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1、电机学交流电机绕组及其感应电动势,本章内容,旋转电机的基本作用原理,旋转电机的基本结构 定子（铁芯、绕组）转子（铁芯、绕组）气隙绕组励磁绕组通入电流产生磁场电枢绕组与磁场有相对运动，产生感应电动势，同时绕组中的电流与磁场相互作用产生电磁转矩，实现机电能量转换根据电枢绕组中的电流，分为交流电机和直流电机交流电机根据转速是否为同步转速分为同步电机和异步电机,旋转电机的基本作用原理,同步电机 定子上为三相对称绕组，匝数相同，空间位置互差120,转子上装有励磁绕组，通入直流电将产生一个磁场，它匝链定子各绕组,旋转电机的基本作用原理,旋转电机的基本作用原理,旋转电机的基本作用原理,异步电机,旋转电机的基
2、本作用原理,异步电机,旋转电机的基本作用原理,异步电机异步电动机定子上有三相对称的交流绕组；三相对称交流绕组通入三相对称交流电流时，将在电机气隙空间产生旋转磁场；转子绕组的导体处于旋转磁场中；转子导体切割磁力线，并产生感应电势，判断感应电势方向。转子导体通过端环自成闭路，并通过感应电流。感应电流与旋转磁场相互作用产生电磁力，判断电磁力的方向。电磁力作用在转子上将产生电磁转矩，并驱动转子旋转。根据以上电磁感应原理，异步电动机也叫感应电动机。,旋转电机的基本作用原理,旋转电机的基本作用原理,同步电机与异步电机主要结构部件对比,旋转电机的基本作用原理,在同步电机中，转子是主磁极，当外加的直流励磁电流
3、流入转子绕组时，转子铁芯便表现出固定的极性，随转子一起旋转，相当于一块旋转的磁铁,在异步电机中转子绕组是一个自行闭合的绕组，当气隙磁场切割转子绕组时，便会在转子绕组中感应电势产生电流，转子铁芯便表现为表面旋转变化的磁极,交流绕组,交流绕组的基本概念绕组：按一定规律排列和连接的线圈的总称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；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。在一定的导体数下，获得较大的基波电势和基波磁势。,交流绕组,交流绕组,电角度磁场每转过一对磁极，电势变化一个周期，称为（一个周期）360电角度。在电机中一对磁极所对应的角度定义为360
4、电角度。（几何上，把一圆周所对应的角度定义为360机械角度。）磁极对数为p圆周机械角度为360 电角度为 p*360,交流绕组,相带为了三相绕组对称，在每个极面下每相绕组应占有相等的范围相带。每个极对应于180电角度，如电机有m相，则每个相带占有(180/m)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、c、b、a、c、b相带，各相绕组放在各自的相带范围内,交流绕组,每极每相槽数q每个极面下每相占有的槽数。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为分数槽距角相邻两槽之间的电角度
5、,交流绕组,极距相邻两磁极对应位置两点之间的圆周距离 几何尺寸每极所对应的定子内圆弧长 D为定子内圆直径。槽数表示极距：即基波磁场每极所对应的槽数,交流绕组,交流绕组,节距 y(跨距)表示元件的宽度。元件放在槽内，其宽度可用元件两边所跨越的槽数表示。,交流绕组,分析工具：槽导体电势星形图把电枢上各槽内导体按正弦规律变化的电势分别用矢量表示，构成一辐射星形图,相距360度电角度，导体电势时间上同相位,交流绕组,三相单层绕组单层每槽中只放置一层元件边，元件数等于槽数的一半，无需层间绝缘，结构和嵌线较简单单层绕组只适用于10kW以下的小型异步电动机，其极对数通常是pl,2,3,4单层绕组通常有链式、
6、交叉式和同心式等三种不同排列方式单层绕组的构造方法和步骤分极分相:将总槽数按给定的极数均匀分开（N,S极相邻分布）并标记假设的感应电势方向。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。,交流绕组,连线圈和线圈组：将一对极域内属于同一相的某两个圈边连成一个线圈（共有q个线圈，为什么？）将一对极域内属于同一相的q个线圈连成一个线圈组（共有多少个线圈组？）以上连接应符合电势相加原则连相绕组：将属于同一相的p个线圈组连成一相绕组，并标记首尾端。串联与并联，电势相加原则。连三相绕组：将三个构造好的单相绕组连成完整的三相绕组 接法或者Y接法。,交流绕组,例如：相数m3，极数2p4，槽数Z24
7、每极每相槽数q2，槽距角=30，极距=Z/2p=24/4=6,交流绕组,交流绕组,交流绕组,一、链式绕组链式绕组适用于q=2，p1的小型异步电机。例如m3，p2，Z=24，q2，a=30,交流绕组,链式绕组的每个元件都是短距。从相电势和磁势角度看具有整距性质,交流绕组,二、交叉式绕组交叉式绕组适用于q3的小型异步电机例如：m3，p=2，q3。定子槽数Z=2mpq=2*3*2*336 槽距角a=p*360/Z=20,交流绕组,交流绕组,三、同心式绕组对于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，采用同心式绕组嵌线例如：m3，p=1，q4。则定子槽数Z=2mpq2*3*l*42
8、4，槽距角a15,交流绕组,交流绕组,交流绕组,小结：三相单层绕组在外形上有多种绕组型式：元件节距可以整距、短矩或长短，合理选用绕组型式，可以节省铜线，简化工艺。分析相电势：采用槽电势星形图。绕组型式不同只不过是元件构成方式不同、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，具有整距绕组性质优点：绕组因数中只有分布因数，基波绕组因数较高，无层间绝缘，槽利用率高缺点：对削弱高次谐波不利，无法改善电势波形和磁势波形，漏电抗较大使用：一般用于10kW以下小功率电机。（功率较大或对波形要求较高的电机，通常采用双层绕组。）,交
9、流绕组,三相双层绕组双层每槽中有两个元件边，分为上下两层放置。靠近槽口的为上层，靠近槽底部为下层。每个元件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。元件的总数等于槽数，每相元件数即为槽数的三分之一。构造方法和步骤（举例：Z1=24,2p=4,整距,m=3)分极分相:将总槽数按给定的极数均匀分开（N,S极相邻分布）并标记假设的感应电势方向；将每个极域的槽数按三相均匀分开。三相在空间错开120电角度。,交流绕组,连线圈和线圈组：根据给定的线圈节距连线圈（上层边与下层边合一个线圈）以上层边所在槽号标记线圈编号。将同一极域内属于同一相的某两个圈边连成一个线圈（共有q个线圈，为什么
10、？）将同一极域内属于同一相的q个线圈连成一个线圈组（共有多少个线圈组？）以上连接应符合电势相加原则 连相绕组：将属于同一相的2p个线圈组连成一相绕组，并标记首尾端。串联与并联，电势相加原则。按照同样的方法构造其他两相。连三相绕组 将三个构造好的单相绕组连成完整的三相绕组 接法或者Y接法,交流绕组,例：设相数m3，极数2p4，槽数Z24，则每极每相槽数q2，槽距角a30步骤：绘槽电势星形图分相使各相电势最大，且三相电势对称绘绕组元件平面展开图 首先画出等距离的24根平行线段以表示槽号表示各元件的上层边。在实线近旁画出虚线以表示下层元件边。把各槽按顺序编号，取槽号作为上层边的代号，取槽号加注上标作
11、为下层边代号。,交流绕组,交流绕组,当磁场切割绕组时，该四个元件组的电势大小相等，I、组电势时间上同相，、IV组电势与I、组电势反相。各元件组可以串联、并联、或一半串联后再并联。相绕组可以有不同连接方式，当通以电流形成4极磁场。,交流绕组,短距绕组取y5，每个元件跨5个槽，a相的4个元件组，分别是l-6-2-7，7-12-8-13，13-18-14-19，19-24-20-l,交流绕组,短距时，在某些槽中，其上层元件边与下层元件边可能不属一相，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，表示一个元件的上层导体电势和下层导体电
12、势的相位差是180-电角度，合成电势时应计及节距因数kp。,绕组感应电动势,元件的电势电势决定于磁场的大小与分布以及磁场与元件间的相对运动 设气隙磁场按正弦规律分布，则每极磁通 气隙磁场每转过一对磁极，线圈中的电势便经历一个周期。电势的频率用每秒转过的磁极对数表示。频率 极对数p，转速n(r/min)，,绕组感应电动势,绕组感应电动势,元件中的感应电势 e=-Nd/dt元件匝数为Nc，感应电势的瞬时值有效值,绕组感应电动势,元件中的感应电势 e=Blv设原点在转子上B=0处，即t=0时，B=0分析导体a t=0时，Ba=0，ea=Balv 经过时间t，转动了t，Ba=Bmsint，ea=Bal
13、v=Bmlvsint有效值,绕组感应电动势,整距线圈 导体a与导体a相距一个极距，即180电角度，元件电势为,绕组感应电动势,短距线圈 导体a与导体a相距非一个极距（差一短距角）元件电势为,Ea,Ea,-Ea,Eaa,绕组感应电动势,短距元件的电势小于整距元件的电势设短距角为电角度节距因数,绕组感应电动势,元件组电势电机采用分布绕组，每元件组有q个元件，元件组电势即为q个元件的电势之和。通常各元件匝数相等，所以各元件电势的幅值相等，由于各元件空间位置依次相位差a电角度，各元件电势的时间相位差也为a角度。,绕组感应电动势,分布因数 kd元件组各电势的相量和与代数和的比值绕组因数kN=kdkp，反
14、映分布和短距对电势的影响,绕组感应电动势,绕组的相电势1单层绕组每对极每相有一个元件组p对极电机，每相有p个元件组，可以串联、并连或混合连接。如有a条并联支路，则每相电势为,单层绕组每相串联匝数,绕组感应电动势,2双层绕组每对极每相有2个元件组p对极电机，每相有2p个元件组，可以串联、并连或混合连接。有a条并联支路,双层绕组每相串联匝数,绕组感应电动势,每相串联匝数设每槽导体数为S，对单层绕组Nc=S，双层Nc=S/2N为每相实有串联匝数NkN为有效串联匝数，kN反映绕组因采用短距和分布而使每相电势减小的程度,谐波电动势及其消弱方法,非正弦磁场下绕组的感应电势 在实际电机中，由于磁极的励磁磁动
15、势在气隙中产生的磁场并非是正弦波，因此在定子绕组内感应的电动势也并非正弦波，除了基波外还存在一系列谐波。以三相凸极同步电机为例，磁场是由转子电流激励产生的，气隙磁通密度实际是一个平顶波，可分解出基波和各奇次谐波(由于对称性)，基波磁场和各次谐波磁场均随转子而旋转 在定子绕组中不仅感应基波电势，还感应有各次谐波电势。,谐波电动势及其消弱方法,谐波电动势及其消弱方法,谐波电势,谐波电动势及其消弱方法,谐波电势的影响高次谐波电势对电势大小影响较小主要影响电势的波形在基波电势上叠加有高次谐波电势使波形变坏,引起发电机损耗增加，温升增高、效率降低。在输电线路上，谐波电势产生高频干扰，使输电线路时近的通信
16、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。异步电机中产生有害的附加转矩和损耗。,谐波电动势及其消弱方法,消除和减小高次谐波电势的方法从谐波性质：当接成星形连接时，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：使气隙磁场接近正弦分布，如采用适当的极靴宽度和不均匀的气隙长度(磁极中心气隙较小，磁极边缘的气隙较大)、励磁绕组的分布范围从绕组方面：采用短距、分布绕组,小结,交流绕组的组成原则 获得较大的基波电势，尽量减少谐波电势，且保持三相电势对称，同时考虑节约铜线和具有良好的工艺性。分析绕组的基本方法槽导体电势星形图，通过分析可以了解三相绕组的形成和特性。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，以削弱高次谐波、改善电势和磁势波形。绕组电势的计算公式与变压器线圈电势的相类似。由于绕组型式不同，相电势计算时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，存在谐波电势，对电机运行不利。,
