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1、电机学Electric Machinery,（第4章 交流电机绕组的基本理论）,2,交流电机,同步电机,同步发电机,同步电动机,异步发电机,异步电动机,异步电机,同步电机,异步电机,交流绕组：交流电机中的绕组,速度等于同步速,速度不等于同步速,3,异步电机：主要用作电动机，只有特殊场合才用作发电机。,4,同步电机：多用作发电机使用，在不调速情况，也用作电动机，可改变电网功率因数（通过调节励磁电流）。,5,两种类型的交流电机在涉及的基本电磁理论、基本结构原理方面具有下面三个共同部分： 交流绕组的基本结构 交流绕组中感应的电动势 交流绕组产生的磁动势,4.1&4.2 交流绕组的基本结构,交流绕组的
2、基本要求,三相双层绕组,正弦波三相对称较大基波分量,三相单层绕组,7,线圈：线圈是串联好的两根导体或多根导体，相应地称为单匝线圈或多匝线圈 。绕组：按一定规律排列和连接的线圈的总称。在电机制造过程中，线圈是构成交流绕组的基本单元。,一、交流绕组的基本要求,8,交流绕组的基本要求, 要求磁势和电势的波形为正弦波形； 要求磁势和电势三相对称，三相电压对称； 在一定的导体数下，获得较大的基波电势和基波磁势。,导体、线圈交流绕组,9,交流绕组感应电动势（磁动势）接近正弦波,同步发电机结构示意图,气隙中磁感应强度正弦分布,定子导体感应的电动势,10,导体感应电动势,结论 ：励磁磁动势在气隙中产生的磁场在
3、空间正弦分布，即可保证交流绕组感应电动势随时间正弦变化。,11,术语1. 电角度 磁密在空间为正弦分布，一对磁极对应于一个完整正弦波，相当于360。如果磁极极对数是p，整个圆周有p个完整正弦波，相当于p 360。从几何的观点来看，整个圆周只有360。 圆周的空间几何角度称为机械角度，而圆周上对应于磁场分布的角度称为电工角度，简称为电角度。,电角度p机械角度,12,Z为电机槽数,术语3. 槽距电角1：相邻两槽之间的电角度 。,术语2. 槽距角：相邻两槽之间的机械角度。,例图中：Z=36,13,三相绕组基波电动势（磁动势）对称 各槽导体感应电动势大小相等，相邻槽导体电动势相位差1。 将各槽导体电动
4、势相量画在一起，组成一个星形，称为槽电动势星形图。,14,术语4：每极每相槽数q,定义：每相在每个极下所占有的槽数。已知总槽数Z、极对数p和相数m，则 q1分布绕组 整数槽绕组q为整数 分数槽绕组q为分数,例图中：Z=36，p=2，m=3,15,术语5. 相带,定义：每极每相绕组占有的范围，用电角度表示。,例图中：Z=36，p=2，m=3,已知总槽数Z、极对数p和相数m，则,故称为60相带,16,120相带,结论 ：利用槽电动势星形图分相，即均分槽电动势矢量可保证三相感应电动势对称。,将槽电动势星形图3等分，每等分120 ，即构成120 相带。,17,将槽电动势星形图6等分，每等分60 ，即构
5、成60 相带。,60相带,结论 ：采用60 相带可获得较大基波电势。,交流绕组感应电动势（磁动势）基波分量较大,18,总结：交流绕组的构成原则,均匀原则：每个极内的槽数（）应相等，各相绕组在每个极内所占的槽数（q）应相等；对称原则：三相绕组的结构完全一样，且在空间互相错开120 电角度；若槽距角为，则相邻两相错开的槽数为120/电势相加原则：线圈两个有效边的感应电势应该相加，线圈与线圈之间的感应电势也应该相加；如线圈的一个边在N极下，另一个应在S极下采用60 相带,19,单层绕组只适用于10kW以下的小型异步电动机，其极对数通常是pl 4；,二、三相单层绕组,单层：每槽中只放置一层线圈边；单层
6、绕组线圈数等于槽数的一半；,20,各个线圈的感应电动势有效值相等相邻线圈的感应电动势相位差为槽距电角1单层绕组的线圈节距均为整距,术语7.极距：一个磁极在铁心圆周表面上所占的范围称为极距，用符号表示，通常以用槽数或长度计。,术语6.节距：一个线圈的两个有效边在铁心圆周表面上所跨的距离称为节距，用符号y1表示，一般以槽数计。,21,1、实例：单层叠绕组展开图,例：一台交流电机定子槽数Z=36，极数2p=4，并联支路数a=1，试绘制三相单层绕组展开图。,步骤：画槽电动势星形图；分极分相；构成线圈和线圈组；构成一相绕组；画出三相绕组。,22,画槽电动势星形图,各槽导体感应电动势有效值相等，且相邻槽导
7、体感应电动势相位差为槽距电角1,23,分极分相: 将总槽数按极数均匀分开，N、S极相邻分布将每个极的槽数按三相均匀分开，三相在空间错开120电角度,24,构成线圈和线圈组将一对极下属于同一相的某两个导体连接，构成一个线圈将一对极下属于同一相的q个线圈连接，构成一个线圈组,X2,A1,X1,A2,25,线圈,线圈组,线圈组,线圈组：每相绕组中， 相邻的线圈串联在一起，称为一个线圈组。一个线圈组中的线圈个数为每极每相槽数q。,X2,A1,X1,A2,26,并联支路数a：一相绕组中并联支路的个数，即因各个线圈组的感应电动势相等，可以采用串、并联方式将q个线圈组连接，形成a条并联支路。,单层绕组每相最
8、大并联支路数 amax = p,构成一相绕组：将属于同一相的p个线圈组串、并联成一相绕组，并标记首尾端,X2,A1,X1,A2,a = 1,A,X,a = 2,27,画出三相绕组：A相绕组整体右移120得B相绕组，整体右移240 得C相绕组,28,总结：单层叠绕组构造方法和步骤,画槽电动势星形图分极分相: 将总槽数按极数均匀分开，N、S极相邻分布将每个极的槽数按三相均匀分开，三相在空间错开120电角度构成线圈和线圈组：将一对极下属于同一相的某两个圈边连接，构成一个线圈将一对极下属于同一相的q个线圈连接，构成一个线圈组构成一相绕组：将属于同一相的p个线圈组连成一相绕组，并标记首尾端线圈组串联与并
9、联，均符合电势相加原则画出三相绕组：画出三个的单相绕组，并接法或者Y接法连成完整的三相绕组,29,2、单层同心式绕组,A相展开图a=1,适用于pl的小型三相异步电动机和单相异步电动机（每极每相槽数q较大）,构成：1与12相连构成一个大线圈，2与11相连构成一个中线圈，3与10相连构成一个小线圈，这三个线圈组成一个线圈组；同理，19与30、20与29、21与28相连，组成另一线圈组。,30,特点：绕组型式不同只不过是线圈构成方式不同、导体连接先后次序不同，而构成绕组的导体所占的槽号是相同的，都在属两个相差180电角度的相带内；三相单层绕组的节距因数均为1，具有整距绕组性质；单层绕组无需层间绝缘，
10、结构和嵌线较简单。适用范围：一般用于10kW以下小功率电机。,3、三相单层绕组特点,31,双层：每槽中有两个线圈边，分为上、下两层放置，其中靠近槽口的为上层，靠近槽底部为下层。每个线圈均有一个边放在上层，一个边放在另一槽的下层，相隔距离取决于节距。双层绕组中，线圈的总数等于槽数。功率较大或对波形要求较高的电机， 通常采用双层绕组。双层绕组常有叠绕组和波绕组两种 型式。,三、三相双层绕组,32,1、实例：三相双层叠绕组展开图,例：一台交流电机定子槽数Z=36，极数2p=4，并联支路数a =2， y1=7，试绘制三相双层叠绕组展开图。,步骤：画槽电动势星形图；分极分相；构成线圈和线圈组；构成一相绕
11、组；画出三相绕组。,33,画槽电动势星形图,各槽导体感应电动势有效值相等，且相邻槽导体感应电动势相位差为槽距电角1,34,分极分相: 将总槽数按极数均匀分开，N、S极相邻分布将每个极的槽数按三相均匀分开，三相在空间错开120电角度,35,构成线圈和线圈组 根据节距y1连线圈，并以上层边所在槽号标记线圈编号将一对极下属于同一相的q个线圈连接构成线圈组（共2组）共有2p个线圈组,y1=9,36,y1=7, a=2,A,X,构成一相绕组：将属于同一相的2p个线圈组串联、并联、或一半串联后再并联成一相绕组，并标记首尾端,双层绕组每相最大并联支路数 amax =2 p,37,双层叠绕组A相展开图(y1=
12、7, a=2)。,38,双层叠绕组展开图(y1=7, a=2)。,A,X,画出三相绕组：,B,Y,Z,C,39,总结：双层叠绕组构造方法和步骤,画槽电动势星形图分极分相(60 相带): 将总槽数按极数均匀分开，N、S极相邻分布将每个极的槽数按三相均匀分开，三相在空间错开120电角度构成线圈和线圈组：根据节距y1连线圈，并以上层边所在槽号标记线圈编号将一对极下属于同一相的q个线圈连接构成线圈组构成一相绕组：将属于同一相的2p个线圈组连成一相绕组，并标记首尾端根据并联支路数将线圈组串联、并联或串并联，均符合电势相加原则画出三相绕组：右移画出三个的单相绕组，并接法或者Y接法连成完整的三相绕组,40,
13、短距时，在某些槽中，其上层线圈边与下层线圈边可能不属一相，在这些槽中，上层与下层之间有较大电位差，应加强层间绝缘。短距时，同一相的上、下层导体错开了一个距离，用短距角表示，表示一个线圈的上层导体电势和下层导体电势的相位差是180-电角度，合成电势应计及节距因数kp。,2、短距（y1）,4.3 交流绕组电动势,基波电动势（正弦分布磁场）,谐波电动势及其削弱方法,导体电动势,线圈电动势与短距系数,线圈组电动势与分布系数,相电动势与绕组系数,气隙磁场谐波分量,谐波电动势,削弱谐波电动势方法,42,支路电动势,相电动势,线圈组电动势,线圈电动势,43,一、基波电动势,1. 导体电动势,对极电机，气隙磁
14、场空间分布为p个正弦波的磁场称为基波磁场，基波磁场在绕组中感应的电动势为基波电动势。,44,当p对极的正弦分布磁场以转速n1切割导体时，在导体中感应电动势为正弦波：,导体感应电动势有效值,速度,每极磁通,感应电动势频率,导体感应电动势,45,2. 线圈电动势与短距系数,短距系数,ky11对于整距线圈ky1=1,线圈电动势,线圈电动势有效值,线圈感应电动势,46,3. 线圈组电动势与分布系数,分布系数,kq11对于集中绕组（q=1）kq1=1,线圈组电动势,线圈组电动势有效值,线圈组感应电动势,47,4. 相电动势与绕组系数,相电动势等于并联支路的支路电动势。每条支路所串联的各线圈组的电动势都是
15、同大小、同相位，可以直接相加。对于单层绕组，每相有p个线圈组，每条支路有p/a个线圈组；对于双层绕组，每相有2p个线圈组，每条支路有2p/a个线圈组。基波相电动势有效值E1为,48,绕组系数,相绕组串联匝数,相电动势统一计算式,49,例 一台汽轮发电机，定子槽数Z=36，极数2p=2，采用双层叠绕组，节距y1=14，每槽2根导体，并联支路数a=1，频率为50Hz。每极磁通量1=2.63Wb。试求：(1) 导体电动势Ec1；(2) 线圈电动势Ey1；(3) 线圈组电动势q1；(4) 相电势E1。,解： 极距 槽距电角 每极每相槽数 线圈匝数 每相串联匝数,50,(1) Ec1=2.22f1=2.
16、22502.63 V291.9 V(2) Ey1=4.44Ncky1f1=4.4410.9397502.63V=548.7V(3) Eq1=4.44qNckN1f1=4.44610.8984502.63=3147 V(4) E1=4.44NkN1f1=4.44120.8984502.63 V=6294 V,短距系数,分布系数,绕组系数,51,二、谐波电动势及其削弱方法,1. 气隙磁场谐波分量,气隙磁场空间分布非正弦，分解为基波和一系列谐波（3、5、7、）。,主磁极产生的气隙磁场波形及其分解,主磁极产生的谐波磁场性质（ 次谐波）：,52,2. 谐波电动势,次谐波磁场在定子绕组中感应的次谐波电动势
17、频率次谐波电动势有效值,算出基波和各次谐波电动势的有效值后，可得出相电动势的有效值为,53,谐波电动势的影响,高次谐波电动势对电机电动势大小影响较小高次谐波电动势主要影响电机电动势的波形高次谐波电动势存在，使电动势波形非正弦；产生有害的附加转矩和损耗，使得发电机损耗增加，温升增高、效率降低；在电网输电线路上，谐波电动势产生高频干扰，使输电线路时近的通信设备不能正常工作；输电线路自身有电感和电容，在某一高频条件下，将产生自激振荡而产生过电压。,54,3.削弱高次谐波电动势的方法,从谐波性质：当三相绕组接成星形连接时，在线电势中不可能出现3次及其3的倍数次谐波电势。从磁场角度：合理设计使得气隙磁场
18、接近正弦分布。从绕组方面：采用短距、分布绕组。,P196-197，自行学习,55,小结,交流绕组的组成原则：保持三相电势对称，且尽量减少谐波电势，获得较大的基波电动势；分析绕组的基本方法（槽导体电动势星形图）：通过槽电动势相量的分析可以了解三相绕组的形成和特性；掌握三相单层绕组、三相双层叠绕组的构成方式和特点：通常小功率电机多采用单层绕组，功率较大的多为双层短距绕组（削弱高次谐波、改善电势和磁势波形）；交流绕组相电动势的计算公式与变压器线圈电势的相类似，但必须考虑分布因数和节距因数；由于气隙磁场并不完全按正弦规律分布，交流绕组中存在谐波电动势，对电机运行不利。,4.4 交流绕组磁动势,单相绕组
19、磁动势,三相绕组合成磁动势基波,单层集中相绕组的磁动势,单层分布相绕组的磁动势,双层短距分布相绕组的磁动势,三相绕组合成磁动势谐波,圆形和椭圆形旋转磁动势,交流电机主磁通、漏磁通和漏电抗,57,假设：,绕组中的电流随时间按正弦规律变化，不考虑高次谐波电流；槽内电流集中在槽中心处；定、转子间气隙均匀，不考虑由于齿槽引起的气隙磁阻变化，即气隙磁阻是常数；铁芯不饱和，忽略定、转子铁芯的磁压降。,58,1. 单层集中相绕组的磁动势,A相通交流电流i后，将产生一个2极磁场。每根磁力线所构成的磁通闭合回路的磁动势均为iNc。略去定、转子铁心中的磁阻，该磁动势消耗在两个气隙中，每个气隙中消耗的磁动势为iNc
20、 /2。,一、单相绕组磁动势,Z=6，p=1，三相单层绕组。q=1，即为集中绕组，每相只有1个整距线圈。,59,磁动势波形为矩形波。当线圈电流i随时间按正弦规律交变时，矩形波的高度为矩形波的高度和正负随时间变化，变化的快慢取决于电流的频率。,将气隙圆周展开，得到磁动势沿圆周的空间分布波形如图所示。气隙圆周某点的磁动势表示由该定子磁动势所产生的气隙磁通通过该点气隙的磁压降。,60,每极磁动势沿气隙分布呈矩形波，纵坐标的正负表示极性。由于电流随时间按正弦规律变化，所以磁动势波的高度也随时间按正弦规律变化，但空间位置固定不变（磁轴不变）。磁动势脉动的频率决定于电流的频率。,这种空间位置固定不动，但波
21、幅的大小和正负随时间变化的磁动势称为脉振磁动势 。,61,将坐标原点取在线圈AX的中心线上，利用傅里叶级数将该磁动势波形展开为如下级数形式,=1称为基波；=2，3，4，5.称为谐波；偶数次谐波Fyv=0，即偶数次谐波不存在， =3，5，7 .。,62,单层集中绕组基波磁动势,基波磁动势沿气隙圆周有p个完整的正弦波，极对数为p。,例如Z=12，p=2的三相单层绕组。q=1，每相有2个整距线圈。,63,2. 单层分布相绕组的磁动势,以Z=18，p=1的三相单层绕组为例。每相有1个线圈组，q=3，每个线圈组有3个整距线圈。A1X1、A2X2、A3X3串联成一个线圈组，构成A相绕组。 A相通交流电流i
22、后，产生一个2极磁场。,64,三个线圈分别产生磁动势，其波形均为矩形波，且依次位移槽距电角1度。采用磁动势迭加原理，将三个线圈磁动势相迭加，求得合成磁动势： 分布相绕组（q1）的磁动势为阶梯波。将坐标原点取在线圈组的中心线上，基波磁动势表达式为,65,各线圈磁动势的基波分量为空间分布正弦波，和时间相量相似，可以用空间矢量来表示。磁动势空间矢量的长度代表幅值的大小，矢量的方向代表幅值（线圈中心线）所处的空间位置。各线圈磁动势空间矢量大小相等，相邻线圈的磁动势矢量夹角1度。,线圈基波磁动势,66,将各线圈的基波磁动势矢量相加，即可得到分布相绕组磁动势基波矢量。与线圈组电动势的推导相似，一般情况下q
23、个线圈构成的线圈组，其合成磁动势基波矢量幅值为,kq1为基波磁动势的分布系数，同电动势的分布系数具有相同的物理意义 。,67,单层分布相绕组基波磁动势,基波磁动势沿气隙圆周有p个完整的正弦波，极对数为p。,例如Z=36，p=2的三相单层绕组：q=3，每相有2个整距线圈。,68,3. 双层短距分布相绕组的磁动势,以Z=18，p=1，y1=7的三相双层绕组为例。每相有2p=2个线圈组，每个线圈组有q=3个短距线圈。线圈A1X1、A2X2、A3X3成一个线圈组，线圈A4X4、A5X5、A6X6构成另一个线圈组。,A相通交流电流i后，产生一个2极磁场。,69,采用磁动势迭加原理， A1A6中电流单独作
24、用，将A1A4、A2A5、A3A6分别看成是一个线圈，形成了一个单层整距分布绕组； X1X6中电流单独作用，将X1X4、X2X5、X3X6分别看成是一个线圈，形成另一个单层整距分布绕组。,双层短距分布相绕组相当于两个单层整距分布绕组。,70,同上述分析，两个单层分布相绕组产生的磁动势均为阶梯波。,71,将两个阶梯波叠加合成，即得双层相绕组磁动势，其波形仍为阶梯波。,72,将两个单层整距分布绕组的基波磁动势矢量相加，得双层短距分布相绕组磁动势基波矢量：,ky1为基波磁动势短距系数，同电动势短距系数具有相同的物理意义。,单层整距分布绕组的基波磁动势,73,双层短距分布相绕组磁动势基波幅值,Fm1称
25、为双层短距分布相绕组脉振磁动势的振幅，它表示相绕组脉振磁动势幅值的最大值,kN1=ky1kq1为基波磁动势绕组系数N为双层绕组每相串联匝数 I=aIc为相电流有效值,74,将坐标原点定于相绕组轴线（线圈组中心线）处，从而双层短距分布相绕组基波磁动势的表达式为,75,对于相绕组磁动势中的次谐波，采用同样的方法可以推导出，当坐标原点取在相绕组轴线上，其磁动势的表达式,单相绕组磁动势的性质是脉振磁动势，它既是时间的函数又是空间角度函数；基波、谐波的波幅必在相绕组的轴线上；次谐波磁动势幅值与kN成正比，与成反比，因此，可以采用短距和分布绕组来削弱高次谐波。,单相绕组磁动势特点,76,A、B、C三相对称
26、绕组流过三相电流对称电流，设三相电流瞬时值表达式如下,二、三相绕组合成磁动势基波,A、B、C每相绕组产生的磁动势均为脉振磁动势，其基波的幅值位于各相绕组轴线上。,77,三相绕组轴线在空间相差120电角度，各相绕组磁动势基波空间相位差为120电角度。将空间坐标原点取在A相绕组的轴线上，于是三相绕组脉振磁动势基波的表达式分别为,t=90,78,三相合成磁动势基波表达式为,三相合成磁动势基波幅值,这是一种行波，即三相合成磁动势基波在空间旋转，波幅不变，是旋转磁动势 。,t=0,=0,t=t1,=t1,t=t2,=t2,79,三相合成磁动势基波旋转的电角速度和转速,某相电流达到正最大值时，合成磁动势与
27、该相绕组的轴线重合。旋转磁动势的转向与三相电流的相序有关，改变电流的相序可以改变旋转磁动势的转向。,80,三相对称绕组通入三相对称电流产生的三相合成磁动势基波是一个波幅恒定不变的旋转磁动势，其幅值等于每相脉振磁势振幅的32倍；合成磁动势基波的转速与三相电流的频率和绕组的极对数有关；当某相电流达到最大值时，合成磁动势的波幅刚好转到该相绕组的轴线上；电流在时间上经过多少角度，合成磁动势在空间上转过相同的电角度；旋转磁动势由超前相电流所在的相绕组轴线转向滞后相电流所在的相绕组轴线；改变电流的相序，则旋转磁动势改变转向。,三相绕组合成磁动势基波的特点总结如下：,81,例 一台三相异步电动机，定子采用双
28、层短距叠绕组，Y联接，定子槽数Z=48，极数2p=4，线圈匝数Nc=22，节距y1=10，每相并联支路数a=4，定子绕组相电流I=37A，f=50Hz，试求： (1) A相绕组所产生的磁动势基波； (2) 三相绕组所产生的合成磁动势基波及其转速。,解 极距槽距电角 每极每相槽数 每相串联匝数,82,短距系数 分布系数 绕组系数 每相脉振磁动势基波的振幅,83,将空间坐标原点取在A相绕组的轴线上，A相绕组脉振磁动势基波的表达式为 三相合成磁动势基波幅值 合成磁动势基波的表达式为合成磁动势基波的转速,84,三、三相绕组合成磁动势谐波,三相合成磁动势及其基波,A、B、C相绕组磁动势及其基波,Z=18
29、，p=1，y1=7三相双层绕组,三相合成磁动势是阶梯波；除基波外，有奇数次谐波。,85,3次谐波 各相的3次谐波磁动势表达式为,在三相对称绕组中，合成磁动势不存在3次及3的倍数次谐波，即不存在3，9，15，次谐波,86,2. 5次谐波和7次谐波,三相5次谐波的合成磁动势是一个幅值恒定的旋转波，其转速是基波转速的1/5，即n5=n1/5，转向与基波磁动势转向相反 。三相7次谐波的合成磁动势也是一个幅值恒定的旋转波，其转速是基波转速的1/7 ，即n7=n1/7 ，转向与基波磁动势转向相同 。当=6k-1(k=1,2,)时，三相合成与基波转向相反；当=6k1(k=1,2,)时，三相合成谐波磁动势与基
30、波转向相同。合成谐波磁动势的转速是基波转速的1/，即 n=n1/ 。,87,四、圆形和椭圆形旋转磁动势,在对称三相绕组中流过对称三相电流时，气隙中合成磁动势是一个幅值恒定、转速恒定的旋转磁动势，其波幅的轨迹是一个圆，称为圆形旋转磁动势，该磁场称为圆形旋转磁场。当三相电流不对称时，利用对称分量法，将它们分解成为正序、负序和零序分量：三相零序电流产生的合成磁动势为零；正序电流产生正向旋转磁动势F+，而负序电流产生反向旋转磁动势F-，即不对称电流在气隙中建立磁动势当F+=0或F-=0时，圆形旋转磁动势； 当F+和F-都存在，且F+F-时，椭圆形旋转磁动势； 当F+=F-时，便得到脉振磁动势，即一个脉
31、振磁动势可分解成两个旋转磁动势。,88,五、交流电机主磁通、漏磁通和漏电抗,当交流电机定子绕组接至三相电源时，便有对称三相电流在绕组中流过，在气隙中建立旋转磁动势、产生相应的旋转磁场。主磁通：由基波旋转磁动势所产生的穿过气隙与定子绕组、转子绕组同时相交链的基波磁通称为主磁通。,图示一台4极交流电机中主磁通分布情况。 主磁通经过的路径为：气隙、定子铁心、转子铁心。,89,漏磁通：定子三相电流产生与定子绕组相交链而不与转子绕组相交链的磁通，称为定子漏磁通，用1表示。定子漏磁通按路径可分为三部分。槽漏磁通：穿过定子槽的漏磁通。端部漏磁通：交链定子绕组端部的漏磁通。谐波漏磁通：定子绕组通入三相交流电时，除了产生基波旋转磁场外，在空间还产生一系列高次谐波磁动势及谐波磁通，称为谐波漏磁通。,
