第六章交流電機(jī)的共同問題

1、交流電機(jī)的共同問題之交流電機(jī)的共同問題之第六章第六章 交流電機(jī)的繞組交流電機(jī)的繞組及其感應(yīng)電動勢及其感應(yīng)電動勢交流電機(jī)的繞組交流電機(jī)的繞組l交流電機(jī)：產(chǎn)生或使用交流電能的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。l兩大類：同步電機(jī)速度等于同步速異步電機(jī)速度不等于同步速同步速同步速旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速例：三相同步電機(jī)（磁極對數(shù)例：三相同步電機(jī)（磁極對數(shù)p=1)l定子、轉(zhuǎn)子、空氣隙空氣隙定子上嵌放有對稱的三相繞組a-x、b-y、c-z對稱是指各相繞組的匝數(shù)相對稱是指各相繞組的匝數(shù)相等，空間位置彼此相距等，空間位置彼此相距120120轉(zhuǎn)子繞組通以直流電流形成分布磁場，匝鏈定子上的各相繞組設(shè)磁場在氣隙中按正弦分布設(shè)磁場在氣隙

2、中按正弦分布l設(shè)轉(zhuǎn)子以恒定速度旋轉(zhuǎn)l定子繞組中所匝鏈的磁通按正弦規(guī)律變化，其感應(yīng)電勢按正弦規(guī)律變化。l由于各相匝數(shù)相等，從而各相電勢的大小相等，由于各相繞組空間分布彼此相距120，從而三相電勢時間相位差120滿滿足了三相電勢對稱要求足了三相電勢對稱要求。三相電勢對稱例：例： p=2l每相兩個線圈，a1-x1、a2-x2屬于a相，b1-y1、b2-y2屬于b相，c1-z1、c2-z2屬于c相。l各相的兩個線圈的分布： 空間上空間上相距一對磁極 電勢看電勢看兩個線圈交鏈的磁通變化規(guī)律完全相同，因而感應(yīng)電勢完全相同（幅值一致，時間上同相位）。例：三相異步電機(jī)例：三相異步電機(jī)電磁過程電磁過程異步電動機(jī)

3、定子上有三相對稱的交流繞組；三相對稱交流繞組通入三相對稱交流電流時，將在電機(jī)氣隙空間產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場； 轉(zhuǎn)子繞組的導(dǎo)體處于旋轉(zhuǎn)磁場中；轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁力線，并產(chǎn)生感應(yīng)電勢，判斷感應(yīng)電勢方向。 轉(zhuǎn)子導(dǎo)體通過端環(huán)自成閉路，并通過感應(yīng)電流。感應(yīng)電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生電磁力，判斷電磁力的方向。 電磁力作用在轉(zhuǎn)子上將產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，并驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。根據(jù)以上電磁感應(yīng)原理，異步電動機(jī)也叫感應(yīng)電動機(jī)。 交流繞組的基本概念交流繞組的基本概念l繞組：按一定規(guī)律排列和連接的線圈的總稱要求磁勢和磁勢和電勢的波形為正弦波形電勢的波形為正弦波形；要求磁勢和電勢三相對稱，三相電壓對稱三相電壓對稱；電力系統(tǒng)都有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)頻率有統(tǒng)

4、一的標(biāo)準(zhǔn)頻率，我國規(guī)定工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)頻率為50Hz。 在一定的導(dǎo)體數(shù)下，獲得較大的基波電勢和基波磁勢。交流繞組的構(gòu)成原則交流繞組的構(gòu)成原則均勻原則均勻原則：每個極域內(nèi)的槽數(shù)（線圈數(shù)）要相等，各相繞組在每個極域內(nèi)所占的槽數(shù)應(yīng)相等 每極槽數(shù)用極距表示 每極每相槽數(shù) 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)的圓周空間互相錯開120電角度。 如槽距角為，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N極下，另一個應(yīng)在S極下。元件元件(線圈線圈)術(shù)語術(shù)語1：電角度l磁場每轉(zhuǎn)過一對磁極，電勢變化一個周期

5、，稱為（一個周期）360電角度。在電機(jī)中一對磁極一對磁極所對應(yīng)的角度定義為所對應(yīng)的角度定義為360360電角度電角度。（幾何上，把一圓周所對應(yīng)的角度定義為360機(jī)械角度。）l磁極對數(shù)為p圓周機(jī)械角度為360電角度為 p*360 術(shù)語術(shù)語2：相帶l為了三相繞組對稱，在每個極面下每相繞組應(yīng)在每個極面下每相繞組應(yīng)占有相等的范圍占有相等的范圍相帶相帶。l每個極對應(yīng)于180電角度，如電機(jī)有m相，則每個相帶占有 電角度。三相電機(jī)m3，其相帶為60，按60相帶排列的繞組稱為60相帶繞組。m18060相帶繞組l把每對極每對極所對應(yīng)的定子槽等分為六個等分。依次稱為a、c、b、a、c、b相帶，各相繞組放在各自的相

6、帶范圍內(nèi)術(shù)語術(shù)語3：每極每相槽數(shù)每極每相槽數(shù)q ql每個極面下每相占有的槽數(shù)每個極面下每相占有的槽數(shù)。已知總槽數(shù)Z、極對數(shù)p和相數(shù)m為，則 lq1分布繞組l整數(shù)槽繞組q為整數(shù)l分?jǐn)?shù)槽繞組q為分?jǐn)?shù)pmZq2術(shù)語術(shù)語4：槽距角槽距角 l相鄰兩槽之間的相鄰兩槽之間的電角度電角度l已知總槽數(shù)Z、極對數(shù)pp * 360 =Z圓周的電角度術(shù)語術(shù)語5：極距極距l(xiāng)相鄰兩磁極對應(yīng)位置兩點(diǎn)之間的圓周距離相鄰兩磁極對應(yīng)位置兩點(diǎn)之間的圓周距離 幾何尺寸每極所對應(yīng)的定子內(nèi)圓弧長 設(shè)D為定子內(nèi)圓直徑。l槽數(shù)表示極距： 即基波磁場每極所對應(yīng)的槽數(shù)pD2pZ2術(shù)語術(shù)語6：節(jié)距節(jié)距 y (y (跨距跨距) )l表示元件的寬度。

7、元件放在槽內(nèi)，其寬度可用用元件兩邊所跨越的槽數(shù)表示元件兩邊所跨越的槽數(shù)表示。 分析工具：槽導(dǎo)體電勢星形圖分析工具：槽導(dǎo)體電勢星形圖把電樞上各槽內(nèi)導(dǎo)體按正弦規(guī)律變化的電勢分別用矢量表示，構(gòu)成一輻射把電樞上各槽內(nèi)導(dǎo)體按正弦規(guī)律變化的電勢分別用矢量表示，構(gòu)成一輻射星形圖星形圖相距360度電角度，導(dǎo)體電勢時間上同相位三相單層繞組三相單層繞組l單層每槽中只放置一層元件邊，元件數(shù)等于槽數(shù)的一半，無需層間絕緣，結(jié)構(gòu)和嵌線較簡單l單層繞組只適用于10kW以下的小型異步電動機(jī)，其極對數(shù)通常是pl,2,3,4l單層繞組通常有鏈?zhǔn)?、交叉式和同心式等三種不同排列方式單層繞組：構(gòu)造方法和步驟分極分相分極分相: 將總槽數(shù)

8、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。 將每個極的槽數(shù)按三相均勻分開。三相在空間錯開120電角度。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圈邊連成一個線圈（共有q個線圈，為什么？） 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相繞組：連相繞組： 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。 串聯(lián)與并聯(lián)，電勢相加原則。連三相繞組：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 接法或者Y接法。 相 帶極 對acbacb第一對極1,23,45,67,89,10 11,12第二對

9、極13,14 15,16 17,18 19,20 21,22 23,24例如：相數(shù)m3，極數(shù)2p4，槽數(shù)Z24每極每相槽數(shù)q 2槽距角 =30極距=Z/2p=24/4=6pmZ2Zp 360*說明：說明：l屬于a相8個槽，即l、2、7、8、13、14、19、20l根據(jù)槽導(dǎo)體電勢星形圖，按電勢相加原則構(gòu)成元件，每個元件都是整距，y=6槽，即每元件的跨距為6個槽，同為單層，每相每對極可以連接成一個元件組。l2對極，每相2個元件組，1728，13一19一1420。l元件組之間可串聯(lián)或并聯(lián)形成不同并聯(lián)支路數(shù)l單層繞組每相有單層繞組每相有p p個元件組，如串聯(lián)方式連接，則并聯(lián)支個元件組，如串聯(lián)方式連接，

10、則并聯(lián)支路路a a1 1，相電勢相電勢E=E=pEqpEq，相電流相電流I IIcIc。每相功率每相功率P PEIEIpEqIcpEqIc。* 連連成成三相繞組三相繞組一、鏈?zhǔn)嚼@組一、鏈?zhǔn)嚼@組65yl鏈?zhǔn)嚼@組適用于q=2，p1的小型異步電機(jī)。例如m3，p2，Z=24，q2，a=30l鏈?zhǔn)嚼@組的每個元件都是短距。從相電勢和磁鏈?zhǔn)嚼@組的每個元件都是短距。從相電勢和磁勢角度看勢角度看具有整距性質(zhì)具有整距性質(zhì)二、交叉式繞組二、交叉式繞組l交叉式繞組適用于q3的小型異步電機(jī)例如：m3，p=2，q3。 定子槽數(shù)Z=2mpq=2*3*2*336 槽距角a=p*360/Z=20l屬于a相的元件有1、2、3、1

11、0、ll、12、19、20、21、28、29、30共12個元件邊y=8y=7l210，311相連，是節(jié)距為8的（大）線圈l1219相連，節(jié)距為7的（小）線圈l2028，2129相連，節(jié)距為8的大線圈l301相連，節(jié)距為7的小線圈。依次二大一小交叉布置為交叉式繞組lb相和c相的連接規(guī)律與a相完全一樣，a=20，相間相差6個槽。如第2槽為a相首端，則b相首端是第8槽，c相首端是第14槽。三、同心式繞組三、同心式繞組l對于pl的小型三相異步電動機(jī)和單相異步電動機(jī)，每極每相槽數(shù)q較大，采用同心式繞組嵌線l例如：m3，p=1，q4。則定子槽數(shù)Z=2mpq2*3*l*424，槽距角a15l屬于a相的有8個

12、元件邊，把1與12相連構(gòu)成一個大線圈，2與11相連構(gòu)成一個小線圈。這一一大一小組成一個同心式線圈組大一小組成一個同心式線圈組。13與24相連，14與23相連組成另一同心式線圈組。然后把兩個線圈組反向串聯(lián)，以保證電勢相加 相 帶 極 對acbacb 第 一 對 極 23,24,1,23,4,5,67,8,9,10 11,12,13,1415,16,17,1819,20,21,22屬于a相的有8個元件邊，把1與12相連構(gòu)成一個大線圈，2與11相連構(gòu)成一個小線圈。這一大一小組成一個同心式一大一小組成一個同心式線圈組線圈組。13與24相連，14與23相連組成另一同心式線圈組。然后把兩個線圈組反向串聯(lián)，

13、以保證電勢相加l在外形上有多種繞組型式：元件節(jié)距可以整距、短矩或長短，合理選用繞組型式，可以節(jié)省銅線，簡化工藝。l分析相電勢分析相電勢：采用槽電勢星形圖。繞組型式不同只不過是元件構(gòu)成方式不同、導(dǎo)體連接先后次序不同，而構(gòu)成繞組的導(dǎo)體所占的槽號是相同的，都在屬兩個相差180電角度的相帶內(nèi)，三相單三相單層繞組的節(jié)距因數(shù)均為層繞組的節(jié)距因數(shù)均為1 1，具有整距繞組性質(zhì)，具有整距繞組性質(zhì)l優(yōu)點(diǎn)：繞組因數(shù)中只有分布因數(shù)，基波繞組因數(shù)較高，無層間絕緣，槽利用率高l缺點(diǎn)：對削弱高次諧波不利，無法改善電勢波形和磁勢波形，漏電抗較大l使用：一般用于10kW以下小功率電機(jī)。（功率較大或?qū)Σㄐ我筝^高的電機(jī)，通常采用

14、雙層繞組。）小結(jié)：小結(jié)：三相三相單層繞組單層繞組三相雙層繞組三相雙層繞組l雙層每槽中有兩個元件邊，分為上下兩層放置?？拷劭诘臑樯蠈?，靠近槽底部為下層。每每個元件均有一個邊放在上層，一個邊放在另一個元件均有一個邊放在上層，一個邊放在另一槽的下層槽的下層，相隔距離取決于節(jié)距。l元件的總數(shù)等于槽數(shù)，每相元件數(shù)即為槽數(shù)的三分之一。構(gòu)造方法和步驟（舉例：構(gòu)造方法和步驟（舉例：Z1=24,2p=4,整距整距,m=3)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。 連線圈和線圈組連線圈和線圈組：

15、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圈邊連成一個線圈（共有q個線圈，為什么？） 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 連相繞組：連相繞組： 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)，電勢相加原則。 按照同樣的方法構(gòu)造其他兩相。 連三相繞組連三相繞組 將三個構(gòu)造好的單相繞組連成完整的三相繞組 接法或者Y接法 例：設(shè)相數(shù)m3，極數(shù)2p4，槽數(shù)Z24，則每極每相槽數(shù)q2，槽距角a30步驟步驟：l繪槽電勢星形圖l分相使各相電勢最大，且三相

16、電勢對稱l繪繞組元件平面展開圖 首先畫出等距離的24根平行線段以表示槽號槽號表示各元件的上層邊表示各元件的上層邊。在實(shí)線近旁畫出虛線以表示下層元件邊。把各槽按順序編號，取槽號作為上層邊的代號，取槽號加注上標(biāo)作為下層邊代號。整矩繞組整矩繞組：跨距y6，每個元件的上層邊與下層邊相距6個槽。例如第l槽的上層邊應(yīng)與第7槽的下層邊接成一個元件。同理2-8，3-9，4-10，.相連，共計(jì)有24個元件。a相8個元件分成4個元件組，各元件組的連接規(guī)律為l-7-2-8，7-13-8-14，13-19-14-20，19-1-20-2，分別用I、表示。l當(dāng)磁場切割繞組時，該四個元件組的電勢大小相等，I、組電勢時間上

17、同相，、IV組電勢與I、組電勢反相。l各元件組可以串聯(lián)、并聯(lián)、或一半串聯(lián)后再并聯(lián)。相繞組可以有不同連接方式，當(dāng)通以電流形成當(dāng)通以電流形成4極磁場極磁場。短距繞組短距繞組l取y5，每個元件跨5個槽，a相的4個元件組，分別是l-6-2-7，7-12-8-13，13-18-14-19，19-24-20-ll短距時，在某些槽中，其上層元件邊與下層元件邊可能不屬一相，在這些槽中，上層與下層之間有較大電位差，應(yīng)加強(qiáng)層間絕緣。l短距時，同一相的上、下層導(dǎo)體錯開了一個距離，用短距角表示，表示一個元件的上層導(dǎo)體電勢和下層導(dǎo)體電勢的相位差是180-電角度，合成電勢時應(yīng)計(jì)及節(jié)距因數(shù)kp。正弦磁場下繞組的感應(yīng)電勢正弦

18、磁場下繞組的感應(yīng)電勢l元件電勢l元件組電勢l繞組相電勢1單層繞組2雙層繞組一、元件的電勢一、元件的電勢l電勢決定于磁場的大小與分布以及磁場與元件間電勢決定于磁場的大小與分布以及磁場與元件間的相對運(yùn)動的相對運(yùn)動 設(shè)氣隙磁場按正弦規(guī)律分布，則每極磁通 氣隙磁場每轉(zhuǎn)過一對磁極，線圈中的電勢便經(jīng)歷一個周期。電勢的頻率用每秒轉(zhuǎn)過的磁極對數(shù)表示。 極對數(shù)p，轉(zhuǎn)速n (r/min)，則頻率lBmm260pnftmcost=0,元件匝鏈一個磁極的全部磁通元件匝鏈一個磁極的全部磁通元件中的感應(yīng)電勢元件中的感應(yīng)電勢 e=-Nd/dtl設(shè)元件匝數(shù)為Nc，感應(yīng)電勢的瞬時值為l有效值tNdtdNemcccsinmcmc

19、cfNNE44. 42tmcos元件中的感應(yīng)電勢元件中的感應(yīng)電勢 e=Blvl設(shè)原點(diǎn)在轉(zhuǎn)子上B=0處，即t=0時，B=0l分析導(dǎo)體a t=0時，Ba=0，ea=Balv 經(jīng)過時間t，轉(zhuǎn)動了t，Ba=Bmsint， ea=Balv= Bmlvsint有效值mmmafpnlBlvBE22. 26022tmcos602602pnflBnpvmml整距線圈 導(dǎo)體a與導(dǎo)體a相距一個極距，即180電角度， 元件電勢為)180sin(tlvBema044. 418022. 2022. 2)( mmmaayaafffEEEea=Balv= Bmlvsinttmcosl短距線圈 導(dǎo)體a與導(dǎo)體a相距非一個極距（差

20、一短距角） 元件電勢為22cos44. 4)180(22. 2022. 2)( mmmaayaafffEEEEaEa-EaEaa短距元件電勢短距元件電勢l短距元件的電勢小于整距元件的電勢設(shè)短距角為電角度l節(jié)距因數(shù)節(jié)距因數(shù)2cos44. 4cos44. 42mmyaayaaffEEkpmpcyaacckfNENE44. 4二、元件組電二、元件組電勢勢l電機(jī)采用分布繞組，每元件組有q個元件，元件組電勢即為q個元件的電勢之和。l通常各元件匝數(shù)相等，所以各元件電勢的幅值相等，由于各元件空間位置依次相位差a電角度，各元件電勢的時間相位差也為a角度。2sin22sin2REqREcqp=3的元件組的元件組

21、分布因數(shù) kdl元件組各電勢的相量和與代數(shù)和的比值22sinsinaqacqdqqEEk2sin22sin2REqREcq元件組電勢元件組電勢l繞組因數(shù)繞組因數(shù)kN=kdkp，反映分布和短距對電勢的影響 Ncq為一個元件組串聯(lián)匝數(shù)mNcmdpccdqqkfNkqkfNqEkE44. 444. 42cos2sin2sinpdkqqk三、繞組的相電勢三、繞組的相電勢1單層繞組l每對極每相有一個元件組lp對極電機(jī)，每相有p個元件組，可以串聯(lián)、并連或混合連接。如有a條并聯(lián)支路，則每相電勢為 單層繞組每相串聯(lián)匝數(shù)mNmNcqfNkkapqNfEapE44. 444. 4apqNNc繞組的相電繞組的相電勢

22、勢2雙層繞組l每對極每相有2個元件組lp對極電機(jī)，每相有2p個元件組，可以串聯(lián)、并連或混合連接。有a條并聯(lián)支路 雙層繞組每相串聯(lián)匝數(shù)mNmNcqfNkkapqNfapEE44. 4244. 42apqNNc2每相每相串聯(lián)串聯(lián)匝數(shù)匝數(shù)l設(shè)每槽導(dǎo)體數(shù)為S，對單層繞組Nc=S，雙層Nc=S/2lN為每相實(shí)有串聯(lián)匝數(shù)lNkN為有效串聯(lián)匝數(shù)，kN反映繞組因采用短距和分布而使每相電勢減小的程度apqSN mNfNkE44. 4感應(yīng)電勢與繞組匝鏈磁通的相位關(guān)系感應(yīng)電勢與繞組匝鏈磁通的相位關(guān)系l 即感應(yīng)電勢在時間上滯后磁通 90。l 變壓器：主磁通本身隨時間變化l旋轉(zhuǎn)電機(jī)：氣隙磁密波大小不變，隨時間繞繞組而旋

23、轉(zhuǎn)dtdNec繞組因數(shù)計(jì)算舉例繞組因數(shù)計(jì)算舉例電機(jī)每極下有9槽，試計(jì)算下列情況下的繞組分布因數(shù)（1）繞組分布在9槽中；（2）繞組占每極2/3槽（即120相帶）；（3）三個相等繞組分布在60 相帶中。解：由題中條件，即q=9（1）繞組分布在槽中，則槽距角為分布因數(shù)20918064. 02sin2sinqqkd解：（2）120 相帶，q=6，q=120 ， =20 分布因數(shù) 827. 0220sin62120sin2sin2sinqqkd解：（3）三相繞組60 相帶，q=9/3=3，q=60 ， =20 分布因數(shù) 96. 0220sin3260sin2sin2sinqqkd非正弦磁場下非正弦磁場下繞組的感應(yīng)電勢繞組的感應(yīng)電勢l以三相凸極同步電機(jī)為例磁場是由轉(zhuǎn)子電流激勵產(chǎn)生的 氣隙磁通密度實(shí)際是一個平頂波，可分解出基波和各奇次諧波(由于對稱性) 基波磁場和各次諧波磁場均隨轉(zhuǎn)子而旋轉(zhuǎn)l在定子繞組中不僅感應(yīng)基波電勢，還感應(yīng)有各次諧波電勢。1NNNSSSSSSSSNNNNN諧波電勢諧波電勢mNNkfE44. 4pp1116060fpnnpflBmm22cos2sin2sinqqkkkpdN例例6-2 p102mNNkfE44. 4諧波電勢的影響諧波電勢的影響l高次諧