電機(jī)學(xué)-交流繞組

（1）交流繞組基本概念和構(gòu)成原理

（2）交流繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的波形、頻率、大?。?）交流繞組磁動(dòng)勢(shì)的時(shí)空概念（1）電角度概念（2）交流繞組磁勢(shì)的時(shí)空概念難點(diǎn)內(nèi)容：第四章交流繞組重點(diǎn)內(nèi)容：4.1交流繞組的構(gòu)成原則和分類4.2三相雙層繞組4.4交流繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)4.6單相繞組的磁動(dòng)勢(shì)4.7三相繞組的磁動(dòng)勢(shì)第四章交流繞組4.3三相單層繞組3第四章交流繞組及其電動(dòng)勢(shì)和磁動(dòng)勢(shì)主要內(nèi)容：交流繞組的構(gòu)成，繞組連接規(guī)律及電動(dòng)勢(shì)和磁動(dòng)勢(shì)。交流電機(jī)

同步電機(jī)：主要作為發(fā)電機(jī)，也可作為電動(dòng)機(jī)和補(bǔ)償機(jī)。感應(yīng)電機(jī)：主要作為電動(dòng)機(jī)，有時(shí)也作發(fā)電機(jī)。同步電機(jī)和異步電機(jī)雖然激磁方式和運(yùn)行特性有很大差別，但電機(jī)定子中發(fā)生的電磁現(xiàn)象和機(jī)電能轉(zhuǎn)換的原理卻基本上是相同的，因此存在許多共性問(wèn)題，可統(tǒng)一進(jìn)行研究。本章就是研究交流電機(jī)的繞組、電動(dòng)勢(shì)、磁動(dòng)勢(shì)問(wèn)題。這些問(wèn)題對(duì)于分別研究異步電機(jī)和同步電機(jī)的運(yùn)行性能有著重要意義。4.1交流繞組的構(gòu)成原則和分類一、構(gòu)成原則(1)合成電動(dòng)勢(shì)和合成磁動(dòng)勢(shì)的波形要接近于正弦形、幅值要大；(2)對(duì)三相繞組，各相的電動(dòng)勢(shì)和磁動(dòng)勢(shì)要對(duì)稱，電阻、電抗要平衡；(3)繞組的銅耗要小，用銅量要??；(4)絕緣要可靠，機(jī)械強(qiáng)度、散熱條件要好，制造要方便。5本章主要介紹三相整數(shù)槽繞組。二、交流繞組的分類按相數(shù)分單相三相按每極每相槽數(shù)分整數(shù)槽分?jǐn)?shù)槽按槽內(nèi)層數(shù)分單層

雙層同心式交叉式鏈?zhǔn)蒋B繞波繞定子鐵心定子繞組定子鐵心和繞組交流電機(jī)的簡(jiǎn)單工作原理同步發(fā)電機(jī)原理結(jié)構(gòu)示意圖導(dǎo)體感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小波形頻率三相對(duì)稱性導(dǎo)體交流繞組4.2交流三相繞組一、基本術(shù)語(yǔ)二、三相單層繞組（6）單層繞組的不同端接方式例：三相四極36槽定子，繪制交叉式繞組展開(kāi)圖三、三相雙層繞組

波繞組

4.4交流繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)一、空間坐標(biāo)的建立及氣隙磁密的分布二、導(dǎo)體中的電動(dòng)勢(shì)三、線圈的電動(dòng)勢(shì)及節(jié)距因數(shù)四、線圈組的電動(dòng)勢(shì)及分布因數(shù)五、相電動(dòng)勢(shì)及線電動(dòng)勢(shì)六、基波電動(dòng)勢(shì)與磁通鏈間的相位關(guān)系54

本節(jié)討論主極磁場(chǎng)非正弦分布時(shí)所引起的諧波電動(dòng)勢(shì)。

以上我們假定主極磁場(chǎng)在氣隙內(nèi)為正弦分布，實(shí)際上，主極磁場(chǎng)并非完全按正弦規(guī)律分布，此時(shí)將磁場(chǎng)波進(jìn)行諧波分析，可得基波和一系列高次諧波，相應(yīng)的交流繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)除基波外還有一系列高次諧波電動(dòng)勢(shì)。本節(jié)討論非正弦磁場(chǎng)分布所引起的諧波電動(dòng)勢(shì)及其削弱的方法。

4.5感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)中的高次諧波

55一、高次諧波電動(dòng)勢(shì)交流電機(jī)中氣隙磁場(chǎng)分布一般呈平頂波如右圖所示，應(yīng)用富氏級(jí)數(shù)可將其分解為基波和一系列諧波的合成。因主極磁場(chǎng)分布與磁極中心線相對(duì)稱，故偶次諧波為零，所以磁場(chǎng)中僅存在奇次諧波（1，3，5…7），為清楚起見(jiàn)，圖中只畫出1，3，5，次諧波，且次數(shù)越高，幅值越小。56二、齒諧波電動(dòng)勢(shì)

在高次諧波中，有一種次數(shù)為的諧波，稱為齒諧波，由該次諧波感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)稱為齒諧波電動(dòng)勢(shì)。齒諧波的特點(diǎn)：1、諧波次數(shù)與一對(duì)極下的齒數(shù)（槽數(shù)）之間具有特定關(guān)系。2、諧波的繞組因數(shù)與基波相等。57結(jié)論：1、齒諧波繞組因數(shù)與基波繞組因數(shù)相等；

2、除齒諧波外，ν越高，分布因數(shù)及節(jié)距因數(shù)越小。

因齒諧波的繞組因數(shù)等于基波的繞組因數(shù)，使齒諧波電動(dòng)勢(shì)較強(qiáng)，而其他高次諧波如5、7次分布因數(shù)較基波小得多，所以采用分布和短距繞組可消弱這些高次諧波。為一對(duì)極下的電角度58

由于齒諧波較強(qiáng)，致使電動(dòng)勢(shì)波形出現(xiàn)明顯的諧波波紋。

齒諧波電動(dòng)勢(shì)比較強(qiáng)的原因，主要是由于電機(jī)定子有齒和槽，使得沿電樞圓周各點(diǎn)氣隙的磁導(dǎo)不相等，齒下氣隙較小，磁導(dǎo)較大，而槽口處氣隙較大，磁導(dǎo)較小。若不開(kāi)槽時(shí)氣隙中主極磁場(chǎng)為近于正弦分布的曲線，如右圖曲線1。開(kāi)槽以后在正弦曲線上疊加一個(gè)與定子齒數(shù)相對(duì)應(yīng)的附加周期性磁導(dǎo)分量，導(dǎo)致氣隙磁場(chǎng)的分布發(fā)生改變。可以看出：齒諧波繞組因數(shù)與基波繞組因數(shù)相等；其他諧波繞組因數(shù)較小。59三、考慮諧波時(shí)相電動(dòng)勢(shì)和線電動(dòng)勢(shì)的有效值

考慮諧波電動(dòng)勢(shì)時(shí)，

相電動(dòng)勢(shì)的有效值應(yīng)為：線電動(dòng)勢(shì)：（星接法）

（角接法）對(duì)于線電動(dòng)勢(shì)無(wú)論是角接還是星接，均無(wú)3及3的倍數(shù)次諧波。在星形接法的三相系統(tǒng)中，因各相的三次諧波大小相等，相位相同，互相抵消，所以線電動(dòng)勢(shì)中不存在三次諧波電動(dòng)勢(shì)。注：60在角接的三相系統(tǒng)中，同相的三次諧波電動(dòng)勢(shì)將在閉合的三角中形成環(huán)流。

由于完全降落在繞組阻抗Z3上，所以線端不會(huì)出現(xiàn)三次諧波電動(dòng)勢(shì)。但是三次諧波環(huán)流所產(chǎn)生的雜散損耗，會(huì)使電機(jī)效率下降，溫升增高，所以一般采用星形連接。61四、諧波的危害電動(dòng)勢(shì)中如存在高次諧波，將使電動(dòng)勢(shì)波形變壞，產(chǎn)生很多不良影響：

1、

電機(jī)損耗增大，效率下降，溫升增加。

2、

高次諧波產(chǎn)生的電磁場(chǎng)對(duì)鄰近的通訊線路產(chǎn)生干擾。

3、

產(chǎn)生有害附加轉(zhuǎn)距，造成電機(jī)運(yùn)行性能變壞。利用諧波：1、諧波勵(lì)磁發(fā)電機(jī)。

2、利用諧波起動(dòng)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。62五、削弱諧波電動(dòng)勢(shì)的方法在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)，應(yīng)盡可能削弱電動(dòng)勢(shì)中的高次諧波分量，國(guó)標(biāo)規(guī)定（GB755-81電機(jī)基本技術(shù)要求）對(duì)300kVA以上的同步發(fā)電機(jī)，線電壓波形的正弦波畸變率不應(yīng)超過(guò)5%。正弦波畸變率下面分別介紹減小諧波電動(dòng)勢(shì)和齒諧波電動(dòng)勢(shì)的方法。

1、減少諧波電動(dòng)勢(shì)的方法

可通過(guò)減小KWV和削弱。63適當(dāng)?shù)剡x擇線圈的節(jié)距，可使某次諧波的節(jié)距因數(shù)接近或等于零，以達(dá)到削弱或消除某次諧波的目的。（1）選用短距繞組

如要消除v次諧波，只要使

即盡可能接近整距的短距則上式表明，要消除v次諧波，只要選用比整距短的短距線圈即可。

64如要消除5次諧波取比整距短右圖所示采用可將5次諧波完全消除。65線圈節(jié)距變化時(shí)，基波和諧波節(jié)距因數(shù)如何變化？由于三相繞組采用了星形或角形的連接，線電壓中已不存在3及3的倍數(shù)次諧波，所以選節(jié)距時(shí)主要考慮削弱5、7次諧波。通常選66（2）采用分布繞組

當(dāng)q增加時(shí)，基波的分布因數(shù)減小不多，但諧波的分布因數(shù)顯著減小。所以就分布繞組來(lái)說(shuō)，每極每相槽數(shù)q越多，抑制諧波電動(dòng)勢(shì)的效果越好。但q增多，必增加電機(jī)槽數(shù)，使電機(jī)成本提高?？紤]到q>6時(shí)，分布因數(shù)的下降已不明顯，所以一般選6≥q≥2，圖4-20表示不同q值時(shí)，諧波分布因數(shù)的變化情況。67（3）削弱諧波磁場(chǎng)凸極同步電機(jī)改善磁極極靴外型，隱極同步電機(jī)勵(lì)磁繞組合理的分布，使磁極磁場(chǎng)沿電樞表面分布接近于正弦波。（4）三次和三的倍數(shù)次諧波的消除

三相繞組可接成三角形或星形。

凸極電機(jī)以上方法均不能削弱齒諧波電動(dòng)勢(shì)。682、齒諧波電動(dòng)勢(shì)減小的方法

對(duì)于齒諧波，由于其繞組因數(shù)與基波繞組因數(shù)相同，不能采用短距和分布的方法削弱它。目前采用以下幾種方法削弱齒諧波電動(dòng)勢(shì)：（1）采用斜槽

采用斜槽后，同一根導(dǎo)體內(nèi)的各個(gè)小段在磁場(chǎng)中的位置互不相同，所以同一導(dǎo)體各段感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不同，與直槽相比，導(dǎo)體中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有所變化，理論分析證明采用斜槽可有效削弱齒諧波電動(dòng)勢(shì)，但對(duì)基波和其他諧波也有削弱作用，為計(jì)及這一影響，在計(jì)算電動(dòng)勢(shì)時(shí)，除了考慮節(jié)距因數(shù)和分布因數(shù)外，還應(yīng)考慮斜槽因數(shù)。69為了推導(dǎo)斜槽因數(shù)，把斜槽內(nèi)導(dǎo)體看為無(wú)限多根短直導(dǎo)體的串聯(lián)。相鄰直導(dǎo)體間有一微小的相位差α（α→0）短直導(dǎo)體數(shù)q→∞，而qα=β，β為整根導(dǎo)體斜過(guò)的電弧度，仿照分布因數(shù)的推導(dǎo)方法，可導(dǎo)出斜槽因數(shù)。基波的斜槽因數(shù)為：70若導(dǎo)體斜過(guò)的距離用c來(lái)表示時(shí)，

次諧波的斜槽因數(shù)為：從以上可見(jiàn)，如用斜槽消除次諧波，應(yīng)使即71取

為了使，這兩個(gè)齒諧波都得到削弱。2mq：為一對(duì)極下的槽數(shù)，tZ：齒距。即斜過(guò)的距離等于一個(gè)齒距。

只要使斜過(guò)的距離等于該次空間諧波的波長(zhǎng)，諧波電動(dòng)勢(shì)相互抵消。所以，要消除齒諧波電動(dòng)勢(shì)應(yīng)取采用斜槽后，可使齒諧波大大削弱。斜槽主要用于中、小型電機(jī)中。

72(2)采用分?jǐn)?shù)槽

在多極同步發(fā)電機(jī)（例如水輪發(fā)電機(jī)）中，常常采用分?jǐn)?shù)槽繞組來(lái)削弱齒諧波。由于每極每相槽數(shù)q=分?jǐn)?shù)，所以齒諧波次數(shù)一般為分?jǐn)?shù)或偶數(shù)，而主極磁極中僅含有奇次諧波，即不存在齒諧波磁場(chǎng)，也就不存在齒諧波電動(dòng)勢(shì)。(3)采用半閉口槽和磁性槽楔

在小型電機(jī)中采用半閉口槽，中型電機(jī)中采用磁性槽楔來(lái)減小由于槽開(kāi)口而引起的氣隙磁導(dǎo)變化和齒諧波。但采用半閉口槽工藝復(fù)雜。

4.4單相繞組的磁動(dòng)勢(shì)一、整距線圈的磁動(dòng)勢(shì)一個(gè)線圈