交流旋转电机分两大类.doc

交流旋转电机分两大类: 异步电机和同步电机, 异步电机主要用作电动机, 面同步电机主要用作发电机。 从原理上讲电机是可逆的, 既可作发电机运行, 又可作电动机运行 。 虽然异步电机和同步电机在结构和励磁方式上有很大的差异, 但就定子绕组的绕组结构及产生电动势和磁动势而言有很多共性的内容。本文介绍交流电机的共同问题, 即交流电机绕组的构成原理、 绕组中产生的感应电动势及绕组通过交流电流产生的磁动势, 它们是分析交流旋转电机的基础, 对于学习交流旋转电机具有重要的意义。电机绕组是电机进行机电能量转换的关键部件, 在交流电机中, 只有当电机统组切割磁力线才能感应交流电动势,也只有当电机绕组通过正弦交流电流时才能建立起在空同按正弦规律分布的磁动势,而且绕组中产生的电动势和磁动势的大小及波形都与绕组结构形式密切相关。6. l 交流绕组的分类及对交流绕组的要求6. l. l 对交流绕组的基本要求交流绕组是实现机电能量转换的重要部件, 通常处于电机中温度最高的部位, 它的绝缘可能因承受高压而被击穿, 短路故障时, 又可能受强大的电磁力冲击而遭到损坏, 因此对三相交流绕组提出以下一些基本要求:1)电动势和磁动势波形尽可能接近正弦波形; 2) 在导体数一定时, 力求得到尽可能大的电动势和磁动势;3)三相绕组对称,以保证三相电动势和磁动势对称; 4)用铜量少、工艺简单,便于安装检修。 6 l2 交流绕组的分类由于交流电机的应用范围非常之广,不同类型的交流电机对绕组的要求也各. 此交流绕组的种类也较多, 其主要的分类方法有:1 ) 根据槽内导体层数分为单层绕组和双层绕组 。 其中, 单层绕组又可以 j式、 链式、 交又式和同心式绕组; 双层绕组又可以分为叠绕组和波绕组 。2) 根据相数分为单相、两相、三相及多相绕组。3) 据每极每相槽数分为整数糟绕组和分数糟绕组 。 尽管交流统组的种类繁多,但由于三相双层绕组能较好的满足对交流电机的基本要求, 所以现代动力用交流电机一般多采用三相双层绕组。6 l3 交流绕组中的名词术语介绍 1电角度(或空问电角度)在电机理论中, 把一对磁极所占的空间距离, 称为360的空间电角度。 从电磁观点分析,若转子上有一对磁极, 它旋转一周(机械角度360) ,定子导体就掠过一对磁极,导体中感应电动势就变化一个周波, 即360电角度, 这种每掠过一对磁极, 电磁关系就变化一周, 即360的计量电磁变化的角度就称为空间电角度。依次类推, 若一个圆周布置P对磁极，它占有的空间电角度就为。值得注意的是, 电角度和一般所讲的机械角度是有区别的,以后若不加说明,所指角度均是电角度,即: 电角度=极对数机械角度 2.槽距角構距角表示相邻西槽导体间所隔的(空间)电角度,如图6-1所示。 式中，为极对数；为定子总槽数。3. 极距 相邻两个磁极轴线之间沿定子铁心内表面的距离称为极距。其表示方法很多, 常用一个极面下所占的槽数表示, 即 公式还可以用空间长度()或电角度(180或)来表示。其中D为电机定子内圆直径。4.线圈节距y一个线圈两个有效边 (嵌入槽中的线圈边) 之间所跨的槽距, 称为节距 y, 它也用糟数表示 。 为使每个线圈获得尽可能大的电动势 (或磁动势)，节距 y应等于或接近于极距, 把的绕组称为整距绕组,的绕组称为短距绕组,的称为长距绕组。长距绕组和短距绕组具有相同的电磁性能, 且短距绕组的端部连线短, 能够节省用铜, 故一般使用短距绕组。5.每极每相槽数 在交流电机中, 每极每相占有的平均槽数为 公式式中,为电机定子的相数。6.相带 在每个磁极下每相绕组所连续占有的电角度称为绕组的相带。由于每个磁极的电角度是, 对三相绕组而言, 每相占有60电角度, 故称为60相带, 也有占120电角度的，称为120相带, 但三相交流电机大多采用60相带绕组。 为了获得对称绕组,每极每相的槽数应相同。的绕组称为集中绕组, 的绕组称为分布绕组。等于整数的绕组称为整数糟绕组,中小型交流电机大多采用整数槽绕组; 等于分数的绕组称为分数槽绕组, 分数槽绕组常用在大型水轮同步发电机和大型异步电动机中。6.2 三相对称绕组的构成62 l 三相单层绕组定子或转子每槽中只有一个线圏边的三相交流绕组称为三相单层绕组。三相单层绕组由于每糟中只含有一个线圈边, 所以其线圈数为槽数的一半, 与三相双层绕组相比, 三相单层绕组无层问绝缘, 不存在层问绝缘击穿等问题, 嵌线方便, 槽利用率较高, 绕线及嵌线工时少, 但由于它无短距绕组的效果, 故绕组感应电动势和磁动势波形不够理想 。三相单层绕组常用于 10kW 以下的小型异步电动机 。 按照线圈的形状和端部连接方法的不同, 从电机嵌线工艺上来说, 三相单层绕组可分为等元件式、 链式、 交叉式和同心式绕组 。 它们只是嵌线工艺和联接顺序的不同, 从绕组感应电动势和产生磁动势上看, 并无差别, 以下通过具体的例子来说明等元件式单层三相对称绕组的构成 。 三相单层绕组的特点为了便于分析三相单层绕组的多样性和归纳出三相单层绕组的连接范畴. 先概括一下三相单层绕组的特点及其存在原因 。( 1 )单层绕组只有一层导体。(2)三相单层绕组的相带宽度都是60电角度。 这是因为单层绕组只有一层导体.如果采用相带,则属于同一相的导体只有一个电流方向,因而不能构成电流回路，所以单层绕组只能采用相带。 (3)三相単层绕组是整距绕组, 这是一个等价的说法,具体到一个线圈时,单层绕组的节距可能小于极距,亦可能等于或大子极距, 但是,节距的不同只影响相绕组内各导体电势的相加顺序并不影响整个相绕组的合成电势的大小. 当每极每相槽数为整数时. 同一相中正负相带的导体数是一样多的.因而可以把正相带中导体和负相带中的导体捉对地连成整距线圈,既然节距的不同不影响相绕组电势的大小.那么可以认为为整数时的三相単层绕组均为整距绕组,事实上，整距与否,是双层绕组的概念,不渉及単层绕组,因为单层绕组中的线圈没有下层边可言,讨论単层绕组的整距与否,是为了在概念和有关公式上把単层绕组和双层绕组统一起来对待, 由于三相単层绕组都可以看作整距绕组,因而其短距系数恒为1。(4)三相単层绕组是分布绕组,因为三相単层绕组的每极相槽数。3 单层绕组连接方式的多样性及其原因分析3 .1 单层绕组连接方式的多样性单层绕组的连接方式比双层绕组多。双层绕组只有叠式、波式两种形式, 而单层绕组有等元件式、同心式、分半同心式、链式、交叉式等至少五种连接方式。3 .2 单层绕组连接方式多样性的原因分析单层绕组的连接方式比双层绕组多, 其原因分析如下。双层绕组有两层导体, 线圈的两个有效边必须是一个位于上层, 另一个位于下层。在由导体构成线圈时, 所有线圈的节距是相同的(交流绕组的节距通常记为y 1 , 这是继承了直流电机第一节距的记号方式, 故带有下标1 。对于交流绕组中的节距, 只有线圈本身的跨距(节距y1)和串连跨距(合成节距y)之分, 可以认为叠绕组的合成节距等于1), 否则, 由于一个线圈涉及到两层导体, 节距不同势必导致有些槽中的导体(上层边或下层边)被越过而不能利用, 因而导致槽空间的浪费, 进而导致电机性能下降。因此, 双层绕组都是等元件的。单层绕组只有一层导体, 线圈的两个有效边位于一层中。在由导体构成线圈时, 在满足对称、正弦两个原则后, 只要能把属于同一相的导体尽可能简单地(简便原则)用较短的连接线(省铜原则)全部连起来(最大值原则)即可。因此, 单层绕组线圈的节距是自由的, 可以相同, 亦可以不相同。正是由于单层绕组线圈节距的灵活性, 才导致单层绕组连接方式的多样性。4 单层绕组连接方式的连接范畴、分类和演绎通过对单层绕组五种连接方式的分析, 本文归纳出单层绕组的两对连接范畴, 按照这两对连接范畴可对单层绕组的五种连接方式进行分类, 进而还可根据这两种连接范畴演绎出单层绕组的新的连接方式。4 .1 单层绕组连接方式的归纳两对连接范畴单层绕组有两对连接范畴。第一对范畴为单向连接和双向连接。单向连接是指, 每一相带的所有导体都朝一个方向与属于同一相的相邻相带的导体连接而组成线圈。双向连接是指,每一相带的导体都分成两部分, 一部分朝一个方向与属于同一相的相邻相带的导体连接而组成线圈;另一部分朝相反方向与属于同一相的相邻相带的导体连接而组成线圈。第二对范畴从概念层面上来看, 位于第一对连接范畴之下。如果从是否叠绕的角度看, 则第二对范畴可名为叠绕和非叠绕(同心绕);如果从是否同心绕的的角度看, 则第二对范畴可名为同心绕和非同心绕(叠绕)。4 .2 单层绕组基于两对连接范畴的分类按第一对范畴单层绕组可分为两大类:单向连接式单层绕组、双向连接式单层绕组, 简称为单向单层绕组、双向单层绕组。单向单层绕组按第二对范畴分为两类:单向叠式、单向同心式。双向单层绕组按第二对范畴分为四类:(1) 叠式-叠式双向单层绕组;(2) (2)叠式-同心式双向单层绕组;(3) (3)同心式-叠式双向单层绕组;(4) (4)同心式-同心式双向单层绕组。 如果不计两个方向差别的话, 其中(2)和(3)本质上是一致的。因此, 双向单层绕组实际上只有三类。 三相双层绕组 三相双层绕组是指电机每槽分为上下两层,线圈(元件)的一个边嵌放在某槽的上层, 另一边嵌放在相隔一定槽数的另一槽的下层的一种绕组结构 。 双层绕组分为叠统组和波绕组。前者主要用于较大容量三相异步电动机的定子和汽轮同步发电机的定子绕组, 后者主要用于三相绕线式异步电动机的转子和水轮发电机的定子绕组 。 叠绕组在绕制时,任何两个相邻的线圈都是后一个“紧叠”在另一个上面,故称叠绕组,双层叠绕组的特点是: 主要优点: 可以选择最有利的节距, 并同时采用分布绕组, 以改善电动势和磁动势的波形; 所有线圈具有相同的尺寸, 便于制造; 可以得到较多的并联支路数; 可以采用短距线圈以节省端部用铜; 端部形状排列整齐,有利于散热和增强机械强度。主要缺点: 嵌线工艺较为复杂, 线圈组较多时, 连接线较为复杂; 增加了层间绝缘。一、槽电动势星形图和相带划分现以一台相数，极数，槽数的定子来说明槽内导体的感应电动势和属于各相的导体（槽号）是如何分配的。1、概念定子每极每相槽数： 式中， 定子槽数； p 极对数； m 相数。相邻两槽间电角度： 此角亦是相邻槽中导体感应电动势的相位差。2、槽电动势的星形图 如图表示36槽内导体感应电动势的相量图，亦称为槽电动势星形图。 相带：每极下每相所占的区域。以A相位例，由于，故相共有12个槽A相带： 1、2、3（线圈组）与19、20、21 ()X相带：10、11、12（）与28、29、30（）将四个线圈组按照一定的规律连接，即可得到A相绕组。图 三相双层绕组的槽电动势 同理，B相距离A相电角度处，C相距离A相电角度处，可按42所划分的相带连成B、C两相绕组。由此可得到一个三相对称绕组。相带绕组：每个相带各占电角度。 表 各个相带的槽号分配（相带）二、叠绕组叠绕组：绕组嵌线时，相邻得两个串联线圈中，后一个线圈紧“叠”在前一个线圈上。 三相双层叠绕组中的A相绕组的展开图（,) 极相组的电动势、电流方向与极相组的电动势电流方向相反，为避免电动势或电流所形成的磁场互相抵消，串联时应将极相组和极相组反向串联，即首首相连把尾端引出，或尾尾相连把首端引出。 7.交流绕组的感应电动势7.1正弦分布磁场下绕组的感应电动势 在交流电机中, 一般要求电机绕组中的感应电动势随时间按正弦规律变化, 这就要求电机气隙中的磁场沿空间为正弦分布 。 要得到严格正弦波分布的磁场比较困难, 但是可以通过调整电机的结构参数尺寸使磁场尽可能接近正弦波 。 例如从磁极形状、 气隙、 绕组的分布及节距等方面进行考虑。7.11导体的电动势1. 导体电动势频率图是一台交流发电机的原理示意图, 定子糟内放置一根导体， 转子磁极以恒定转速沿某一方向旋转, 定子导体切割转子磁场感应出具有一定频率、波形和大小的交流电动势。 每当转子转过一对磁极,导体电动势就经历一个周期的变化。 若电机有对磁极, 则转子旋转一周, 导体电动势就经历个周期。若转子以每分钟转或每秒转速旋转,则导体感应电动势每秒钟变化的频率为 2 导体电动势波形根据电磁感应定律 式中, 为导体处于磁场中的有效长度;为导体与磁场的相对速度。对已制成的电机, 和均为定值。因此 即导体感应电动势正比于导体所切割的气隙磁通密度， 也就是说, 导体感应电动势的波形取决于电机气隙内磁通密度沿气隙分布的波形。如要得到正弦波形的电动势,就必须使气隙磁通密度沿气隙分布的波形为正弦波形。 在正弦分布磁场下的绕组电动势。设气隙磁密的基波的分布为: 式中, 为气隙中某一点离磁极中性线的距离, 此距离用电角度表示为, 在此正弦波磁场作用下导体的电动势为： 则速度可以表示为 则 这说明，磁密沿气隙分布为正弦波，导体感应电动势的波形也为正弦函数。式中为导体电动势的最大值。3. 导体电动势的有效值 由于磁密度为正弦波，代入上式并考