电机学,Electrical Machinery,第二篇,第五章 交流电机绕组及其电动势 第六章 交流绕组的磁动势,第五章 交流绕组及其电动势,1.掌握交流绕组的基本知识、要求及构成原则；,3.理解交流绕组电动势大小及改善波形的方法。,2.理解掌握三相单层、双层绕组；,本章节重点和难点：,本章节基本要求：,重点:,1.交流绕组的基本概念、分布及展开图；,2.一相绕组基波感应电动势的表达式及其各量代表的物理意义；,3.高次谐波产生及削弱方法。,难点:,1.交流绕组的结构及绕组展开图的绘制；,2.交流绕组的基波感应电势频率、波形、大小；,3.高次谐波的削弱方法。,旋转电机简介,旋转电机是一种通常以磁场为耦合场的连续旋转的机电装置。从结构上看，它有固定部分和可以转动的部分，分别称为定子和转子，其间留有空气隙，简称为气隙。定子和转子一般都有铁芯和绕组，绕组有一种是励磁绕组，通入电流后产生磁通，在电机内形成磁场；另一种绕组是电枢绕组，每种绕组各自安置在气隙的一侧，但它可以在定子边也可以在转子边。电枢绕组与磁场之间的相对运动方式有不同形式:可以是绕组在磁场中做机械旋转；或者是磁场做机械旋转掠过绕组；或者把磁路的磁阻设计成随转子转动而变化的。无论哪种方法线圈匝链的磁通都有周期变化，在该绕组中感应出电动势，同时电枢绕组中的电流与气隙磁场相互作用又会产生电磁转矩，由此实现电机的机电能量转换。,旋转电机根据外电路流入(或流出)电机电枢绕组电流的种类分为:交流电机和直流电机两大类。交流电机又可分为同步电机和异步电机。,一、旋转电机的基本结构(以异步机为例),旋转电机一般由定子和转子两部分组成的。,1.定子:固定不动的部分主要包括:铁芯、绕组、机座等,2.转子:转动的部分主要包括:转子、轴承、风扇等,同步电机和异步电机的定、转子结构和作用有一定差异。,交流电机的定子绕组,定子铁芯和线圈,二、旋转电机的基本工作原理,定子三相绕组通入三 相交流电(星形联接),1.旋转磁场的产生,规定,()电流出,()电流入,合成磁场方向向下,合成磁场旋转60,合成磁场旋转90,三相电流合成磁场的分布情况,分析可知：三相电流产生的合成磁场是一个旋转的磁场即：一个电流周期，旋转磁场将在空间转过360,取决于三相电流的相序,2.旋转磁场的旋转方向,结论:任意调换两根电源进线，则旋转磁场反转。,任意调换两根电源进线 (电路如图),3.旋转磁场的极对数P,当三相定子绕组按图示排列时，产生一对磁极的旋转磁场，即：,若定子每相绕组由两个线圈串联 ，绕组的始端之间互差60，将形成两对磁极的旋转磁场。,极对数,旋转磁场的磁极对数 与三相绕组的排列有关,4.旋转磁场的转速,旋转磁场的转速取决于磁场的极对数,p=1时,工频：,p=2时,旋转磁场转速n0与极对数 p 的关系,1、电生磁：三相对称绕组通往三相对称电流产生圆形旋转磁场。,2、磁生电：旋转磁场切割转子导体感应电动势和电流。,3、电磁力：转子载流（有功分量电流）体在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转，将电能转化为机械能。,5.转子转动原理,旋转电机的转动原理小结,A,X,Y,C,B,Z,定子三相绕组通入三相交流电,感应电动势 E20,电磁力F,异步电机和同步电机在励磁方式、工作原理等方面有一定的差异，但由于主磁场的转速(同步速)同样与极数具有反比关系，因而在定子上有结构相同的三相交流绕组。该三相交流绕组同样具有产生旋转的磁动势及感应三相交流电动势，从而实现机电能量的转换。,定子铁芯中的三相交流绕组在空间是按互差1200电角度对称分布的，在气隙旋转磁场的切割作用下，定子绕组感应电动势。显然，定子绕组的构成方法对电动势的波形及其大小有直接影响，因此，研究电动势先要了解定子绕组的构成。,第一节 交流绕组的基本知识,交流绕组是电机结构的重要组成部分，电机的电动势和磁动势的特性均与绕组的构成有关。交流绕组是指同步电机的电枢绕组和异步电机的定子、转子绕组。绕组是由按一定规律排列和连接的线圈组成。交流电机的三相定子绕组是机电能量转换的主要部件，通过它必须产生一个极数、大小、波形均能满足要求的磁场；同时在定子绕组中能够感应出频率、大小和波形及其对称性均能符合要求的电动势。,交流电机绕组的种类形式,(1)按相数分:单相、两相、三相和多相绕组；,(2)按槽内的层数分:单层绕组和双层绕组；,(3)按端接部分的形状分:单层绕组又分为等元件式、同心式、链式和交叉式等，双层绕组又可分为叠绕组和波绕组；,(4)按每极每相所占的槽数是整数还是分数分:有整数槽和分数槽绕组。,一、交流电机绕组的基本概念,1.电角度和机械角度,电机定子内圆一周的机械角总是3600，从电磁观点来看，若磁场在空间按正弦波分布，导体切割这个磁场，经过N、S一对磁极，导体中所感应的正弦电动势的变化为一个周期，即经过3600电角度。换言之，一对磁极占有的空间是3600电角度。若电机有p对磁极，则电机定子内圆一周按电角度计算即为p3600,故,电角度=p机械角度,2.极距,沿电机定子铁芯内圆每个磁极所占有的距离称为极距，(也可认为是相邻两磁极对应位置两点之间的圆周距离或者说每极所对应的定子内圆弧长)。即,极距也可用每一磁极所占的定子槽数来表示，若定子铁芯槽数为Z，则,表明:基波磁场每极所对应的槽数。 由于Z个槽占有的空间电角度为p3600，而一个极距占有的空间电角度恒为1800。,3.线圈及节距y1(跨距),线圈是组成交流绕组的单元，(也称为绕组元件)。线圈可以是单匝的，也可以是多匝串联而成的(多匝一般为连续绕制而成)，每个线圈都有首端和末端两引出线。,有效边,每个线圈都有两条有效边，分别放置在定子铁芯的两个槽内，它们在定子圆周上所跨的距离称为节距y1。,电机理论要求，为使每个线圈获得较大的电动势，应使节距y1。,有效边,端部,4.槽距角（电角度）,槽距角:相邻两槽之间的电角度。,由于定子槽均匀分布在定子内圆上，已知总槽数Z、极对数p，则,5.每极每相槽数q,每极每相槽数q:每相绕组在每一磁极下所占有的槽数。若已知总槽数Z、极对数p和相数m为，则,q1分布绕组,整数槽绕组q为整数,分数槽绕组q为分数,6.相带与极相组(线圈组),绕组相带是每一磁极下，每相绕组所占有的电角度q。可表示为,每个极对应于180电角度，如电机有m相，则每个相带占有 电角度。三相电机m3，其相带为60，按60相带排列的绕组称为60相带绕组。,把每对极所对应的定子槽等分为六个等分。依次称为A、Z、B、X、C、Y相带，各相绕组放在各自的相带范围内。,三相对称绕组在一对磁极中相带应按A-Z-B-X-C-Y的分布规律排列。A、X，B、Y，C、Z，分别为一对磁极中各自一相的两个相带，相距180电角度，且A、B、C三相互差120电角度。p对极的电机，相带的排列为一对极情况的p次重复,即可划分为6p个相带。,极相组(线圈组),若把每磁极下属于同一相的q个线圈串联起来就可组成一线圈组，称为极相组(线圈组)。,7.槽电动势星形图,假设同步发电机主磁极的磁通密度沿气隙圆周按正弦规律分布，转子以一定方向恒定旋转，由电磁感应定律可知，定子各槽内导体的感应电动势将正弦规律变化。由于各槽在空间上彼此互差电角度，因此各导体电动势在时间相位上也彼此互差角度。当把电枢上各槽内导体的电动势分别用相量表示时，这些相量构成一个辐射星形图，称为槽电动势星形图，是分析绕组的一种有效的方法。如图所示,一般说，对于整数槽绕组，如果电机有p对极，则有p个重叠的槽电动势星形图。,必须注意电机是在不断旋转的，因而每槽电势的大小和方向都在不断的变化，若选定某一瞬间进行研究，各种相量关系都是不变的。,二、交流电机绕组的构成原则和基本要求,(1)均匀原则：各线圈构成三相定子绕组时，每相绕组串联的总匝数应相等，且布置情况应相同。或者说，每个极域内的槽数（线圈数）要相等，各相绕组在每个极域内所占的槽数应相等；,(2)对称原则：三相绕组的结构完全一样，在电机的圆周空间上应互相错开120电角度。如槽距角为，则相邻两相错开的槽数为120/。,(3)电势相加原则：在一定导体数下，力求绕组获得尽可能大的基波电动势和基波磁动势，交流绕组构成时，绕组线圈的两个圈边的感应电势应该相加；线圈(组)与线圈(组)之间的连接也应符合这一原则。以获得尽可能大的绕组电动势和磁动势。如线圈的一个边在N极下，另一个应在S极下。,(4)高次谐波分量削弱原则：同变压器运行情况一样，电机的电动势和磁动势波形力求接近正弦波，为此要求电机的电动势和磁动势中的高次谐波分量尽可能小。,（1）交流绕组通电后，必须形成规定的磁场极数； （2）多相绕组必须对称，不仅要求m相绕组的匝数N、跨距y1、线径及在圆周上的分布情况相同，而且m相绕组的轴线在空间上互差3600/m电角度。 （3）交流绕组通过电流所建立的磁场在空间的分布为正弦分布，且旋转磁场在交流绕组中感应电动势必须随时间按正弦规律变化。采用分布绕组和短距绕组。 （4）在一定的导体数之下，建立的磁场最强而且感应电动势最大。因此线圈的跨距y1尽可能接近极距，而且对于三相绕组尽可能采用600相带。（每个极距内属于同一相的槽在圆周上连续所占有的电角度区域称为相带）。 （5）在产生一定大小的电动势和磁动势情况下，保证绝缘性能和机械强度可靠性，尽量减少用铜量，提高导线的利用率；提高制造的工艺性，下线方便，检修方便，机械强度好。,交流绕组的基本要求,从设计制造和运行性能方面对交流绕组的要求:,2.力求获得最大的电动势和磁动势；,3.绕组的电动势和磁动势的波形力求接近正弦；即合成电动势和合成磁动势的波形要接近正弦形（基波、谐波）,5.绕组的绝缘和机械强度可靠，散热条件好；,6.工艺简单、便于制造、安装和检修。,1.三相绕组对称（节距、匝数、线径相同、空间互差 角度）；（即保证各相电动势磁动势对称，电阻电抗相同）,4.铜耗 减小，用铜量减少；,7.电力系统都有统一的标准频率，我国规定工业标准频率为50Hz。,第二节 三相单层绕组,单层绕组结构简图和展开简图,单层绕组的每个槽内只放一个线圈边，整个电机的绕组线圈总数等于定子槽数的一半。将属于各相带的槽(即线圈边)按一定规律连接，就可得到各种形式的绕法。,单层绕组的分类:可分为等元件式、链式、交叉式和同心式绕组。无论何种形式的绕法只是在当由线圈边构成线圈时，槽号的组合方式、端部连接的规律及考虑施工的工艺性、经济性等有所区别，并不影响电磁感应的本质。,一、单层等元件式绕组,等元件式绕组的每个线圈节距相等制造方便；线圈端部连线较短省铜。主要用于p1的三相异步电动机。,单层等元件式绕组由形状、几何尺寸和节距相同的线圈连接而成。如图所示,从电势来看极间连线应使两线圈组电势相加，从电流来看应使通入电流后能按要求形成4极磁场，图中线圈组成绕组时，两线圈组应顺序串联，即首尾首尾依次连接。,A极相组,X极相组,极间连线,二、单层链式绕组,单层链式绕组由形状、几何尺寸和节距相同的线圈连接而成，整个外形如长链。,链式绕组的每个线圈节距相等并且制造方便；线圈端部连线较短省铜。主要用于q=2、4、6、8，p1的小型三相异步电动机。,三、单层交叉式绕组,单层交叉式绕组由线圈数和节距不相同的两种线圈组构成，同一组线圈的形状、几何尺寸和节距均相同，各线圈组的端部互相交叉。,交叉式绕组由两大一小线圈交叉布置。线圈端部连线较短，有利于节省材料，并且省铜。广泛用于q=3的小型三相异步电动机。,四、单层同心式绕组,同心式绕组由几个几何尺寸和节距不等的线圈连成同心形状的线圈组构成。,同心式绕组端部连线较长，嵌线比较方便，适用于q=4、6、8等偶数极的2极小型单、三相异步电动机。,单层绕组的安排及连接方法(画绕组展开图),例如：一台单层绕组相数m3，极数2p4，槽数Z24，每相支路数2a1的电机。 极距 每极每相槽数 槽距角,解：(1)计算参数,2. 相带划分和槽电动势星形图,按单层600相