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1、电 机 学 讲 义,李珍国（，电气馆C-407）,燕山大学 电气工程学院 电机与控制研究室http:/,教材及教学安排,教材：电机学 汤运璆、史乃 机械工业出版社 性质：电气工程类专业的一门主干课；本专业的一门重要技术基础课；通过本课程的学习，使学生掌握各类电机的运行性能 具有相当强的理论性（基础性）和实践性（技术性）内容：绪论第六章 同步电机 考核：,第四章交流绕组及其电势和磁势,交流电机,这两类电机转子结构、工作原理、励磁方式和性能不同。但定子部分是相同的。即定子中所发生的电磁过程以及机电能量转换的机理和条件是相同的。因此可以采用同一的观点来研究。,感应电机,同步电机,1.交流绕组的连接规
2、律 2.正弦磁场下交流绕组的感应电动势 3.通有正弦电流时单相绕组的磁动势 4.通有对称三相电流时的磁动势,本章主要内容,4.1 交流绕组的构成原则和分类,一、构成原则,(1)合成电动势和合成磁动势的波形要接近于正弦形、幅值要大；(2)对三相绕组，各相的电动势和磁动势要对称，电阻、电抗要平衡；(3)绕组的铜耗要小，用铜量要省；(4)绝缘要可靠，机械强度、散热条件要好，制造要方便。,二、分类,按相数：单相和多相绕组；按槽内层数：单层和双层；按每极下每相槽数：整数槽和分数槽；按绕法：叠绕组和波绕组。,三相双层整数槽绕组,4.2 三相双层绕组,的三相交流电机，其定子绕组大多采用双层绕组。,图41 双
3、层绕组,双层绕组特点：绕组的线圈元件数等于槽数。,双层绕组主要优点：,一、槽电动势星形图和相带划分,现以一台相数，极数，槽数 的定子来说明槽内导体的感应电动势和属于各相的导体（槽号）是如何分配的。,1、概念,定子每极每相槽数：,相邻两槽间电角度（槽距电角度）,（此角亦是相邻槽中导体感应电动势的相位差。）,2、槽电动势的星形图,图42 三相双层绕组的槽电动势星形图,如图42表示36槽内导体感应电动势的相量图，亦称为槽电动势星形图。怎么分相？,以A相位例，由于，故A相共有12个槽相带：每极下每相所占的区域。A相带：1、2、3线圈组（）与19、20、21（）X相带：10、11、12（）与 28、29
4、、30（）将四个线圈组按照一定的规律连接，即可得到A相绕组。同理，B相距离A相 电角度处，C相距离A相 电角度处，可按(图42)所划分的相带连成B、C两相绕组。由此可得到一个三相对称绕组。,相带绕组：每个相带各占 电角度。,表4-1 各个相带的槽号分布,二、叠绕组,叠绕组：绕组嵌线时，相邻得两个串联线圈中，后一个线圈紧“叠”在前一个线圈上。,图4-4 三相双层叠绕组的A绕组的展开图,极相组的电动势、电流方向与极相组的电动势电流方向相反。为避免电动势或电流所形成的磁场互相抵消，串联时应将极相组和极相组反向串联，即首首相连把尾端引出，或尾尾相连把首端引出。,并联支路数,4.3 正弦磁场下交流绕组的
5、感应电动势,推导气隙磁场为正弦分布时，定子绕组内的感应电势：,一根导体感应电势,线圈感应电势,绕组感应电势,一、导体的感应电动势,1、电动势的波形,可知感应电势波形取决于磁密波形,假设气隙磁通密度沿定子内径的分布为：,气隙磁通密度的幅值,距离原点的电角度,则N极下感应电势方向为“”S极下感应电势方向为“”,原点,以导体1为例，设 时，导体处于原点。则导体中的感应电势为,气隙磁场的旋转角频率（rad/s）,有效值,原点,可见若磁场为正选分布，且恒速旋转，则定子导体中的感应电势是随时间正选变化的交流电势。,2、正弦电动势的频率,若是2对极电机，磁场每旋转一圈时定子感应电势会交变2次。依此类推，若是
6、p对极电机，磁场每旋转一圈时定子感应电势会交变p次。因此设磁场的旋转速度为时，感应电势频率为,我国工业标准频率为50Hz，所以感应电势频率也应是50Hz。磁场旋转速度为：,原点,称之为同步转速。,3、导体电动势的有效值,二、整距线圈的电动势,由于是整距线圈，所以 线圈的一个线圈边若在N极下，则另一边肯定在S极下。即感应电势互差180，大小相等，方向相反。,若线圈是单匝，则整距线圈电势为,单匝整距线圈感应电势有效值为,若线圈为 匝，则整距线圈感应电势有效值为,三、短距线圈的电动势，节距因数,由于是短距线圈，所以 线圈的两个线圈边感应电势,若线圈是单匝，则短距线圈电势为,单匝短距线圈感应电势有效值
7、为,若线圈为 匝，则短距线圈感应电势有效值为,相位差为,基波节距因数,四、分布绕组的电动势，分布因数,原点,一个极下属于同一相的线圈有 个,由于每个线圈放在不同槽内，而线圈的空间位置不会相同，这样每相就形成分布绕组（相反：集中绕组）,每极每相线圈内 个线圈串联，形成合成电势，其有效值为,式中，外接圆的半径。,图4-10 极相组的合成电动势,把 代入上式，得,基波分布因数,的意义：由于绕组分布在不同的槽内，使得个分布线圈的合成电动势 小于 个集中线圈的合成电动势，由此所引起的折扣。,五、绕组因数,每极每相线圈内 个线圈串联形成的合成电势，其有效值为,式中，个线圈的总匝数；,绕组的基波绕组因数。,
8、的意义：既考虑绕组短距、又考虑绕组分布时，整个绕组的合成电动势所须的总折扣。,六、相电动势和线电动势,设一相绕组的总串联匝数为，则一相的电动势应 为,七、短距绕组、分布绕组对电动势波形的影响,对V次谐波：,改善电动势波形的方法:,（）采用短距绕组来削弱高次谐波,（）采用分布绕组来削弱高次谐波,改善主磁极磁场的分布,改善交流绕组的构成，削弱谐波电动势,采用接线消除线电动势中的三及其倍数的奇次谐波,4.5 通有正弦电流时单相绕组的磁动势,研究某一相绕组通有正弦电流时，气隙上的磁势。,整距线圈的磁势,双层整距分布绕组的磁势,双层短距分布绕组的磁势,单相绕组的磁势,为简化分析，假设:,（1）定、转子铁
9、芯内的磁压降忽略 不计。,（2）定、转子之间的气隙为均匀。,（3）槽内电流集中于槽中心处。,一、整距线圈的磁动势,一台两极气隙均匀的交流电机,一个整距绕组通入交流电流,线圈磁动势在某瞬间的分布如图,由全电流定律得:,a)整距线圈产生的磁场,b)整距线圈的磁势,忽略铁心磁阻,磁动势完全降落在两个气隙上.每个气隙的磁动势为:,空间分布为矩形波,随时间按正弦规律变化.变化频率为电流频率。,空间位置不变而幅值和方向随时间变化的磁动势称为脉动磁动势。,矩形波磁动势可能分解为基波和一系列高次谐波:,其中基波磁动势为:,整距绕组基波磁势在空间按余弦分布，幅值位于绕组轴线，空间每一点的磁动势大小按正弦规律变化
10、仍然为脉动磁势。,用电角度表示的空间距离,二、双层短距分布绕组的磁动势,1.单层整距分布绕组的磁势,a)各整距线圈的空间位置,b)各整距线圈的基波磁势相量,c)整距分布绕组的基波磁势相量,每极下每相分布绕组由q个整距线圈串联构成，依次在定子圆周空间错开槽距角,绕组的基波磁动势为q个线圈基波磁动势的空间矢量和：,q个,基波磁势空间相量大小为,基波分布因数,2.双层整距分布绕组的磁势,每相串联匝数,相电流,双层整距分布绕组的基波磁势空间相量大小为,双层整距线圈的空间位置,3.双层短距分布绕组的磁势,a）双层短距线圈的空间位置,b）双层短距线圈的基波磁势相量,由于磁势大小仅仅取决于线圈在槽内的有效边
11、的分布情况和其电流值，与线圈边的连接次序无关。因此可把短距分布绕组分成两个空间错开 电角的单层整距分布绕组。,其中 角为短距线圈的节距比整距时缩短的电角度，即,双层短距分布绕组的基波磁势空间相量大小为,基波短距因数,基波绕组因数,三、单相绕组的磁动势,由于各对极下的磁势和磁阻组成一个对称的分支磁路。所以一相绕组的磁势就等于一个极相组的磁势，即,单相绕组基波磁势的幅值：,单相绕组基波磁势的瞬时值：,每极每相有效串联匝数,单相绕组基波磁势幅值,单相绕组基波磁势幅值：,可见单相绕组基波磁势在空间按余弦规律分布，在时间上也按余弦规律脉振。即为脉振磁势（脉振磁场）。脉振频率为电流的电频率。,图4-21
12、不同瞬间时单相绕组的基波脉振磁势,四、单相脉动磁动势的分解,即一个脉动磁动势可以分解成两个幅值大小相等的磁动势。,先分析,取幅值点分析,（1）随着时间推移 朝 轴正方向移动，故 称为正向旋转磁动势,综上分析,（2）的幅值为单相基波磁动势幅值的一半,（3）线速度为,旋转速度,的性质与 性质基本一致，只是旋转方向是 的负方向。,(1)单相绕组的基波磁动势为脉动,它可以分解为大小相等、转速相同而转向相反的两个旋转磁场。,(2)反之,满足上述性质的两个旋转磁动势的合成即为脉动磁动势。,(3)由于正方向或反方向的旋转磁动势在旋转过程中，大小不变，两矢量顶点的轨迹为一圆形，所以这两个磁动势为圆形旋转磁动势
13、。,可见,4.6 通有对称三相电流时三相绕组的磁动势,交流电机的三相对称绕组,通入三相对称电流，磁动势就是三相的合成磁动势。,图4-22 一台两极三相交流电机的定子示意图,一、三相绕组的基波合成磁势,取A相绕组轴线位置 空间坐标原点、以相序的方向 的参考方向、A相电流为零时 时间起点，则各相基波磁动势分别为：,把上式的各相基波磁动势用正序和反序的旋转磁势来表示，分别为：,三相的合成磁动势：,可见：三相合成磁动势也是一个圆形旋转磁动势。,为了分析旋转磁动势的旋转方向，设三相对称电流按余弦规律变化，A相电流最大时为计时点，电流取首出尾进为正，电流波形和各时刻旋转磁动势的位置如图所示：,用图解法分析不同时刻三相合成磁动势(超前向滞后旋转）,三相对称绕组通入三相对称电流，产生的基波合成磁动势是一个幅值恒定不变的圆形旋转磁动势，它有以下主要性质：,(1)幅值是单相脉动磁动势最大幅值的3/2倍。(2)转向由电流相序决定,从载有超前电流相转到载有滞后电流相.(3)转速决定于电流的频率和电机的磁极对数(4)当某相电流达最大值时,旋转磁动势的波幅位置刚好转到该相 绕组的轴线位置上,产生圆形旋转磁动势的条件：一是三相或多相对称绕组；二是三相或多相对称电流。两个条件有一个不满足，即产生椭圆形旋转磁动势。,
