交流電機繞組及其感應電動勢

1、交流繞組 交流繞組的基本概念 繞組：按一定規(guī)律排列和連接的線圈的總稱 要求磁勢和電勢的波形為正弦波形磁勢和電勢的波形為正弦波形； 要求磁勢和電勢三相對稱，三相電壓對稱三相電壓對稱； 電力系統(tǒng)都有統(tǒng)一的標準頻率有統(tǒng)一的標準頻率，我國規(guī)定工業(yè)標準 頻率為50Hz。 在一定的導體數(shù)下，獲得較大的基波電勢和基波磁 勢。 交流繞組 交流繞組 電角度電角度 磁場每轉(zhuǎn)過一對磁極，電勢變化一個周期，稱為 （一個周期）360電角度。在電機中一對磁極所對一對磁極所對 應的角度定義為應的角度定義為360360電角度電角度。（幾何上，把一圓周 所對應的角度定義為360機械角度。） 磁極對數(shù)為p 圓周機械角度為360

2、電角度為 p*360 交流繞組 相帶相帶 為了三相繞組對稱，在每個極面下每相繞組應占有相等的在每個極面下每相繞組應占有相等的 范圍范圍相帶相帶。 每個極對應于180電角度，如電機有m相，則每個相帶占 有(180/m)電角度。三相電機m3，其相帶為60，按60 相帶排列的繞組稱為60相帶繞組。 把每對極每對極所對應的定子槽等分為六個等分。依次稱為a、 c、b、a、c、b相帶，各相繞組放在各自的相帶范圍 內(nèi) 交流繞組 每極每相槽數(shù)q 每個極面下每相占有的槽數(shù)每個極面下每相占有的槽數(shù)。已知總槽數(shù)Z、極對數(shù)p 和相數(shù)m為，則 q1分布繞組 整數(shù)槽繞組q為整數(shù) 分數(shù)槽繞組q為分數(shù) 槽距角 相鄰兩槽之間的

3、相鄰兩槽之間的電角度電角度 pm Z q 2 Z p 360* 交流繞組 p D 2 極距極距 相鄰兩磁極對應位置兩點之間的圓周距離相鄰兩磁極對應位置兩點之間的圓周距離 幾何尺寸每極所對應的定子內(nèi)圓弧長 D為定子內(nèi)圓直徑。 槽數(shù)表示極距： 即基波磁場每極所對應的槽數(shù) p Z 2 交流繞組 交流繞組 節(jié)距 y (跨距) 表示元件的寬度。元件放在槽內(nèi)，其寬度可用元件兩用元件兩 邊所跨越的槽數(shù)表示邊所跨越的槽數(shù)表示。 交流繞組 分析工具：槽導體電勢星形圖 把電樞上各槽內(nèi)導體按正弦規(guī)律變化的電勢分別用矢量 表示，構(gòu)成一輻射星形圖 相距360度電角 度，導體電勢 時間上同相位 交流繞組 三相單層繞組 單

4、層每槽中只放置一層元件邊，元件數(shù)等于槽數(shù)的一 半，無需層間絕緣，結(jié)構(gòu)和嵌線較簡單 單層繞組只適用于10kW以下的小型異步電動機，其極對數(shù) 通常是pl,2,3,4 單層繞組通常有鏈式、交叉式和同心式等三種不同排列方 式 單層繞組的構(gòu)造方法和步驟 分極分相分極分相: 將總槽數(shù)按給定的極數(shù)均勻分開（N,S極相鄰分布）并 標記假設的感應電勢方向。 將每個極的槽數(shù)按三相均勻分開。三相在空間錯開120 電角度。 交流繞組 連線圈和線圈組：連線圈和線圈組： 將一對極域內(nèi)屬于同一相的某兩個圈邊連成一個線圈 （共有q個線圈，為什么？） 將一對極域內(nèi)屬于同一相的q個線圈連成一個線圈組 （共有多少個線圈組？） 以上

5、連接應符合電勢相加原則 連相繞組：連相繞組： 將屬于同一相的p個線圈組連成一相繞組，并標記首尾端。 串聯(lián)與并聯(lián)，電勢相加原則。 連三相繞組：連三相繞組： 將三個構(gòu)造好的單相繞組連成完整的三相繞組 接法或者Y接法。 交流繞組 例如：相數(shù)m3，極數(shù)2p4，槽數(shù)Z24 每極每相槽數(shù)q2，槽距角=30，極距=Z/2p=24/4=6 相 帶 極 對 acbacb 第一對極 1,23,45,67,89,10 11,12 第二對極 13,14 15,16 17,18 19,20 21,22 23,24 交流繞組 交流繞組 交流繞組 一、鏈式繞組 鏈式繞組適用于q=2，p1的小型異步電機。例如m3， p2，Z

6、=24，q2，a=30 65y 交流繞組 鏈式繞組的每個元件都是短距。從相電勢和磁勢角 度看具有整距性質(zhì) 交流繞組 二、交叉式繞組 交叉式繞組適用于q3的小型異步電機 例如：m3，p=2，q3。 定子槽數(shù)Z=2mpq=2*3*2*336 槽距角a=p*360/Z=20 交流繞組 交流繞組 三、同心式繞組 對于pl的小型三相異步電動機和單相異步電動機，每 極每相槽數(shù)q較大，采用同心式繞組嵌線 例如：m3，p=1，q4。則定子槽數(shù)Z=2mpq2*3*l*4 24，槽距角a15 相 帶 極 對 acbacb 第一對極23,24,1,23,4,5,67,8,9,1011,12,13,14 15,16,

7、17,18 19,20,21,22 交流繞組 交流繞組 交流繞組 小結(jié)：三相小結(jié)：三相單層繞組單層繞組 在外形上有多種繞組型式：元件節(jié)距可以整距、短矩或長 短，合理選用繞組型式，可以節(jié)省銅線，簡化工藝。 分析相電勢分析相電勢：采用槽電勢星形圖。繞組型式不同只不過是 元件構(gòu)成方式不同、導體連接先后次序不同，而構(gòu)成繞組 的導體所占的槽號是相同的，都在屬兩個相差180電角 度的相帶內(nèi)，三相單層繞組的節(jié)距因數(shù)均為三相單層繞組的節(jié)距因數(shù)均為1 1，具有整距，具有整距 繞組性質(zhì)繞組性質(zhì) 優(yōu)點：繞組因數(shù)中只有分布因數(shù)，基波繞組因數(shù)較高，無 層間絕緣，槽利用率高 缺點：對削弱高次諧波不利，無法改善電勢波形和磁

8、勢波 形，漏電抗較大 使用：一般用于10kW以下小功率電機。（功率較大或?qū)Σ?形要求較高的電機，通常采用雙層繞組。） 交流繞組 三相雙層繞組 雙層每槽中有兩個元件邊，分為上下兩層放置。靠近 槽口的為上層，靠近槽底部為下層。每個元件均有一個邊放每個元件均有一個邊放 在上層，一個邊放在另一槽的下層在上層，一個邊放在另一槽的下層，相隔距離取決于節(jié)距。 元件的總數(shù)等于槽數(shù)，每相元件數(shù)即為槽數(shù)的三分之一。 構(gòu)造方法和步驟（舉例：構(gòu)造方法和步驟（舉例：Z1=24,2p=4,Z1=24,2p=4,整距整距,m=3),m=3) 分極分相分極分相: 將總槽數(shù)按給定的極數(shù)均勻分開（N,S極相鄰分布）并 標記假設的

9、感應電勢方向； 將每個極域的槽數(shù)按三相均勻分開。三相在空間錯開 120電角度。 交流繞組 連線圈和線圈組連線圈和線圈組： 根據(jù)給定的線圈節(jié)距連線圈（上層邊與下層邊合一個線圈） 以上層邊所在槽號標記線圈編號。 將同一極域內(nèi)屬于同一相的某兩個圈邊連成一個線圈 （共有q個線圈，為什么？） 將同一極域內(nèi)屬于同一相的q個線圈連成一個線圈組 （共有多少個線圈組？） 以上連接應符合電勢相加原則 連相繞組：連相繞組： 將屬于同一相的2p個線圈組連成一相繞組，并標記首尾 端。 串聯(lián)與并聯(lián)，電勢相加原則。 按照同樣的方法構(gòu)造其 他兩相。 連三相繞組連三相繞組 將三個構(gòu)造好的單相繞組連成完整的三相繞組 接法或者Y接

10、法 交流繞組 例：設相數(shù)m3，極數(shù)2p4，槽數(shù)Z24，則每極每相 槽數(shù)q2，槽距角a30 步驟步驟： 繪槽電勢星形圖 分相使各相電勢最大，且三相電勢對稱 繪繞組元件平面展開圖 首先畫出等距離的24根平行線段以表示槽號槽號表表 示各元件的上層邊示各元件的上層邊。在實線近旁畫出虛線以表示下層元 件邊。把各槽按順序編號，取槽號作為上層邊的代號， 取槽號加注上標作為下層邊代號。 交流繞組 交流繞組 當磁場切割繞組時，該四個元件組的電勢大小相等，I、 組電勢時間上同相，、IV組電勢與I、組電勢反相。 各元件組可以串聯(lián)、并聯(lián)、或一半串聯(lián)后再并聯(lián)。相繞組 可以有不同連接方式，當通以電流形成當通以電流形成4

11、4極磁場極磁場。 交流繞組 短距繞組 取y5，每個元件跨5個槽，a相的4個元件組，分別是l-6- 2-7，7-12-8-13，13-18-14-19，19-24-20-l 交流繞組 短距時，在某些槽中，其上層元件邊與下層元件邊可 能不屬一相，在這些槽中，上層與下層之間有較大電 位差，應加強層間絕緣。 短距時，同一相的上、下層導體錯開了一個距離，用 短距角表示，表示一個元件的上層導體電勢和下層 導體電勢的相位差是180-電角度，合成電勢時應 計及節(jié)距因數(shù)kp。 繞組感應電動勢 元件的電勢 電勢決定于磁場的大小與分布以及磁場與元件間的電勢決定于磁場的大小與分布以及磁場與元件間的 相對運動相對運動

12、設氣隙磁場按正弦規(guī)律分布，則每極磁通 氣隙磁場每轉(zhuǎn)過一對磁極，線圈中的電勢便經(jīng)歷一 個周期。電勢的頻率用每秒轉(zhuǎn)過的磁極對數(shù)表示。 頻率 極對數(shù)p，轉(zhuǎn)速n (r/min)， lBm m 2 60 pn f 繞組感應電動勢 繞組感應電動勢 元件中的感應電勢 e=-Nd/dt 元件匝數(shù)為Nc，感應電勢的瞬時值 有效值 tN dt d Ne mccc sin mc mc c fN N E 44. 4 2 繞組感應電動勢 元件中的感應電勢 e=Blv 設原點在轉(zhuǎn)子上B=0處， 即t=0時，B=0 分析導體a t=0時，Ba=0，ea=Balv 經(jīng)過時間t，轉(zhuǎn)動了t，Ba=Bmsint， ea=Balv=

13、 Bmlvsint 有效值 mm m a f pn lB lvB E22. 2 60 2 2 60 2 60 2 pn f lB n pv mm 繞組感應電動勢 整距線圈 導體a與導體a相距一個極距，即180電 角度， 元件電勢為 )180sin( tlvBe ma 044. 4 18022. 2022. 2 ) ( m mmaayaa f ffEEE 繞組感應電動勢 短距線圈 導體a與導體a相距非一個極距（差一短 距角） 元件電勢為 2 2 cos44. 4 )180(22. 2022. 2 ) ( m mmaayaa f ffEEE Ea Ea -Ea Eaa 繞組感應電動勢 短距元件的電

14、勢小于整距元件的電勢 設短距角為電角度 節(jié)距因數(shù)節(jié)距因數(shù) 2 cos 44. 4 cos44. 4 2 m m yaa yaa p f f E E k mpcyaacc kfNENE 44. 4 繞組感應電動勢 元件組電勢元件組電勢 電機采用分布繞組，每元件組有q個元件，元件 組電勢即為q個元件的電勢之和。 通常各元件匝數(shù)相等，所以各元件電勢的幅值 相等，由于各元件空間位置依次相位差a電角度， 各元件電勢的時間相位差也為a角度。 2 sin2 2 sin2 RE q RE c q 繞組感應電動勢 分布因數(shù)分布因數(shù) k kd d元件組各電勢的相量和與代數(shù) 和的比值 繞組因數(shù)繞組因數(shù)kN=kdkp

15、，反映分布和短距對電勢的影響 2 2 sin sin a qa c q d qqE E k 2 cos 2 sin 2 sin pd k q q k mNcmdpccNq qkfNkqkfNqEkE44. 444. 4 繞組感應電動勢 繞組的相電勢繞組的相電勢 1單層繞組 每對極每相有一個元件組 p對極電機，每相有p個元件組，可以串聯(lián)、并 連或混合連接。如有a條并聯(lián)支路，則每相電 勢為 mNmN c q fNkk a pqN fE a p E 44. 444. 4 a pqN N c 單層繞組每相串聯(lián)匝數(shù) 繞組感應電動勢 2雙層繞組 每對極每相有2個元件組 p對極電機，每相有2p個元件組，可以

16、串聯(lián)、 并連或混合連接。有a條并聯(lián)支路 mNmN c q fNkk a pqN f a pE E 44. 4 2 44. 4 2 a pqN N c 2 雙層繞組每相串聯(lián)匝數(shù) 繞組感應電動勢 每相串聯(lián)匝數(shù) 設每槽導體數(shù)為S，對單層繞組Nc=S，雙層 Nc=S/2 N為每相實有串聯(lián)匝數(shù) NkN為有效串聯(lián)匝數(shù)，kN反映繞組因采用短距和 分布而使每相電勢減小的程度 a pqS N 諧波電動勢及其消弱方法 非正弦磁場下繞組的感應電勢 在實際電機中，由于磁極的勵磁磁動勢勵磁磁動勢在氣隙 中產(chǎn)生的磁場并非是正弦波非是正弦波，因此在定子繞組內(nèi)感 應的電動勢也并非正弦波電動勢也并非正弦波，除了基波外還存在一系

17、 列諧波。 以三相凸極同步電機為例，磁場是由轉(zhuǎn)子電流 激勵產(chǎn)生的，氣隙磁通密度實際是一個平頂波，可 分解出基波和各奇次諧波(由于對稱性)，基波磁場 和各次諧波磁場均隨轉(zhuǎn)子而旋轉(zhuǎn) 在定子繞組中不僅感應基波電勢，還感應有各 次諧波電勢。 諧波電動勢及其消弱方法 諧波電動勢及其消弱方法 諧波電勢 m N NkfE44. 4 pp 1 11 6060 f pnn pf lBm m 2 2 cos 2 sin 2 sin q q kkk pdN 諧波電動勢及其消弱方法 諧波電勢的影響 高次諧波電勢對電勢大小影響較小 主要影響電勢的波形 在基波電勢上疊加有高次諧波電勢使波形變 壞,引起發(fā)電機損耗增加，溫升增高、效率降低。 在輸電線路上，諧波電勢產(chǎn)生高頻干擾，使 輸電線路時近的通信設備不能正常工作。 輸電線路自身有電感和電容，在某一高頻條 件下，將產(chǎn)生自激振蕩而產(chǎn)生過電壓。 異步電機中產(chǎn)生有害的附加轉(zhuǎn)矩和損耗。 諧波電動勢及其消弱方法 消除和減小高次諧波電勢的方法 從諧波性質(zhì)：當接成星形連接時，在線電勢 中不可能出現(xiàn)3次及其3的倍數(shù)次諧波電勢。 從磁場角度：使氣隙磁場接近正弦分布，如 采用適當?shù)臉O靴寬度和不均勻的氣隙長度(磁極 中心氣隙較小，磁極邊緣的氣隙較大)、勵磁繞 組的分布范圍 從繞組方面：采用短距、分布繞組 小結(jié) 交流繞組的組成原則 獲得較大的基波電勢，盡量減少諧