電機學交流電機的繞組及其感應電動勢

1、第二篇第二篇 交流電機的共同問題交流電機的共同問題第六章 交流電機的繞組及其感應 電動勢第一節(jié)基本結構、分類、工作原理第一節(jié)基本結構、分類、工作原理一、基本結構一、基本結構定子與轉子兩大部分：1、定子l固定不動的部分l鐵芯、繞組、機坐同步機與異步機轉子結構不一樣l鐵芯外表面開槽l繞組2、轉子l交流電機：產生或使用交流電能的旋轉電機。l兩大類：同步電機轉子的速度等于同步速度異步電機轉子的速度不等于同步速度同步速同步速旋轉磁場的轉速旋轉磁場的轉速二、分類二、分類三、同步電機三、同步電機（放在第四篇討論）（放在第四篇討論）l定子繞組：對稱三相繞組l轉子：勵磁繞組l原理：勵磁繞組通與直流勵磁電流原動機

2、拖動轉子旋轉產生轉子旋轉磁場穿過氣隙切割定子繞組感應三相電勢當接負載感應電流電能輸出四、異步電機工作原理四、異步電機工作原理（放在第三篇討論）（放在第三篇討論）l 靜止起動l對稱的三相電流=對稱三相繞組=旋轉磁場B1=B1切割轉子導條（因為轉子靜止）=感應電勢E2 =（因為轉子閉合）感應電流I2=B1與I2作用=電磁轉矩T=當TT0TL時，轉子從靜止開始起動l其中：T0空載轉矩lTL負載轉矩 第二節(jié)第二節(jié) 交交 流流 繞繞 組組交流繞組概述交流繞組概述l作用：通入電流磁場（電動機）磁場與定子繞組切割電勢電流（發(fā)電機）l分類（類型）相數：單相、三相層數：l單層：同心式、交叉式、鏈式l雙層：疊繞組

3、、波繞組寬度：整距、短距分布性：分布繞組、集中繞組交流繞組的基本概念交流繞組的基本概念l繞組：按一定規(guī)律排列和連接的線圈的總稱要求磁勢和磁勢和電勢的波形為正弦波形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。 在一定的導體數下，獲得較大的基波電勢和基波磁勢。交流繞組的構成原則交流繞組的構成原則均勻原則均勻原則：每個極域內的槽數（線圈數）要相等，各相繞組在每個極域內所占的槽數應相等 每極槽數用極距表示 每極每相槽數 對稱原則對稱原則：三相繞組的結構完全一樣，但在電機的圓周空間互相錯開120電角度

4、。 如槽距角為，則相鄰兩相錯開的槽數為120/。電勢相加原則電勢相加原則：線圈兩個圈邊的感應電勢應該相加；線圈與線圈之間的連接也應符合這一原則。 如線圈的一個邊在N極下，另一個應在S極下。元件元件(線圈線圈)術語術語1：電角度l磁場每轉過一對磁極，電勢變化一個周期，稱為（一個周期）360電角度。在電機中一對磁極一對磁極所對應的角度定義為所對應的角度定義為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。）l磁極對數為p圓周機械角度為360電角度為 p*360 術語術語2：相帶l為了三相繞組對稱，在每個極面下每相繞組應在每個極面下每相繞組應占有相等的范圍占有相等的范圍

5、相帶相帶。l每個極對應于180電角度，如電機有m相，則每個相帶占有 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。m18060相帶繞組l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術語術語3：每極每相槽數每極每相槽數q ql每個極面下每相占有的槽數每個極面下每相占有的槽數。已知總槽數Z、極對數p和相數m為，則 lq1分布繞組l整數槽繞組q為整數l分數槽繞組q為分數pmZq2術語術語4：槽距角槽距角 l相鄰兩槽之間的相鄰兩槽之間的電角度電角度l已知總槽數Z、極對數pp * 360 =Z圓周的電角度術語術語

6、5：極距極距l(xiāng)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圓弧長 設D為定子內圓直徑。l槽數表示極距： 即基波磁場每極所對應的槽數pD2pZ2術語術語6：節(jié)距節(jié)距 y (y (跨距跨距) )l表示元件的寬度。元件放在槽內，其寬度可用用元件兩邊所跨越的槽數表示元件兩邊所跨越的槽數表示。 分析工具：槽導體電勢星形圖分析工具：槽導體電勢星形圖把電樞上各槽內導體按正弦規(guī)律變化的電勢分別用矢量表示，構成一輻射星把電樞上各槽內導體按正弦規(guī)律變化的電勢分別用矢量表示，構成一輻射星形圖形圖相距360度電角度，導體電勢時間上同相位相帶與電勢星形圖相帶與電勢

7、星形圖 一、三相單層繞組一、三相單層繞組l單層每槽中只放置一層元件邊，元件數等于槽數的一半，無需層間絕緣，結構和嵌線較簡單l單層繞組只適用于10kW以下的小型異步電動機，其極對數通常是pl,2,3,4l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：構造方法和步驟分極分相分極分相: 將總槽數按給定的極數均勻分開（N,S極相鄰分布）并標記假設的感應電勢方向。 將每個極的槽數按三相均勻分開。三相在空間錯開120電角度。連線圈和線圈組：連線圈和線圈組： 將一對極域內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？） 將一對極域內屬于同一相的q個線圈連成一個線圈組（共有多少個線

8、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： 將三個構造好的單相繞組連成完整的三相繞組 接法或者Y接法。 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例如：相數m3，極數2p4，槽數Z24每極每相槽數q 2槽距角 =30極距=Z/2p=24/4=6pmZ2Zp 360*說明：說明：l屬于a相8個槽，即l、2、7、8、13、14、19、20l根據槽導體電勢星形圖，按電勢相

9、加原則構成元件，每個元件都是整距，y=6槽，即每元件的跨距為6個槽，同為單層，每相每對極可以連接成一個元件組。l2對極，每相2個元件組，1728，13一19一1420。l元件組之間可串聯(lián)或并聯(lián)形成不同并聯(lián)支路數l單層繞組每相有單層繞組每相有p p個元件組，如串聯(lián)方式連接，則并聯(lián)支個元件組，如串聯(lián)方式連接，則并聯(lián)支路路a a1 1，相電勢，相電勢E=pEqE=pEq，相電流，相電流I IIcIc。每相功率。每相功率P PEIEIpEqIcpEqIc。* 連成三相繞組連成三相繞組二、鏈式繞組二、鏈式繞組65yl鏈式繞組適用于q=2，p1的小型異步電機。例如m3，p2，Z=24，q2，a=30l鏈式

10、繞組的每個元件都是短距。從相電勢和磁鏈式繞組的每個元件都是短距。從相電勢和磁勢角度看勢角度看具有整距性質具有整距性質三、交叉式繞組三、交叉式繞組l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Z=2mpq=2*3*2*336 槽距角a=p*360/Z=20l屬于a相的元件有1、2、3、10、ll、12、19、20、21、28、29、30共12個元件邊y=8y=7l210，311相連，是節(jié)距為8的（大）線圈l1219相連，節(jié)距為7的（?。┚€圈l2028，2129相連，節(jié)距為8的大線圈l301相連，節(jié)距為7的小線圈。依次二大一小交叉布置為交叉式繞組lb相和c相的連接規(guī)律與a

11、相完全一樣，a=20，相間相差6個槽。如第2槽為a相首端，則b相首端是第8槽，c相首端是第14槽。三、同心式繞組三、同心式繞組l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q較大，采用同心式繞組嵌線l例如：m3，p=1，q4。則定子槽數Z=2mpq2*3*l*424，槽距角a15l屬于a相的有8個元件邊，把1與12相連構成一個大線圈，2與11相連構成一個小線圈。這一一大一小組成一個同心式線圈組大一小組成一個同心式線圈組。13與24相連，14與23相連組成另一同心式線圈組。然后把兩個線圈組反向串聯(lián)，以保證電勢相加 相 帶 極 對acbacb 第 一 對 極 23,24,1,23,4

12、,5,67,8,9,10 11,12,13,1415,16,17,1819,20,21,22屬于a相的有8個元件邊，把1與12相連構成一個大線圈，2與11相連構成一個小線圈。這一大一小組成一個同心式一大一小組成一個同心式線圈組線圈組。13與24相連，14與23相連組成另一同心式線圈組。然后把兩個線圈組反向串聯(lián)，以保證電勢相加l在外形上有多種繞組型式：元件節(jié)距可以整距、短矩或長距，合理選用繞組型式，可以節(jié)省銅線，簡化工藝。l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成方式不同、導體連接先后次序不同，而構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，三

13、相單三相單層繞組的節(jié)距因數均為層繞組的節(jié)距因數均為1 1，具有整距繞組性質，具有整距繞組性質l優(yōu)點：繞組因數中只有分布因數，基波繞組因數較高，無層間絕緣，槽利用率高l缺點：對削弱高次諧波不利，無法改善電勢波形和磁勢波形，漏電抗較大l使用：一般用于10kW以下小功率電機。（功率較大或對波形要求較高的電機，通常采用雙層繞組。）小結：小結：三相三相單層繞組單層繞組二、三相雙層繞組二、三相雙層繞組l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。每每個元件均有一個邊放在上層，一個邊放在另一個元件均有一個邊放在上層，一個邊放在另一槽的下層槽的下層，相隔距離取決于節(jié)距。l元件

14、的總數等于槽數，每相元件數即為槽數的三分之一。構造方法和步驟（舉例：構造方法和步驟（舉例：Z=24,2p=4,整距整距,m=3)分極分相分極分相: 將總槽數按給定的極數均勻分開（N,S極相鄰分布）并標記假設的感應電勢方向； 將每個極域的槽數按三相均勻分開。三相在空間錯開120電角度。 連線圈和線圈組連線圈和線圈組： 根據給定的線圈節(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

15、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。 按照同樣的方法構造其他兩相。 連三相繞組連三相繞組 將三個構造好的單相繞組連成完整的三相繞組 接法或者Y接法 例：設相數m3，極數2p4，槽數Z24，則每極每相槽數q2，槽距角a30步驟步驟：l繪槽電勢星形圖l分相使各相電勢最大，且三相電勢對稱l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示各元件的上層邊表示各元件的上層邊。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。整矩繞組整矩繞組：跨距y6，每個元件的上層邊與下層邊相距6個

16、槽。例如第l槽的上層邊應與第7槽的下層邊接成一個元件。同理2-8，3-9，4-10，.相連，共計有24個元件。a相8個元件分成4個元件組，各元件組的連接規(guī)律為l-7-2-8，7-13-8-14，13-19-14-20，19-1-20-2，分別用I、表示。l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。l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極磁場極磁場。短距繞組短距繞組l取y5，每個元件跨5個槽，a相的4個元件組，分別是l-6-2-7，7-12-8-13，13-18-14-19，1

17、9-24-20-ll短距時，在某些槽中，其上層元件邊與下層元件邊可能短距時，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，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。應加強層間絕緣。l短距時，同一相的上、下層導體錯開了一個距離，用短短距時，同一相的上、下層導體錯開了一個距離，用短距角距角表示，表示一個元件的上層導體電勢和下層導體電表示，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勢的相位差是180-電角度，合成電勢時應計及節(jié)距因電角度，合成電勢時應計及節(jié)距因數數kp。 第三節(jié)第三節(jié) 繞組的感應電動繞組的感應電動勢勢正弦磁場

18、下繞組的感應電勢正弦磁場下繞組的感應電勢l元件電勢l元件組電勢l繞組相電勢1單層繞組2雙層繞組一、元件的電勢一、元件的電勢l電勢決定于磁場的大小與分布以及磁場與元件間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的相對運動 設氣隙磁場按正弦規(guī)律分布，則每極磁通 氣隙磁場每轉過一對磁極，線圈中的電勢便經歷一個周期。電勢的頻率用每秒轉過的磁極對數表示。 極對數p，轉速n (r/min)，則頻率lBmm260=pnftmcost=0,元件匝鏈一個磁極的全部磁通元件匝鏈一個磁極的全部磁通元件中的感應電勢元件中的感應電勢 e=-Nd/dtl設元件匝數為Nc，感應電勢的瞬時值為l有效值tNdtdNe

19、mcccsin=-=mcmccfNNE44. 4=2=tmcosl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044. 4=180- 22. 2 - 022. 2=- =)(mmmaaycfffEEEtmcosl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22cos44. 4)180(22. 2022. 2)(mmmaaycfffEEEEaEa-EaEc短距元件電勢短距元件電勢l短距元件的電勢小于整距元件的電勢設短距角為電角度l節(jié)距因數節(jié)距因數2cos44. 4cos44. 42mmycycffEEkpmpcckfNE44. 4二、元件組電勢二、元件組電

20、勢l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。l通常各元件匝數相等，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。2sin22sin2REqREcqp=3的元件組的元件組分布因數 kdl元件組各電勢的相量和與代數和的比值22sinsinaqacqdqqEEk2sin22sin2REqREcq元件組電勢元件組電勢l繞組因數繞組因數kN=kdkp，反映分布和短距對電勢的影響 Ncq為一個元件組串聯(lián)匝數mNcmdpccdqqkfNkqkfNqEkE44. 444. 42cos2sin2sinpdkqqk三、繞組的相電勢

21、三、繞組的相電勢1單層繞組l每對極每相有一個元件組lp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 單層繞組每相串聯(lián)匝數mNmNcqfNkkapqNfEapE44. 444. 4apqNNc繞組的相電勢繞組的相電勢2雙層繞組l每對極每相有2個元件組lp對極電機，每相有2p個元件組，可以串聯(lián)、并連或混合連接。有a條并聯(lián)支路 雙層繞組每相串聯(lián)匝數mNmNcqfNkkapqNfapEE44. 4244. 42apqNNc2每相每相串聯(lián)串聯(lián)匝數匝數l設每槽導體數為S，對單層繞組Nc=S，雙層Nc=S/2lN為每相實有串聯(lián)匝數lNkN為有效串聯(lián)匝數，kN反映繞組因

22、采用短距和分布而使每相電勢減小的程度apqSN mNfNkE44. 4感應電勢與繞組匝鏈磁通的相位關系感應電勢與繞組匝鏈磁通的相位關系l 即感應電勢在時間上滯后磁通 90。l 變壓器：主磁通本身隨時間變化l旋轉電機：氣隙磁密波大小不變，隨時間繞繞組而旋轉dtdNec第四節(jié)第四節(jié) 諧波電動勢及其削弱方法諧波電動勢及其削弱方法一、非正弦磁場下一、非正弦磁場下繞組的感應電勢繞組的感應電勢l以三相凸極同步電機為例磁場是由轉子電流激勵產生的 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子而旋轉l在定子繞組中不僅感應基波電勢，還感應有各次諧波電勢。1NNNSSSSSSSSNNNNN諧波電勢諧波電勢mNNkfE44. 4pp1116060fpnnpflBmm22cos2sin2sinqqkkkpdN例例6-2 p102mNNkfE44. 4二、諧波電勢的影響二、諧波電勢的影響l高次諧波電勢對電勢大小影響較小l主要影響電勢的波形