展开图w相绕组的联结（并联支路数）。相绕组的联结（并联支路数）。w最大并联支路数最大并联支路数ap。w根根据据分分相相的的结结果果对对线线圈圈边边进进行行联联结结，形形成成线圈组。线圈组。w每一对极下形成一个线圈组，共每一对极下形成一个线圈
18、组，共p个线圈组。个线圈组。三相单层分布绕组三相单层分布绕组l整距分布线圈组电动势的计算整距分布线圈组电动势的计算三相单层分布绕组三相单层分布绕组l整距分布线圈组电动势的计算整距分布线圈组电动势的计算kd1称为基波分布因数。称为基波分布因数。三相单层分布绕组三相单层分布绕组w在在线线圈圈集集中中在在一一起起时时的的电电动动势势基基础础上上乘乘上上基基波波分布因数分布因数kd1 。w也也可可看看成成线线圈圈仍仍集集中中在在一一起起，但但有有效效匝匝数数减减小小为为qNkkd1。w对于对于 次次谐波，谐波，三相单层分布绕组三相单层分布绕组l整距分布相绕组电动势的计算整距分布相绕组电动势的计算每相每
19、支路串联匝数每相每支路串联匝数线圈组线圈组相绕组相绕组线圈线圈基波基波三相单层分布绕组三相单层分布绕组l谐波电动势谐波电动势线圈组线圈组相绕组相绕组三相单层分布绕组的特点三相单层分布绕组的特点w线圈数（槽数线圈数（槽数 Q 的一半）的一半）w最大并联支路数（极对数最大并联支路数（极对数p）w每相每支路串联匝数每相每支路串联匝数三相单层分布绕组三相单层分布绕组l优点优点w有效利用铁心表面空间；有效利用铁心表面空间；w可以削弱绕组的谐波电动势；可以削弱绕组的谐波电动势；w每个槽内只有一个线圈边，嵌线方便；每个槽内只有一个线圈边，嵌线方便；w便于散热。便于散热。10kW以下的三相异步电动机采用。以下
20、的三相异步电动机采用。l缺点缺点w单单层层分分布布绕绕组组不不能能任任意意短短距距，无无法法利利用用短短距距进进一步削弱谐波电动势，改善电动势的波形。一步削弱谐波电动势，改善电动势的波形。5.4 三相双层分布短距绕组三相双层分布短距绕组及其电动势及其电动势 w为为了了进进一一步步削削弱弱谐谐波波电电动动势势，使使电电动动势势波波形接近正弦。形接近正弦。w采采用用双双层层分分布布短短距距绕绕组组，利利用用短短距距来来进进一一步改善电动势波形。步改善电动势波形。三相双层分布短距绕组三相双层分布短距绕组w双双层层绕绕组组是是在在每每个个槽槽中中放放置置两两个个线线圈圈边边，线线圈圈的的一一个个边边在
21、在一一个个槽槽的的上上层层，另另一一边边则则在在另另外外一一个槽的下层。个槽的下层。w各线圈的构成相同。各线圈的构成相同。w节节距距不不受受限限制制，可可取取为需要的值。为需要的值。三相双层分布短距绕组三相双层分布短距绕组l双层叠绕组双层叠绕组短距线圈的感应电动势短距线圈的感应电动势l线圈线圈节距节距 y1yy为短距比，是线圈节距与极距之比。为短距比，是线圈节距与极距之比。短距线圈的感应电动势短距线圈的感应电动势l基波感应电动势基波感应电动势为基波节距因数。为基波节距因数。短距线圈的感应电动势短距线圈的感应电动势w短短距距时时，基基波波短短距距因因数数 kp1 总总小小于于1，所所以以短短距距
22、使使线线圈圈的的基基波波电电动动势势减减小小，在在整整距距线线圈圈电电动动势势的基础上乘上的基础上乘上kp1 。w也也可可以以理理解解为为线线圈圈仍仍为为整整距距，但但是是其其匝匝数数不不是是Nk ，而是，而是Nkkp1 。l谐波感应电动势谐波感应电动势为为 次谐波节距因数。次谐波节距因数。三相双层分布短距绕组三相双层分布短距绕组l如如何何来来联联结结导导体体，形形成成三三相相双双层层分布短距绕组分布短距绕组以以极极对对数数为为2、定定子子上上均均匀匀分分布布36槽槽为例进行说明。为例进行说明。三相双层分布短距绕组三相双层分布短距绕组l电动势星形相量图电动势星形相量图w槽距角槽距角p2，Q36
23、w每极每相槽数每极每相槽数三相双层分布短距绕组三相双层分布短距绕组l电动势星形相量图电动势星形相量图w每每个个相相量量表表示示的的是是每每个个线圈线圈的电动势相量。的电动势相量。w线圈数等于槽数。线圈数等于槽数。l分相分相将线圈划分给三相。将线圈划分给三相。60 相带法相带法120 相带法相带法三相双层分布短距绕组三相双层分布短距绕组l节距的选择节距的选择w短短1/3节节距距，可可以以完完全消除全消除3次谐波；次谐波；w需需要要削削弱弱的的主主要要是是5、7次谐波电动势；次谐波电动势；w短短1/5节节距距，可可以以完完全消除全消除5次谐波。次谐波。w选选择择短短距距比比y5/6左左右。右。三相
24、双层分布短距绕组三相双层分布短距绕组l绕组展开图绕组展开图（节距（节距 y17）w每相在每极下有一个线圈组每相在每极下有一个线圈组极相组。极相组。w极相组数极相组数2p。最大并联支路数。最大并联支路数2p。三相双层分布短距绕组三相双层分布短距绕组l基波感应电动势基波感应电动势w极相组的感应电动势极相组的感应电动势w短距线圈的感应电动势短距线圈的感应电动势w相绕组的感应电动势相绕组的感应电动势为每相串联匝数；为每相串联匝数；为基波绕组因数。为基波绕组因数。三相双层分布短距绕组三相双层分布短距绕组l谐波感应电动势谐波感应电动势w极相组的感应电动势极相组的感应电动势w短距线圈的感应电动势短距线圈的感应电动势为为 次谐波节距因数。次谐波节距因数。三相双层分布短距绕组三相双层分布短距绕组l谐波感应电动势谐波感应电动势w相绕组的感应电动势相绕组的感应电动势为每相串联匝数；为每相串联匝数；为为 次谐波绕组因数。次谐波绕组因数。削弱谐波电动势的主要方法削弱谐波电动势的主要方法w采用短距绕组采用短距绕组w采用分布绕组采用分布绕组w三相绕组的联结三相绕组的联结w合合理理设设计计磁磁极极形形状状或或励励磁磁绕绕组组的的分布，使气隙磁场接近正弦。分布，使气隙磁场接近正弦。
