電機學第四章

電機學第四章第1頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

教材及教學安排教材：《電機學》湯運璆、史乃機械工業(yè)出版社

性質：電氣工程類專業(yè)的一門主干課；

本專業(yè)的一門重要技術基礎課；

通過本課程的學習，使學生掌握各類電機的運行性能

具有相當強的理論性（基礎性）和實踐性（技術性）內(nèi)容：緒論～第六章同步電機考核：出勤平時實驗期末其它151525405第2頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月第四章交流繞組及其電勢和磁勢交流電機這兩類電機轉子結構、工作原理、勵磁方式和性能不同。但定子部分是相同的。即定子中所發(fā)生的電磁過程以及機電能量轉換的機理和條件是相同的。因此可以采用同一的觀點來研究。感應電機同步電機1.交流繞組的連接規(guī)律2.正弦磁場下交流繞組的感應電動勢3.通有正弦電流時單相繞組的磁動勢4.通有對稱三相電流時的磁動勢本章主要內(nèi)容第3頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

4.1交流繞組的構成原則和分類一、構成原則(1)合成電動勢和合成磁動勢的波形要接近于正弦形、幅值要大；(2)對三相繞組，各相的電動勢和磁動勢要對稱，電阻、電抗要平衡；(3)繞組的銅耗要小，用銅量要省；(4)絕緣要可靠，機械強度、散熱條件要好，制造要方便。二、分類按相數(shù)：單相和多相繞組；按槽內(nèi)層數(shù)：單層和雙層；按每極下每相槽數(shù)：整數(shù)槽和分數(shù)槽；按繞法：疊繞組和波繞組。三相雙層整數(shù)槽繞組第4頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

4.2三相雙層繞組的三相交流電機，其定子繞組大多采用雙層繞組。圖4－1雙層繞組第5頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月第6頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月第7頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月雙層繞組特點：繞組的線圈元件數(shù)等于槽數(shù)。雙層繞組主要優(yōu)點：一、槽電動勢星形圖和相帶劃分現(xiàn)以一臺相數(shù)，極數(shù)，槽數(shù)的定子來說明槽內(nèi)導體的感應電動勢和屬于各相的導體（槽號）是如何分配的。優(yōu)點可以選擇最有利的節(jié)距，使電動勢和磁動勢波形更接近正弦波所有線圈的形狀和尺寸相同，便于制造端部排列整齊機械強度高可組成較多的并聯(lián)支路缺點嵌線困難用銅量大第8頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月1、概念定子每極每相槽數(shù)：相鄰兩槽間電角度（槽距電角度）（此角亦是相鄰槽中導體感應電動勢的相位差。）第9頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月2、槽電動勢的星形圖圖4－2三相雙層繞組的槽電動勢星形圖如圖4－2表示36槽內(nèi)導體感應電動勢的相量圖，亦稱為槽電動勢星形圖。怎么分相？第10頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月以A相位例，由于，故A相共有12個槽相帶：每極下每相所占的區(qū)域。A相帶：1、2、3線圈組（）與19、20、21（）X相帶：10、11、12（）與28、29、30（）將四個線圈組按照一定的規(guī)律連接，即可得到A相繞組。同理，B相距離A相電角度處，C相距離A相電角度處，可按(圖4－2)所劃分的相帶連成B、C兩相繞組。由此可得到一個三相對稱繞組。相帶繞組：每個相帶各占電角度。第11頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月表4-1各個相帶的槽號分布第12頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月二、疊繞組疊繞組：繞組嵌線時，相鄰得兩個串聯(lián)線圈中，后一個線圈緊“疊”在前一個線圈上。圖4-4三相雙層疊繞組的A繞組的展開圖第13頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月極相組的電動勢、電流方向與極相組的電動勢電流方向相反。為避免電動勢或電流所形成的磁場互相抵消，串聯(lián)時應將極相組和極相組反向串聯(lián)，即首－首相連把尾端引出，或尾－尾相連把首端引出。并聯(lián)支路數(shù)第14頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

4.3正弦磁場下交流繞組的感應電動勢推導氣隙磁場為正弦分布時，定子繞組內(nèi)的感應電勢：一根導體感應電勢線圈感應電勢繞組感應電勢一、導體的感應電動勢1、電動勢的波形可知感應電勢波形取決于磁密波形第15頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月假設氣隙磁通密度沿定子內(nèi)徑的分布為：氣隙磁通密度的幅值距離原點的電角度則N極下感應電勢方向為“⊙”

S極下感應電勢方向為“×”原點以導體1為例，設時，導體處于原點。則導體中的感應電勢為氣隙磁場的旋轉角頻率（rad/s）有效值第16頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月原點可見若磁場為正選分布，且恒速旋轉，則定子導體中的感應電勢是隨時間正選變化的交流電勢。2、正弦電動勢的頻率若是2對極電機，磁場每旋轉一圈時定子感應電勢會交變2次。依此類推，若是p對極電機，磁場每旋轉一圈時定子感應電勢會交變p次。因此設磁場的旋轉速度為時，感應電勢頻率為第17頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月我國工業(yè)標準頻率為50Hz，所以感應電勢頻率也應是50Hz。磁場旋轉速度為：原點稱之為同步轉速。3、導體電動勢的有效值第18頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月二、整距線圈的電動勢由于是整距線圈，所以

線圈的一個線圈邊若在N極下，則另一邊肯定在S極下。即感應電勢互差180°，大小相等，方向相反。若線圈是單匝，則整距線圈電勢為單匝整距線圈感應電勢有效值為若線圈為匝，則整距線圈感應電勢有效值為第19頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月三、短距線圈的電動勢，節(jié)距因數(shù)由于是短距線圈，所以

線圈的兩個線圈邊感應電勢若線圈是單匝，則短距線圈電勢為單匝短距線圈感應電勢有效值為若線圈為匝，則短距線圈感應電勢有效值為相位差為基波節(jié)距因數(shù)第20頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月四、分布繞組的電動勢，分布因數(shù)原點一個極下屬于同一相的線圈有個由于每個線圈放在不同槽內(nèi)，而線圈的空間位置不會相同，這樣每相就形成分布繞組（相反：集中繞組）每極每相線圈內(nèi)個線圈串聯(lián)，形成合成電勢，其有效值為式中，—外接圓的半徑。第21頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4-10極相組的合成電動勢把代入上式，得基波分布因數(shù)的意義：由于繞組分布在不同的槽內(nèi)，使得個分布線圈的合成電動勢小于個集中線圈的合成電動勢，由此所引起的折扣。第22頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月五、繞組因數(shù)每極每相線圈內(nèi)個線圈串聯(lián)形成的合成電勢，其有效值為式中，—個線圈的總匝數(shù)；—繞組的基波繞組因數(shù)。的意義：既考慮繞組短距、又考慮繞組分布時，整個繞組的合成電動勢所須的總折扣。第23頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月六、相電動勢和線電動勢

設一相繞組的總串聯(lián)匝數(shù)為，則一相的電動勢應為

第24頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月七、短距繞組、分布繞組對電動勢波形的影響對V次諧波：第25頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月改善電動勢波形的方法:（１）采用短距繞組來削弱高次諧波（２）采用分布繞組來削弱高次諧波１．改善主磁極磁場的分布２．改善交流繞組的構成，削弱諧波電動勢３．采用Ｙ接線消除線電動勢中的三及其倍數(shù)的奇次諧波第26頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月4.5

通有正弦電流時單相繞組的磁動勢研究某一相繞組通有正弦電流時，氣隙上的磁勢。整距線圈的磁勢雙層整距分布繞組的磁勢雙層短距分布繞組的磁勢單相繞組的磁勢為簡化分析，假設:（1）定、轉子鐵芯內(nèi)的磁壓降忽略不計。（2）定、轉子之間的氣隙為均勻。（3）槽內(nèi)電流集中于槽中心處。第27頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月一、整距線圈的磁動勢一臺兩極氣隙均勻的交流電機,一個整距繞組通入交流電流,線圈磁動勢在某瞬間的分布如圖,由全電流定律得:a)整距線圈產(chǎn)生的磁場b)整距線圈的磁勢忽略鐵心磁阻,磁動勢完全降落在兩個氣隙上.每個氣隙的磁動勢為:空間分布為矩形波,隨時間按正弦規(guī)律變化.變化頻率為電流頻率?？臻g位置不變而幅值和方向隨時間變化的磁動勢稱為脈動磁動勢。第28頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月矩形波磁動勢可能分解為基波和一系列高次諧波:其中基波磁動勢為:整距繞組基波磁勢在空間按余弦分布，幅值位于繞組軸線，空間每一點的磁動勢大小按正弦規(guī)律變化——仍然為脈動磁勢。用電角度表示的空間距離第29頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月二、雙層短距分布繞組的磁動勢1.單層整距分布繞組的磁勢a)各整距線圈的空間位置b)各整距線圈的基波磁勢相量c)整距分布繞組的基波磁勢相量每極下每相分布繞組由q個整距線圈串聯(lián)構成，依次在定子圓周空間錯開槽距角α,繞組的基波磁動勢為q個線圈基波磁動勢的空間矢量和：q個∵∴基波磁勢空間相量大小為基波分布因數(shù)第30頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月2.雙層整距分布繞組的磁勢每相串聯(lián)匝數(shù)相電流∴雙層整距分布繞組的基波磁勢空間相量大小為雙層整距線圈的空間位置第31頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月3.雙層短距分布繞組的磁勢a）雙層短距線圈的空間位置b）雙層短距線圈的基波磁勢相量由于磁勢大小僅僅取決于線圈在槽內(nèi)的有效邊的分布情況和其電流值，與線圈邊的連接次序無關。因此可把短距分布繞組分成兩個空間錯開電角的單層整距分布繞組。其中角為短距線圈的節(jié)距比整距時縮短的電角度，即∴雙層短距分布繞組的基波磁勢空間相量大小為基波短距因數(shù)基波繞組因數(shù)第32頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月三、單相繞組的磁動勢由于各對極下的磁勢和磁阻組成一個對稱的分支磁路。所以一相繞組的磁勢就等于一個極相組的磁勢，即■單相繞組基波磁勢的幅值：■單相繞組基波磁勢的瞬時值：每極每相有效串聯(lián)匝數(shù)單相繞組基波磁勢幅值第33頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月■單相繞組基波磁勢幅值：可見單相繞組基波磁勢在空間按余弦規(guī)律分布，在時間上也按余弦規(guī)律脈振。即為脈振磁勢（脈振磁場）。脈振頻率為電流的電頻率。圖4-21不同瞬間時單相繞組的基波脈振磁勢第34頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月四、單相脈動磁動勢的分解即一個脈動磁動勢可以分解成兩個幅值大小相等的磁動勢。先分析取幅值點分析第35頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）隨著時間推移朝軸正方向移動，故稱為正向旋轉磁動勢綜上分析（2）的幅值為單相基波磁動勢幅值的一半（3）線速度為旋轉速度的性質與性質基本一致，只是旋轉方向是的負方向。第36頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)單相繞組的基波磁動勢為脈動,它可以分解為大小相等、轉速相同而轉向相反的兩個旋轉磁場。(2)反之,滿足上述性質的兩個旋轉磁動勢的合成即為脈動磁動勢。(3)由于正方向或反方向的旋轉磁動勢在旋轉過程中，大小不變，兩矢量頂點的軌跡為一圓形，所以這兩個磁動勢為圓形旋轉磁動勢?？梢姷?7頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月4.6通有對稱三相電流時三相繞組的磁動勢交流電機的三相對稱繞組,通入三相對稱電流，磁動勢就是三相的合成磁動勢。圖4-22一臺兩極三相交流電機的定子示意圖一、三相繞組的基波合成磁勢取A相繞組軸線位置空間坐標原點、以相序的方向的參考方向、A相電流為零時時間起點，則各相基波磁動勢分別為：第38頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月把上式的各相基波磁動勢用正序和反序的旋轉磁勢來表示，分別為：三相的合成磁動勢：可見：三相合成磁動勢也是一個圓形旋轉磁動勢。第39頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月為了分析旋轉磁動勢的旋轉方向，設三相對稱電流按余弦規(guī)律變化，A相電流最大時為計時點，電流取首出尾進為正，電流波形和各時刻旋轉磁動勢的位置如圖所示：XAZBCY第40頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月用圖解法分析——不同時刻三相合成磁動勢(超前向滯后旋轉）第41頁