電機(jī)學(xué)電機(jī)繞組

1、交流電機(jī)的電樞繞組基本概念：基本概念： 線圈（繞組元件）：是線圈（繞組元件）：是構(gòu)成繞組的基本單元。繞構(gòu)成繞組的基本單元。繞組就是線圈按一定規(guī)律的組就是線圈按一定規(guī)律的排列和聯(lián)結(jié)。線圈可以區(qū)排列和聯(lián)結(jié)。線圈可以區(qū)分為多匝線圈和單匝線圈。分為多匝線圈和單匝線圈。與線圈相關(guān)的概念包與線圈相關(guān)的概念包括：有效邊；端部；括：有效邊；端部；線圈節(jié)距等線圈節(jié)距等 極距：極距：沿定子鐵心內(nèi)圓每個磁極所占的范圍；沿定子鐵心內(nèi)圓每個磁極所占的范圍； 用長度表示用長度表示/用槽數(shù)表示；用槽數(shù)表示； 電角度：電角度：電勢變化一個周期電勢變化一個周期(360電角度電角度) 轉(zhuǎn)子鐵心的橫截面是一個圓，其幾何角度為轉(zhuǎn)子鐵

2、心的橫截面是一個圓，其幾何角度為360度。度。 從電磁角度看，一對從電磁角度看，一對N,S極構(gòu)成一個磁場周期，極構(gòu)成一個磁場周期，即即1對極為對極為360電角度；電角度； 電機(jī)磁極對數(shù)電機(jī)磁極對數(shù)為為p時，氣隙圓時，氣隙圓周的角度數(shù)為周的角度數(shù)為p 360電角度。電角度。 單層繞組一個槽中只放一個元件邊； 雙層繞組一個槽中放兩個元件邊。單層繞組和雙層繞組單層繞組和雙層繞組 一個槽所占的電角度數(shù)稱為槽距角，用表示； 每個極域內(nèi)每相所占的槽數(shù)稱為每極每相槽數(shù)，用q表示。pmZq2槽距角，相數(shù)，每極每相槽槽距角，相數(shù)，每極每相槽數(shù)數(shù) 均勻原則：均勻原則：每個極域內(nèi)的槽數(shù)（線圈數(shù)）要相等，各每個極域內(nèi)

3、的槽數(shù)（線圈數(shù)）要相等，各相繞組在每個極域內(nèi)所占的槽數(shù)應(yīng)相等；相繞組在每個極域內(nèi)所占的槽數(shù)應(yīng)相等； 對稱原則：對稱原則：三相繞組的結(jié)構(gòu)完全一樣，但在電機(jī)的圓三相繞組的結(jié)構(gòu)完全一樣，但在電機(jī)的圓周空間互相錯開周空間互相錯開120電角度。電角度。 如槽距角為如槽距角為，則相鄰兩相錯開的槽數(shù)為則相鄰兩相錯開的槽數(shù)為120/。 電勢相加原則電勢相加原則：線圈兩個圈邊的感應(yīng)電勢應(yīng)該相加；：線圈兩個圈邊的感應(yīng)電勢應(yīng)該相加；線圈與線圈之間的連接也應(yīng)符合這一原則。線圈與線圈之間的連接也應(yīng)符合這一原則。 如線圈的一個邊在如線圈的一個邊在N極下，另一個應(yīng)在極下，另一個應(yīng)在S極下。極下。二、交流繞組的構(gòu)成原則二、交

4、流繞組的構(gòu)成原則對交流繞組的要求（1）交流繞組通電后， 必須形成規(guī)定的磁場極數(shù)；（2）多相繞組必須對稱， 不僅要求m相繞組的匝數(shù)N、跨距y1、線徑及在圓周上的分布情況相同， 而且m相繞組的軸線在空間上互差3600/m電角度。（3）交流繞組通過電流所建立的磁場在空間的分布為正弦分布，且旋轉(zhuǎn)磁場在交流繞組中感應(yīng)電動勢必須隨時間按正弦規(guī)律變化。 采用分布繞組和短距繞組。（4）在一定的導(dǎo)體數(shù)之下， 建立的磁場最強而且感應(yīng)電動勢最大。 因此線圈的跨距y1盡可能接近極距， 而且對于三相繞組盡可能采用600相帶。（每個極距內(nèi)屬于同一相的槽在圓周上連續(xù)所占有的電角度區(qū)域稱為相帶）。（5）用銅少；下線方便；強度

5、好。 相帶與電勢星形圖 交流繞組單層繞組雙層繞組同心式繞組鏈?zhǔn)嚼@組交叉鏈?zhǔn)嚼@組等元件式整距疊繞組雙層疊繞組雙層波繞組交流繞組的形式繞組展開圖 表示定子繞組的聯(lián)結(jié)關(guān)系 主要兩種：單層、雙層 畫法： 計算極距 每極每相槽數(shù) 計算相帶數(shù)、分相帶 相帶數(shù)=總槽數(shù)/q 或 =極數(shù)*3 即：6p 構(gòu)成線圈 構(gòu)成線圈組（極相組） 構(gòu)成相繞組：反相串聯(lián) （不同極面下線圈組的電流方向相反）等元件式整距單層疊繞組同心式繞組鏈?zhǔn)嚼@組交叉鏈?zhǔn)嚼@組雙層疊繞組單層疊繞組的構(gòu)成1. 分極分相：分極分相： 將總槽數(shù)按給定的極數(shù)均勻分開（將總槽數(shù)按給定的極數(shù)均勻分開（N、S極相鄰分極相鄰分布）并標(biāo)記假設(shè)的感應(yīng)電勢方向。布）并標(biāo)

6、記假設(shè)的感應(yīng)電勢方向。 將每個極域的槽數(shù)按三相均勻分開。三相在空間錯將每個極域的槽數(shù)按三相均勻分開。三相在空間錯開開120電角度。電角度。 實例：實例：Z24（槽）、（槽）、m3（相）、（相）、2p4（極）的（極）的單層疊繞組單層疊繞組基本步驟：基本步驟：pmZq2每極每相槽數(shù)每極每相槽數(shù)pmZq22. 連線圈和線圈組連線圈和線圈組： 將一對極域內(nèi)屬于同一相的某兩個線圈邊連成一個線圈，共有q個線圈。 將一對極域內(nèi)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(yīng)符合電勢相加原則。 連線圈和線圈組連線圈和線圈組線圈組連接 將屬于同一相的p個線圈組連成一相繞組，并標(biāo)記首尾端。

7、串聯(lián)與并聯(lián)：電勢相加原則。最大并聯(lián)支路數(shù)ap。連相繞組連相繞組 將三個構(gòu)造好的單相繞組連成完整的三相繞組； 接法或Y接法；連三相繞組連三相繞組實例：實例：Z1=24Z1=24，2p=42p=4，整距，整距，m=3 m=3 雙層疊繞組雙層疊繞組 分極分相分極分相： 將總槽數(shù)按給定的極數(shù)均勻分開（N、S極相鄰分布）并標(biāo)記假設(shè)的感應(yīng)電勢方向； 將每個極域的槽數(shù)按三相均勻分開。三相在空間錯開120電角度。 雙層疊繞組的構(gòu)成pmZq2每極每相槽數(shù) 根據(jù)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(biāo)記線圈編號； 將同一極域內(nèi)屬于同一相的某兩個線圈邊連成一個線圈（共有q個線圈，為什么

8、？）； 將同一極域內(nèi)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(yīng)符合電勢相加原則 。連線圈和線圈組連線圈和線圈組642421pZy線圈節(jié)距 將屬于同一相的2p個線圈組連成一相繞組，并標(biāo)記首尾端。 串聯(lián)與并聯(lián)，依照電勢相加原則。最大并聯(lián)支路數(shù)a2p 按照同樣的方法構(gòu)造其他兩相。 連三相繞組。 將三個構(gòu)造好的單相繞組連成完整的三相繞組。連相繞組連相繞組A相連接三相Y連接三相連接連三相繞組連三相繞組關(guān)于繞組一些概念復(fù)習(xí) 一根導(dǎo)體（一匝線圈的一個有效邊） 一匝線圈 一個線圈 一個極相組（一個線圈組） 相繞組（一相繞組） 電機(jī)繞組（三相繞組） 并聯(lián)支路數(shù) 每相串聯(lián)匝數(shù) 極數(shù) 極

9、相組數(shù)（每相）旋轉(zhuǎn)磁場是交流電機(jī)工作的基礎(chǔ)。在交流電機(jī)理論中有兩種旋轉(zhuǎn)磁場： (1) 機(jī)械旋轉(zhuǎn)磁場機(jī)械旋轉(zhuǎn)磁場 通過原動機(jī)拖動磁極旋轉(zhuǎn)可以產(chǎn)生機(jī)械旋轉(zhuǎn)磁場；(2) 電氣旋轉(zhuǎn)磁場電氣旋轉(zhuǎn)磁場 三相對稱的交流繞組通入三相對稱的交流電流時會在電機(jī)的氣隙空間產(chǎn)生電氣旋轉(zhuǎn)磁場； 交流繞組處于旋轉(zhuǎn)磁場中，并切割旋轉(zhuǎn)磁場，產(chǎn)生感應(yīng)電勢。交流繞組處于旋轉(zhuǎn)磁場中，并切割旋轉(zhuǎn)磁場，產(chǎn)生感應(yīng)電勢。43 交流繞組的感應(yīng)電動勢電氣旋轉(zhuǎn)磁場機(jī)械旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)磁場 交流繞組的構(gòu)成：導(dǎo)體-線圈-線圈組-一相繞組-三相繞組 。一、相繞組中的基本電動勢 感應(yīng)電勢隨時間時間變化的波形和磁感應(yīng)強度在空間空間的分布波形相一致。 只考慮磁

10、場基波時，感應(yīng)電勢為正弦波正弦波。 lvBtexx)(1、導(dǎo)體中的感應(yīng)電勢 感應(yīng)電勢的波形 磁場轉(zhuǎn)過一對極，導(dǎo)體中的感應(yīng)電勢變化一個周期； 磁場旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)過p（電機(jī)的極對數(shù)）對磁極； 轉(zhuǎn)速為n（r/min)的電機(jī)，每秒鐘轉(zhuǎn)過(pn/60)對極； 導(dǎo)體中感應(yīng)電勢的頻率f=(pn/60)Hz. 問題：四極電機(jī)，要使得導(dǎo)體中的感應(yīng)電勢為50Hz,轉(zhuǎn)速應(yīng)為多少？ 感應(yīng)電勢的頻率感應(yīng)電勢的大小 導(dǎo)體感應(yīng)電勢 導(dǎo)體與磁場的相對速度： lvBEn max60 2n/pv 磁感應(yīng)強度峰值和平均值之間的關(guān)系： 感應(yīng)電勢最大值： 感應(yīng)電勢的有效值：;2pBB1max22. 22fEEnn )( 22maxflf

11、flBEpn繞組中均勻分布著許多導(dǎo)體，這些導(dǎo)體中的感應(yīng)電勢有效值，頻率，波形有效值，頻率，波形均相同；但是他們的相位相位不相同。 導(dǎo)體感應(yīng)電勢小結(jié)：整距線圈中的感應(yīng)電勢 2、線圈中的感應(yīng)電勢 線圈的兩個有效邊處于磁場中相反的位置，其感應(yīng)電勢相差180電角度。 1212nnnyEEEE 整距線圈的感應(yīng)電勢： 考慮到線圈的匝數(shù)后：144. 4yyfNE 線圈的兩個有效邊在磁場中相距為y1,其感應(yīng)電勢相位差是180-電角度。 短距線圈中的感應(yīng)電勢 短距角：01180y 短距線圈的感應(yīng)電勢： 11144. 42cos2yynykfNEE 短距系數(shù)：)90sin(2cos22cos201111yEEkn

12、ny整距線圈電勢短距線圈電勢 短距系數(shù)小于1，故短距線圈感應(yīng)電勢有所損失；但短距可以削弱高次諧波. 每對極下屬于同一相的q個線圈，構(gòu)成一個線圈組。圖中q=3 每個線圈的感應(yīng)電勢由兩個線圈邊的感應(yīng)電勢矢量相加而成。 整個線圈組的感應(yīng)電勢由所有屬于該組的導(dǎo)體電勢矢量相加。 線圈組的感應(yīng)電勢 矢量式321yyyyzEEEE 分布系數(shù)：2sin2sin1qqqEEkyqq集中繞組的感應(yīng)電勢分布繞組的感應(yīng)電勢 線圈組的電勢：q11k 44.4yqqNfE線圈組的感應(yīng)電勢3、一相繞組的電勢單層繞組的相電勢 單層繞組每對極每相q個線圈，組成一個線圈組，共p個線圈組。 若p個線圈組全部并聯(lián)則相電勢=線圈組的電

13、勢 若p個線圈組全部串聯(lián)則相電勢=p 倍 線圈組電勢 實際線圈組可并可串，總串聯(lián)匝數(shù) apqNNy并聯(lián)支路數(shù)每相總匝數(shù)1111444q kfN.E 相電勢： 雙層繞組每對極每相有2q個線圈，構(gòu)成兩個線圈組，共2p個線圈組； 這2p個線圈組可并可串，總串聯(lián)匝數(shù) 雙層繞組的電勢apqNNy21并聯(lián)支路數(shù)每相總匝數(shù) 雙層繞組要考慮到短距系數(shù)： 1 1111 1144. 444. 4wqykfNkkfNE為繞組系數(shù)：111qywkkk 三相繞組由在空間錯開120電角度對稱分布的三個單相繞組構(gòu)成，三相相電勢在時間上相差120度電角度。 三相線電勢與相電勢的關(guān)系： 三角形接法，線電勢=相電勢； 星形接法，

14、三相繞組的電勢相電勢線電勢 3 正弦分布的以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場，在三相對成交流繞組中會感應(yīng)出三相對稱交流電勢； 感應(yīng)電勢的波形同磁場波形，為正弦波； 感應(yīng)電勢的頻率為 f=(pn/60)Hz ；2sin2sin1qqkq)90sin(2cos011yky1 1111 1144. 444. 4wqykfNkkfNE 相電勢的大小為 111qywkkk 繞組系數(shù)三相繞組電勢總結(jié)二、相繞組中的高次諧波電動勢由于種種原因（定轉(zhuǎn)子鐵芯開槽、主極的外形、鐵心的飽和、氣隙磁場的非正弦分布）， 主極磁場在氣隙中不一定是正弦分布， 此時繞組的感應(yīng)電動勢中， 除基波外還有一系列高次諧波電動勢。 通常，主極磁場的

15、分布與磁極中心線相對稱， 故氣隙磁場中含有奇次空間諧波。 1、3、5 1、主極磁場產(chǎn)生次諧波的性質(zhì) 極對數(shù)為基波的倍，極距為基波的1/ ，隨主極一起以同步轉(zhuǎn)速在空間移動。即 ; ; 1 nn pp 諧波頻率：11 6060fpnnpf 諧波電動勢的有效值：wkwfE44.4為次諧波的磁通量， lB2wk為次諧波的繞組系數(shù)，)2sin2sin()90(sin01qqykkkqyw齒諧波電動勢有一種諧波121mqpZ與一對極下的齒數(shù)Z/p之間有特定的關(guān)系。 稱為齒諧波。特點：諧波繞組因數(shù)恰等于基波的繞組因數(shù)。1111010111010101012sin2sin)2180sin()2180sin(2

16、) 12sin(2) 12sin( 90sin)90180sin(90) 12sin( qykqqqqqmqqqmqkyyyymq2、相電動勢和線電動勢大小 相電動勢的有效值：252321EEEE 線電動勢的有效值： 三相繞組接成Y或， 對于對稱的三相系統(tǒng)， 各相電動勢的三次諧波時間上同相， 幅值相等。 Y連接， 三次諧波互相抵消； 連接， 三次諧波形成環(huán)路， E3完全消耗與環(huán)流的電壓降。 25213EEEl線電動勢：3、諧波的弊害高次諧波： 對于發(fā)電機(jī)，電動勢波形變壞， 降低供電質(zhì)量； 本身雜散損耗增大， 效率下降， 溫升增高； 對鄰近線路產(chǎn)生干擾。4、消除諧波的方法wkfE44. 4根據(jù)減

17、小 或 可降低諧波， 對齒諧波采用其它措施。wk（1）采用短距繞組適當(dāng)?shù)剡x擇線圈的節(jié)距， 使得某一次諧波的短距系數(shù)等于或接近零， 達(dá)到消除或減弱該次諧波的目的。 ), 2 , 1(2 18090 090sin100101kkykyykyv例：為消除5次諧波， ，或54 ,5211yy從不過分消除基波和用銅考慮， 應(yīng)選盡可能接近于整距的短節(jié)距。即2k1， ky21對于此時， 11y換言之， 為了消除第次諧波， 只要選比整距短 的短距線圈跨距的選擇（1）消除5次諧波的跨距選擇短距繞組往往采用 , 主要考慮同時減小5次、7次諧波。 65對于5次諧波， 選用54對于7次諧波， 選用76（2）采用分布繞

18、組就分布繞組來說， 每極每相槽數(shù)q越多， 抑制諧波電動勢的效果越好， 但q增多， 意味總槽數(shù)增多， 電機(jī)成本提高。 2sin2sinqqkq采用分布繞組采用短距和分布繞組的方法主要針對齒諧波以外的一般高次諧波， 對于齒諧波，它的繞組系數(shù)等于基波繞組系數(shù)， 不能采用通用的短距和分布繞組的方法。 對于齒諧波， 可采用斜槽， 采用分?jǐn)?shù)槽的方法進(jìn)行消除。 另外也可在電機(jī)設(shè)計過程中， 通過減小槽開口和槽形設(shè)計等方法進(jìn)行高次諧波的減弱或消除。 齒諧波的消除44交流繞組建立的磁動勢一、交流電機(jī)定子單相繞組的磁勢1、單個整距集中繞組的磁勢 一個整距線圈在異步電機(jī)中產(chǎn)生的磁勢 磁力線穿過轉(zhuǎn)子鐵心，定子鐵心和兩個

19、氣隙 相對于氣隙而言，由于鐵心磁導(dǎo)率極大，其上消耗的磁勢降可以忽略不計 ，線圈在一個氣隙上施加的磁勢為： yyyiNf21 如果通過線圈的電流為正弦波， 則矩形波的高度也將按正弦變化。 一個位置固定，幅值隨時間按整弦變化，矩形脈振磁勢。矩形脈振磁勢 脈振磁勢可以表示為 tcosF tcos22yyyyINfyyyINF22為幅值 按照富立葉級數(shù)分解的方法可以把矩形波分解為基波和一系列諧波 基波幅值為：yyyyyyININFF9 . 022441 高次諧波的幅值為yyyyINFF9 . 011 矩形波脈振磁勢的分解基波在空間按正弦分布；在時間上，任何一個位置的磁勢都按正弦變化。所以基波是一個正弦

20、分布的正弦脈振磁勢。其表達(dá)式為： tcoscos11xFfyy2、 （1）整距分布繞組的磁勢 由q個線圈構(gòu)成的線圈組，由于線圈與線圈之間錯開一個槽距角，稱為分布繞組。 取單個線圈的基波進(jìn)行分析（為正弦脈振磁勢），q個正弦脈振磁勢在空間依次錯開一個槽距角； 線圈組的磁勢為：11119 . 0qyyqyqkqNIkqFF2sin2sin111qqqFFkyqq（2）雙層短距繞組的磁勢 雙層整距繞組可以等效為兩個整距單層繞組 兩個等效單層繞組在空間分布上錯開一定的角度，這個角度等于短距角； 雙層短距繞組的磁勢等于錯開一個短距角的兩個單層繞組的磁勢在空間疊加。雙層短距繞組的磁勢為：111111)2(9

21、 . 022cos2yqyyyqqkkqNIkFFF)90sin(2cos22cos201111yFFkqqy如果只看每對極產(chǎn)生的磁動勢， 與上面的兩極電機(jī)完全一樣， 所以多極電機(jī)只研究每對極磁動勢就行了。 一相繞組的總磁動勢平均作用于各個磁極， 單相繞組磁動勢， 不是一相繞組的總磁動勢， 而是作用于一個磁極的磁動勢。 2yyiN2yyiN-90090027003、 單相繞組磁勢的統(tǒng)一表達(dá)式 為了統(tǒng)一表示相繞組的磁勢，引入每相電流I、每相串聯(lián)匝數(shù)N1等概念。單層繞組）雙層繞組）；(2 ;11apqNNapqNNaIIyyy 統(tǒng)一公式：1111119 . 0229 . 0wyqkpNIkkpqa

22、NqaIF 單相繞組產(chǎn)生的基波磁勢仍然是正弦脈振磁勢，磁勢幅值位置與繞組軸線重合，時間上按正弦規(guī)律脈振。 tcoscos11xFfwyqkpNIkkpqaNqaIF119 . 0229 . 01 單相繞組產(chǎn)生的諧波磁勢也是正弦脈振磁勢，時間上按正弦規(guī)律脈振。 tcoscosxFf 考慮單相繞組電流產(chǎn)生的諧波磁勢， 其統(tǒng)一表達(dá)式為：二、三相基波旋轉(zhuǎn)磁勢單相正弦脈振磁勢的分解： 設(shè)A相繞組通過電流： tcos2Iia 其基波磁勢為: tcoscos1xFfa-11FF t)cos(21 t)cos(21xFxFfa F最高點的運行軌跡為xt ，即最高點的位置隨時間以角速度運動。 F最高點的運行軌跡

23、為xt ，即最高點的位置隨時間以角速度運動。 F+波是一個旋轉(zhuǎn)波，在氣隙空間以角度速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為：pfpfpn602260260 單相正弦脈動磁勢可以分解為兩個轉(zhuǎn)向相反的旋轉(zhuǎn)磁勢。三相基波磁勢合成旋轉(zhuǎn)磁勢 三相對稱電流：三相對稱電流通過三相對稱繞組時各自產(chǎn)生的磁勢：)480 cos(21) cos(21)240 cos()240cos()240 cos(21) cos(21)120 cos()120cos() cos(21) cos(21 coscos011001011001111txFtxFtxFftxFtxFtxFftxFtxFtxFfcba)120 tcos(2)120- tcos(2

24、tcos200IiIiIicba三相合成磁勢為) cos(2311txFffffcba 三相對稱交流繞組通過三相對稱電流時將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁勢。關(guān)于旋轉(zhuǎn)磁勢的進(jìn)一步討論 三相對稱交流繞組通過三相對稱交流電流時，三個反向旋轉(zhuǎn)磁勢在空間錯開120電角度相互抵消，三個正向旋轉(zhuǎn)磁勢在空間同相位，合成一個圓形旋轉(zhuǎn)磁勢。 圓形旋轉(zhuǎn)磁勢的幅值為：111135. 119 . 023231wwkpNIkpNIFF 圓形旋轉(zhuǎn)磁勢的轉(zhuǎn)速為：pfn60 當(dāng)某相電流達(dá)到最大值時，旋轉(zhuǎn)磁勢的波幅剛好轉(zhuǎn)到該線繞組的軸線上，旋轉(zhuǎn)磁勢的轉(zhuǎn)向:由帶有超前電流的相轉(zhuǎn)向帶有滯后電流的相。)120 tcos(2)120- tcos(2 tcos200IiIiIicba) cos(2311txFf 改變旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向的方法：調(diào)換任意兩相電源線（改變相序） 旋轉(zhuǎn)磁勢三相繞組的合成次諧波磁動勢（1）三次諧波磁動勢的極對數(shù)是基波的三倍， 三相繞組各自建立的三次諧