交流电机的绕组和电动势

1、交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 本章首先介绍同步电机和异步电机的简单工本章首先介绍同步电机和异步电机的简单工 作原理，然后以同步发电机为例研究定子绕组里作原理，然后以同步发电机为例研究定子绕组里 的电动势。的电动势。 首先分析最简单的三相集中整距绕组，然后首先分析最简单的三相集中整距绕组，然后 分析分布和短距绕组，并说明其对电动势大小和分析分布和短距绕组，并说明其对电动势大小和 波形的影响。波形的影响。 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 1、交流电机的基本工作原理、交流电机的基本工作原理 之前已讲过，交流电机包括同步电机和异步之前已讲过，交流电机包括同步电机和异步 电

2、机两大类。电机两大类。 同步电机一般作发电机使用，现在国内外所同步电机一般作发电机使用，现在国内外所 用的交流电几乎都是同步电机发出的。用的交流电几乎都是同步电机发出的。 异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机 械，虽然也能作发电机使用，但由于存在一定械，虽然也能作发电机使用，但由于存在一定 的缺点用得很少。的缺点用得很少。 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 图图 10-1 最简单的同步发电机模型最简单的同步发电机模型 1 1）同步电机的基本工作原理同步电机的基本工作原理 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 电机由原动机拖动其旋转，原

3、动机主要有两种：电机由原动机拖动其旋转，原动机主要有两种： 汽轮机和水轮机。汽轮机和水轮机。 如图如图10-1，同步发电机由定子和转子两大部分，同步发电机由定子和转子两大部分 组成。定子铁心的内圆所开槽内嵌放着导体，把组成。定子铁心的内圆所开槽内嵌放着导体，把 这些导体按一定规律连接起来，叫定子绕组，也这些导体按一定规律连接起来，叫定子绕组，也 叫电枢绕组，故定子又称为电枢。叫电枢绕组，故定子又称为电枢。 转子铁心上装有主磁极，主磁极上绕有励磁绕组，转子铁心上装有主磁极，主磁极上绕有励磁绕组， 通以直流电时，各磁极就表现出一定的极性。通以直流电时，各磁极就表现出一定的极性。 交流电机的绕组和电

4、动势交流电机的绕组和电动势 原动机拖动转子旋转，主磁极旋转并切割定子原动机拖动转子旋转，主磁极旋转并切割定子 绕组，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期绕组，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期 性变化的交变电势。性变化的交变电势。 导体感应电势的方向用右手定则判定，导体导体感应电势的方向用右手定则判定，导体A在在 图图10-1（a）位置时方向出纸面，旋转至图（）位置时方向出纸面，旋转至图（b）位）位 置时方向变为进纸面了，即导体置时方向变为进纸面了，即导体A每经过一对主极每经过一对主极 感应电势瞬时方向变化一个周期。感应电势瞬时方向变化一个周期。 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势

5、 感应电势的频率为每秒电势变化的周期数。实感应电势的频率为每秒电势变化的周期数。实 际的电机转子有际的电机转子有 p 对极，转子每转一圈，有对极，转子每转一圈，有 p 对主对主 极经过导体，导体中的感应电势变化极经过导体，导体中的感应电势变化 p个周期。个周期。 式中式中n1称为同步转速，单位为称为同步转速，单位为r/min。 )( 60 1 Hz pn f 因此感应电势的频率决定于同步电机的转速因此感应电势的频率决定于同步电机的转速n1 和极对数和极对数p ，频率，频率 。 一般将同步发电机的定子绕组设计成三相绕组，一般将同步发电机的定子绕组设计成三相绕组， 发出三相交流电供用户使用。发出三

6、相交流电供用户使用。 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 以异步电动机为例，从电机的结构上看，异步以异步电动机为例，从电机的结构上看，异步 电机的定子铁心和定子绕组与同步电机完全一样，电机的定子铁心和定子绕组与同步电机完全一样， 只是转子结构不同。只是转子结构不同。 同步电机转子上是主磁极，在励磁绕组里通直同步电机转子上是主磁极，在励磁绕组里通直 流电主磁极便表现出极性，而异步电机的转子是流电主磁极便表现出极性，而异步电机的转子是 由转子铁心和转子绕组构成的。由转子铁心和转子绕组构成的。 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 下面以鼠笼型电机为例简单下面以鼠笼型电机为例简单

7、说明异步电机的工作原理。说明异步电机的工作原理。 N S f f nn1 n1 A B 图图 10-2 最简单的鼠笼型最简单的鼠笼型 异步电机模型异步电机模型 如图如图10-2，在转子的外，在转子的外 表面所开槽内嵌放导体。表面所开槽内嵌放导体。 各个导体两端伸出转子铁各个导体两端伸出转子铁 心以外并用两个端环分别心以外并用两个端环分别 将其彼此连接起来，形成将其彼此连接起来，形成 一个短路的绕组。一个短路的绕组。 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 图图 10-2 最简单的鼠笼型最简单的鼠笼型 异步电机模型异步电机模型 当三相对称定子绕组中流过当三相对称定子绕组中流过 三相电流时产

8、生旋转磁场，为直三相电流时产生旋转磁场，为直 观，可把磁场想象成旋转磁极，观，可把磁场想象成旋转磁极， 如图如图10-2中的中的N、S极，假设磁极极，假设磁极 逆时针方向旋转，转速为逆时针方向旋转，转速为n1。 旋转磁极使转子导体内感应电势，从而有电流旋转磁极使转子导体内感应电势，从而有电流 流过转子导体，电流方向与感应电势方向相同。流过转子导体，电流方向与感应电势方向相同。 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 图图 10-2 最简单的鼠笼型最简单的鼠笼型 异步电机模型异步电机模型 载流导体载流导体A、B在磁场中会受在磁场中会受 到电磁力作用，其方向用左手定到电磁力作用，其方向用左手

9、定 则判断，如图则判断，如图10-2，此时产生逆，此时产生逆 时针方向的电磁转矩并带动转子时针方向的电磁转矩并带动转子 逆时针方向转动，转速为逆时针方向转动，转速为n。 不能。如果不能。如果n=n1，转子导体与旋转磁场之间就没，转子导体与旋转磁场之间就没 有相对运动，导体中就没有感应感应电势了，也就有相对运动，导体中就没有感应感应电势了，也就 不能产生电磁转矩。不能产生电磁转矩。 n能否等于能否等于n1呢？呢？ 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 由上可知，同步电机和异步电机在运行原理由上可知，同步电机和异步电机在运行原理 和结构上有很多不同，但它们之间也有许多相同和结构上有很多不同

10、，但它们之间也有许多相同 之处，例如交流绕组的构成及其感应电动势和磁之处，例如交流绕组的构成及其感应电动势和磁 动势。因此，下面我们将着重对交流电机的共同动势。因此，下面我们将着重对交流电机的共同 问题给予讲解。问题给予讲解。 掌握这部分内容，对后面学习异步电机和同掌握这部分内容，对后面学习异步电机和同 步电机的原理有很大好处。步电机的原理有很大好处。 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 和变压器相仿，在交流电机中要进行能量的和变压器相仿，在交流电机中要进行能量的 转换必须要有绕组。转换必须要有绕组。 交流绕组的种类很多，其主要分类方法有：交流绕组的种类很多，其主要分类方法有： （1

11、）按槽内层数分，可分为单层和双层绕组。）按槽内层数分，可分为单层和双层绕组。 其中，单层绕组又可分为链式、交叉式和同心式其中，单层绕组又可分为链式、交叉式和同心式 绕组；双层绕组又可分为叠绕组和波绕组。绕组；双层绕组又可分为叠绕组和波绕组。 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 （3）按每极每相槽数，可分为整数槽和分数槽）按每极每相槽数，可分为整数槽和分数槽 绕组。绕组。 尽管交流绕组种类很多，但由于三相双层绕尽管交流绕组种类很多，但由于三相双层绕 组能较好地满足对交流绕组的基本要求，所以现组能较好地满足对交流绕组的基本要求，所以现 代动力用交流电机一般多采用三相双层绕组。代动力用交流

12、电机一般多采用三相双层绕组。 （2）按相数分，可分为单相、两相、三相及多相）按相数分，可分为单相、两相、三相及多相 绕组。绕组。 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 （1）在一定的导体数下，能得到较大的基波电）在一定的导体数下，能得到较大的基波电 动势和基波磁动势。动势和基波磁动势。 一般来说，对交流绕组有以下一些基本要求一般来说，对交流绕组有以下一些基本要求: （2）各相的电动势和磁动势波形应接近正弦波，）各相的电动势和磁动势波形应接近正弦波， 即要求尽量减少它们的高次谐波分量。即要求尽量减少它们的高次谐波分量。 （3）对三相绕组，各相的电动势和磁动势要求）对三相绕组，各相的电动势

13、和磁动势要求 对称（大小相等且相位上互差对称（大小相等且相位上互差120），并且三），并且三 相阻抗也要求相等。相阻抗也要求相等。 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 （5）绕组的制造、安装和检修要方便。）绕组的制造、安装和检修要方便。 总之，上述对交流电机电枢绕组的要求，可总之，上述对交流电机电枢绕组的要求，可 归纳为对绕组感应电动势和产生磁动势的要求。归纳为对绕组感应电动势和产生磁动势的要求。 电枢绕组就是根据以上要求进行安排的。电枢绕组就是根据以上要求进行安排的。 （4）绕组用铜量少，绝缘性能和机械强度可靠，）绕组用铜量少，绝缘性能和机械强度可靠， 散热条件好。散热条件好。 交

14、流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 首先介绍与电机绕组相关的几个基本概念。首先介绍与电机绕组相关的几个基本概念。 1）电角度的概念）电角度的概念 2）槽距角）槽距角 3）每极每相槽数）每极每相槽数 4）相带）相带 5）节距）节距 y1 6）线圈组）线圈组 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 当交流电机磁极对数为当交流电机磁极对数为 p 时，时， 定子一周内电角度为：定子一周内电角度为：360p 如如: p = 1 3601 = 360（电角度）（电角度） 而极距总是而极距总是 = 180电角度，与极对数电角度，与极对数 p 无关。无关。 如如: p = 2 3602 = 72

15、0（电角度）（电角度） 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 Q p a 360 槽距角槽距角 a 为每相邻线圈边之间的电角度或两为每相邻线圈边之间的电角度或两 槽之间的槽距角（单位为电角度）。槽之间的槽距角（单位为电角度）。 定子一周总的电角度为：定子一周总的电角度为：360p 则每槽占电角度：则每槽占电角度： 例如：槽数例如：槽数Q= 24，磁极对数，磁极对数 p = 2 30 24 2360360 Q p a 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 pm Q q 2 每极每相槽数每极每相槽数 q =1是集中绕组，是集中绕组， 每极每相槽数每极每相槽数 q1是分布绕组。是分布

16、绕组。 如变压器就属于集中绕组，它相当于如变压器就属于集中绕组，它相当于 在一个很深的槽中纵向放入若干导体。纵在一个很深的槽中纵向放入若干导体。纵 向看各导体空间位置一致。向看各导体空间位置一致。 纵向看纵向看 变压器集中绕变压器集中绕 组示意图组示意图 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 对交流电机来说，当对交流电机来说，当 q = 2 时，每相有两个时，每相有两个 在空间错开一个在空间错开一个a 槽距角的线圈相串联，称为分槽距角的线圈相串联，称为分 布绕组（横向看，线圈不重叠。）布绕组（横向看，线圈不重叠。） 3）每极每相槽数）每极每相槽数q 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组

17、和电动势 相带是每极每相所占的电角度。一般相带为：相带是每极每相所占的电角度。一般相带为： 例如：例如： q = 2，a=30则相带为：则相带为：230= 60 每极三相占电角度：每极三相占电角度：3 60= 180= A相带相带B相带相带C相带相带 (N)(S) 3 m = 60 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 节距表征线圈构造，是一个线圈的两条有效节距表征线圈构造，是一个线圈的两条有效 线圈边之间相隔的槽数。用线圈边之间相隔的槽数。用 y1 表示。表示。 当当 y1= 时，是整距绕组，时，是整距绕组，y1时，是短距时，是短距 绕组。短距绕组可构成双层绕组，在交流电机中绕组。短

18、距绕组可构成双层绕组，在交流电机中 采用双层绕组可改善电机的电动势波形。采用双层绕组可改善电机的电动势波形。 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 例如，当每极每相槽数例如，当每极每相槽数 q = 2，说明线圈组有，说明线圈组有 两个相邻元件串联组成。两个相邻元件串联组成。 q = = 3，线圈组有三个相邻元件串联组成。，线圈组有三个相邻元件串联组成。 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 Q = 6 ， p=1 1 32 6 2 pm Q q AXZBCY 1 2 3 4 5 6 绕组在定子槽中的分布绕组在定子槽中的分布 及线圈的形状图及线圈的形状图 交流电机的绕组和电动势交

19、流电机的绕组和电动势 Q = 6 ， p=1 1 32 6 2 pm Q q A X Y Z B C 三相交流线圈分布示意图三相交流线圈分布示意图 A C B X、Y、Z 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 一一 根根 导导 体体 电电 动动 势势 线线 圈圈 电电 动动 势势 线线 圈圈 组组 电电 动动 势势 短距因数短距因数 分布因数分布因数 一一 相相 支支 路路 电电 动动 势势 串、并联串、并联 电动势分析推导过程电动势分析推导过程 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 1）直线坐标与角坐标）直线坐标与角坐标 2）主极磁场基波的空间分布）主极磁场基波的空间分布 3

20、）导体感应电动势的计算式）导体感应电动势的计算式 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 x a 磁密空间分布有两种坐标磁密空间分布有两种坐标 角坐标角坐标 直线坐标直线坐标 x 角坐标与直线坐标关系为：角坐标与直线坐标关系为： x x 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 ）（srad n p n pv/ 60 2 60 2 11 线速度与角速度的关系为：线速度与角速度的关系为： dt dx dt d x x x a 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 Bm a Bm B1m B3m B5m 黑色表示方波分布磁密，黑色表示方波分布磁密， 幅值为幅值为Bm。 红色表示正

21、弦基波分布红色表示正弦基波分布 磁密，幅值为磁密，幅值为B1m。 绿色表示三次谐波磁密，绿色表示三次谐波磁密， 幅值幅值B3m=1/3B1m 紫色表示五次谐波磁密，紫色表示五次谐波磁密， 幅值幅值B5m=1/5B1m 方波磁密可用傅氏级数方波磁密可用傅氏级数 分解为正弦基波及各次分解为正弦基波及各次 谐波。谐波。 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 xBb m sin 11 空间分布与空间电角度对应，电角度随空间分布与空间电角度对应，电角度随 时间变化而变化。时间变化而变化。 tB m sin 1 sin 1m B 空间正弦分布，即不同空间电角度所对应空间正弦分布，即不同空间电角度所

22、对应 的磁密值不同。的磁密值不同。 1 b 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 x t 1 b xBb m sin 11 tB m sin 1 sin 1m B 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 lvbe 11 mm ElvB 11 lvB E E m m 1 1 1 2 1 2 lBlB mav 111 2 l B m 1 1 2 fv 2 fv2 lf l E 2 2 2 1 1 11 2 f 1 22.2 f tlvB m sin 1 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 lvbe 33 tEtE m 3sin23sin 33 lvB E E m m 3 3

23、 3 2 1 2 33 322.23 2 ff 3sin 3 lvB m tlvB m 3sin 3 f l 32 2 2 1 3 3 2 33 lB m 其中其中 为为3次谐波每极磁通量。次谐波每极磁通量。 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 2 m1 m1 1 3 1 33 1 3 3 1 3 1 3 1 3 1 2 2 B B B B lB lB m m m m 2 m1 m1 1 5 1 55 1 5 5 1 5 1 5 1 5 1 2 2 B B B B lB lB m m m m 2 m1 m1 1 7 1 77 1 7 7 1 7 1 7 1 7 1 2 2 B B B

24、 B lB lB m m m m 753 、 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 一个线匝有两根导体一个线匝有两根导体A与与X，两导体相距一，两导体相距一 个极距个极距，称整距线匝，它的两个引出线分别叫，称整距线匝，它的两个引出线分别叫 做头和尾。做头和尾。 整距线匝的基波感应电动势整距线匝的基波感应电动势 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 整距线匝当一根导体处于整距线匝当一根导体处于 N极中心下，另一根导体必定极中心下，另一根导体必定 处于处于S极中心下，故它们的基极中心下，故它们的基 波感应电势总是大小相等，方波感应电势总

25、是大小相等，方 向相反。向相反。 整距线匝基波电动势整距线匝基波电动势 eT1 的正的正 方向规定为从尾端指向首端。则：方向规定为从尾端指向首端。则： NS 1T E 1A E 1X E 111XAT EEE 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 相量图如右图所示，可见相量图如右图所示，可见 整距线匝基波电动势的有效值整距线匝基波电动势的有效值 为：为： 同样，线匝里感应的同样，线匝里感应的3次、次、 5次、次、7次等谐波电动势有效值次等谐波电动势有效值 分别等于它们的导体电动势有分别等于它们的导体电动势有 效值的两倍。效值的两倍。 1111 44. 422. 222 ffEE AT

26、1A E 1X E 1A E 1X E 1T E 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 两线圈边之间的距离称为节两线圈边之间的距离称为节 距，用距，用y1表示。右图表示。右图 y1 = ()为为 整距线圈。当整距线圈。当y1时叫长距线圈，电机中一时叫长距线圈，电机中一 般不用长距线圈。般不用长距线圈。 线圈一般由线圈一般由 NK 匝组成，匝组成， NK=1 时是单匝线圈，时是单匝线圈，NK1 时是多匝线圈。时是多匝线圈。 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 整距线圈基波电动势有效值为：整距线圈基波电动势有效值为： 整距线圈电动势整距线圈电动势 eK1 的正方向规定为从尾端的正

27、方向规定为从尾端 指向首端。指向首端。 11TKK ENE 1 44.4 K fN 3次、次、5次、次、7次谐波电动势有效值分别为：次谐波电动势有效值分别为： 33 344.4 KK fNE 55 544.4 KK fNE 77 744.4 KK fNE 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 三相交流电是三相对称的，所谓三相对称是三相交流电是三相对称的，所谓三相对称是 指三相基波电动势的最大值（有效值）一样大，指三相基波电动势的最大值（有效值）一样大， 在相位上互差在相位上互差 120电角度用相量表示，三相的电角度用相量表示，三相的 基波电动势分别为基波电动势分别为 、 、 。 1A

28、E 1B E 1C E 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 根据需要三相根据需要三相 对称绕组可联成对称绕组可联成 星形或三角形，星形或三角形， 如右图。如右图。 为产生三相对称的基波电势，要求绕组是三为产生三相对称的基波电势，要求绕组是三 相对称绕组。图（相对称绕组。图（c）是最简单的三相对称绕组，）是最简单的三相对称绕组， 每相只有一个整距线圈，所以又叫集中绕组。每每相只有一个整距线圈，所以又叫集中绕组。每 槽只放一个线圈边，为单层绕组。槽只放一个线圈边，为单层绕组。 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 除基波电动势，还有一系列奇次谐波电动除基波电动势，还有一系列奇次谐

29、波电动 势。下面分析势。下面分析3次谐波电动势，三次谐波电动次谐波电动势，三次谐波电动 势幅值比基波电动势小，频率是基波的势幅值比基波电动势小，频率是基波的3倍。倍。 对对3次谐波电动势，三相电势相位上互差次谐波电动势，三相电势相位上互差 3120360电角度，它们同相位，则三电角度，它们同相位，则三 相的相的3次谐波电动势相等。次谐波电动势相等。 如右图，当三相绕组如右图，当三相绕组 为为Y联结时，联结时，3次谐波线电次谐波线电 动势为零。动势为零。 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 即即Y联结时线电动势中没有联结时线电动势中没有3次谐波分量。同次谐波分量。同 样，线电动势中也不

30、存在样，线电动势中也不存在3的倍数次谐波电动势。的倍数次谐波电动势。 如右图，当三相绕组为如右图，当三相绕组为D联结时，在三角形联结时，在三角形 回路里能产生电流回路里能产生电流 。 3 I 3333 EEEE CBA 3 3 333 333 3 3 3 Z E ZZZ EEE I CBA CBA 3333CBA ZZZZ 为各相的为各相的3次谐波阻抗。次谐波阻抗。 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 3次谐波线电压为：次谐波线电压为： 0 3333333 ZIEZIEU AAB 由此可见，不管三相对称绕组由此可见，不管三相对称绕组 是是Y联结还是联结还是D联结，线电压里都联结，线电

31、压里都 不存在不存在3的倍数次谐波电压。的倍数次谐波电压。 但对但对D联结的三相对称绕组，由于三角形回路联结的三相对称绕组，由于三角形回路 里有电流，会引起附加损耗，降低电机效率，故里有电流，会引起附加损耗，降低电机效率，故 现代大型同步发电机的电枢绕组多采用现代大型同步发电机的电枢绕组多采用Y联结。联结。 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 三相单层集中整距绕组运行时发热集中，散三相单层集中整距绕组运行时发热集中，散 热困难，在实际电机中很少采用，而三相单层分热困难，在实际电机中很少采用，而三相单层分 布绕组用得较多，它能有效利用电枢表

32、面空间，布绕组用得较多，它能有效利用电枢表面空间， 便于绕组散热。便于绕组散热。 单层绕组的优点是，嵌线方便；绕组分布能单层绕组的优点是，嵌线方便；绕组分布能 起到削弱电动势及磁动势中谐波的作用，从而提起到削弱电动势及磁动势中谐波的作用，从而提 高了电机的性能。高了电机的性能。 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 电动势星形相量图：按照相邻两导体的基波电动势星形相量图：按照相邻两导体的基波 电动势相差电动势相差 a 电角度的规律，把电枢上各槽内导电角度的规律，把电枢上各槽内导 体电动势分别用相量表示，这些相量构成一个辐体电动势分别用相量表示，这些相量构成一个辐 射星形图。射星形图。

33、电动势星形相量图是分析交流绕组的有效方电动势星形相量图是分析交流绕组的有效方 法，下面我们用具体例子来说明。法，下面我们用具体例子来说明。 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 一台交流电机，转子极对数一台交流电机，转子极对数p2，定子上均，定子上均 匀分布了匀分布了24个槽，即个槽，即Q24，每槽放一根导体，每槽放一根导体， 由原动机拖动逆时针方向以由原动机拖动逆时针方向以n1恒速旋转，试画出恒速旋转，试画出 电动势星形相量图。电动势星形相量图。 先计算槽距角：先计算槽距角： 0 00 30 24 3602360 Q p 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 顺转向看，导体顺

34、转向看，导体1在空间超前导体在空间超前导体24 30电电 角度，因此导体角度，因此导体1基波电动势相量在时间相量图基波电动势相量在时间相量图 上将滞后导体上将滞后导体24 30电角度。电角度。 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 从电动势星形相量图可以看出：从电动势星形相量图可以看出： 电动势星形图的一个圆周的距离使用电角度电动势星形图的一个圆周的距离使用电角度 3600，即一对磁极的距离。所以，即一对磁极的距离。所以，1-12号相量和号相量和 13-24重合，即有重合，即有p对极星形相量图就要重复对极星形相量图就要重复p次。次。 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 60相

35、带（每极每相所占电角度相带（每极每相所占电角度)法：将星形法：将星形 图分成图分成6等份，即每等份为等份，即每等份为60电角度，这电角度，这60 范围内的相量及其对应的导体将属于一相的。范围内的相量及其对应的导体将属于一相的。 为了分相带方便，先计算每极每相槽数为了分相带方便，先计算每极每相槽数q： )(2 43 24 2 槽槽 pm Q q 注意：注意：三相绕组在空间位置上彼此相隔三相绕组在空间位置上彼此相隔120电电 角度。每相绕组两线圈边隔角度。每相绕组两线圈边隔180电角度。电角度。 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 按相带的各相所属槽号的顺序表如下：按相带的各相所属槽号的

36、顺序表如下： 2、利用星形相量图安排单层分布绕组、利用星形相量图安排单层分布绕组 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 2、利用星形相量图安排单层分布绕组、利用星形相量图安排单层分布绕组 A相带的一个槽和相带的一个槽和 X 相带的一个槽嵌放一个整距线相带的一个槽嵌放一个整距线 圈（元件）。如圈（元件）。如1 - 7，2 - 8，13 - 19，14 - 20。 A相带每对极两个线圈串联构成一个相带每对极两个线圈串联构成一个线圈组线圈组，q = 2，表示一个线圈组有两个相邻线圈串联。，表示一个线圈组有两个相邻线圈串联。 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 2、利用星形相量图安排

37、单层分布绕组、利用星形相量图安排单层分布绕组 图图10-17 单层绕组的一相绕组展开图单层绕组的一相绕组展开图 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 2、利用星形相量图安排单层分布绕组、利用星形相量图安排单层分布绕组 如果要求发电机发出的电动势高，可以把属于如果要求发电机发出的电动势高，可以把属于 同一相的线圈按照瞬时电动势叠加的规律串联起同一相的线圈按照瞬时电动势叠加的规律串联起 来，叫一路串联绕组。来，叫一路串联绕组。 如果要求发电机发出的总电流大些，可以采用如果要求发电机发出的总电流大些，可以采用 并联绕组，即把并联绕组，即把A1、A2相联，相联， X1、X2相联，成为相联，成为

38、 两路并联绕组。两路并联绕组发出的电动势为两路并联绕组。两路并联绕组发出的电动势为A1X1 线圈组的电动势，而发出的总电流则是每个并联支线圈组的电动势，而发出的总电流则是每个并联支 路电流的两倍。路电流的两倍。 怎样将同一相的线圈组组成怎样将同一相的线圈组组成一一相绕组呢？相绕组呢？ 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 2、利用星形相量图安排单层分布绕组、利用星形相量图安排单层分布绕组 对于单层绕组，一对极下对于单层绕组，一对极下6个相带可以组成个相带可以组成3个个 线圈组，如果一个线圈组，如果一个p对极电机，每相应有对极电机，每相应有p个线圈组，个线圈组， 可以根据需要将它们进行串

39、并联。应该说明，单层可以根据需要将它们进行串并联。应该说明，单层 绕组并联的最大支路数为绕组并联的最大支路数为ap。 单层绕组一个线圈有两根导体，每根导体嵌放单层绕组一个线圈有两根导体，每根导体嵌放 在一个槽内，故三相单层绕组的线圈数等于总槽数在一个槽内，故三相单层绕组的线圈数等于总槽数 的一半。的一半。 B相、相、C相的绕组联结方法与相的绕组联结方法与A相完全一样。相完全一样。 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 1、当当 q = 3，p = 3，每相并联支路数，每相并联支路数 a = 1。 每相有多少个线圈组串联？每相有多少个线圈组串联？ 每线圈组有多少线圈串联？每线圈组有多少线

40、圈串联？ 每相有多少线圈串联？每相有多少线圈串联？ 答：答：每相有每相有 3 个线圈组串联。个线圈组串联。 每线圈组有每线圈组有 3 个线圈串联。个线圈串联。 每相有每相有 9 个线圈串联。个线圈串联。 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 2、三相单层绕组、三相单层绕组 q = 4，p = 4，并联支路数，并联支路数a = 4， 问总槽数问总槽数 Q为多少？为多少？ 答：答：Q =qp32 = 4432 = 96（槽）（槽） B 每支路有每支路有4 4个线圈串联。个线圈串联。 C A 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 1、单层绕组为整距绕组；单层绕组为整距绕组； 2、每相

41、每对极有一个线圈组；每相每对极有一个线圈组； 3、一个线圈组有一个线圈组有 q 个线圈串联；个线圈串联； 4、p 对磁极，每相有对磁极，每相有 p 个线圈组；个线圈组； 5、各线圈组可以并联、串联，最大并联支路数各线圈组可以并联、串联，最大并联支路数 为为 amax = p。 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 3、绕组相电动势计算、分布因数、绕组相电动势计算、分布因数 1）整距分布线圈组的基波电动势）整距分布线圈组的基波电动势 由上例可知，单层分布绕组中线圈组有由上例可知，单层分布绕组中线圈组有 q 个整个整 距线圈串联，它们分布在相邻槽中。距线圈串联，它们分布在相邻槽中。 每个电

42、动势相量相差每个电动势相量相差 a (槽距角）相位。槽距角）相位。 所以线圈组的电动势等于所以线圈组的电动势等于 q 个串联线圈电动势个串联线圈电动势 的相量和。的相量和。 注意：注意：不是代数和不是代数和 q Ey1。 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 q = 3 的线圈组的线圈组 20 33 180180 qm a a a r a a a 1q E 11K E 1）整距分布线圈组的基波电动势）整距分布线圈组的基波电动势 12K E 13K E 1312111KKKq EEEE 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 r为多边形外接圆半径。为多边形外接圆半径。 2 sin2

43、 1 qa rEq 2 sin2 1 a rEK 2 sin 2 sin 11 a qa EE Kq 11dK kqE 2 sin 2 sin 1 a q qa qEK a a r a a a 1q E 1K E 1）整距分布线圈组的基波电动势）整距分布线圈组的基波电动势 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 1）整距分布线圈组的基波电动势）整距分布线圈组的基波电动势 1d k 为基波分布因数，是一个小于为基波分布因数，是一个小于1的数。的数。 即整距线圈分布时的总基波电动势比集中时的即整距线圈分布时的总基波电动势比集中时的 基波电动势小。基波电动势小。 1dKk qN 从感应基波电动

44、势有效值大小上看，整距线从感应基波电动势有效值大小上看，整距线 圈分布时的线圈组的等效总匝数为圈分布时的线圈组的等效总匝数为 。 111 44. 4 dKq kfqNE 整距线圈分布时的线圈组的总基波电动势有整距线圈分布时的线圈组的总基波电动势有 效值为：效值为： 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 2）整距分布线圈组的谐波电动势）整距分布线圈组的谐波电动势 因此因此 次谐波的分布因数为：次谐波的分布因数为： 整距线圈各基波电动势相量之间相位差为整距线圈各基波电动势相量之间相位差为 ， 各各 次谐波电动势之间的相位差则变为次谐波电动势之间的相位差则变为 。 2 sin 2 sin a

45、 q a q kd 不难看出，不难看出， 越大，分布因数越小，即采用分布越大，分布因数越小，即采用分布 绕组后，基波电动势有效值减小不多，高次谐波电绕组后，基波电动势有效值减小不多，高次谐波电 动势有效值大大减小，可以改善电动势波形。动势有效值大大减小，可以改善电动势波形。 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 3）三相单层分布绕组相电动势的计算）三相单层分布绕组相电动势的计算 （1）基波电动势）基波电动势 绕组的并联支路数用绕组的并联支路数用 a 表示，每相每条支路共表示，每相每条支路共 有有 p/a 个线圈组串联在一起，则每相基波电动势有个线圈组串联在一起，则每相基波电动势有 效值

46、为：效值为： 由前面分析可知，每对极下的线圈组的基波电由前面分析可知，每对极下的线圈组的基波电 动势有效值为：动势有效值为： 。 11111 44. 4 dKdKq kfqNkqEE 11111 )(44. 444. 4 d K dK k a pqN f a p kfqNE 111 44. 4 d kfN 式中式中N1为一相绕组串联匝数。为一相绕组串联匝数。 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 3）三相单层分布绕组相电动势的计算）三相单层分布绕组相电动势的计算 （2）谐波电动势）谐波电动势 每对极下每相的线圈组中谐波电动势有效值为：每对极下每相的线圈组中谐波电动势有效值为： dKdK

47、q kfqNkqEE44. 4 dd K kfNk a pqN fE 1 44. 4)(44. 4 各相谐波电动势有效值为：各相谐波电动势有效值为： 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 双层绕组是指定子的每个槽里放两个线圈边，双层绕组是指定子的每个槽里放两个线圈边， 每个线圈边为一层，故双层绕组的线圈总数等于每个线圈边为一层，故双层绕组的线圈总数等于 定子槽数。定子槽数。 双层绕组的优点是线圈可以任意短距，如果双层绕组的优点是线圈可以任意短距，如果 短距设计得适当，对改善电动势波形有好处，所短距设计得适当，对改善电动势波形有好处，所 以现在容量在以现在容量在10KW以上得交流电机大都

48、采用双以上得交流电机大都采用双 层分布短距绕组。层分布短距绕组。 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 1）基波电动势）基波电动势 右图为一短距线圈，线圈的节距右图为一短距线圈，线圈的节距 ，其中，其中y为一大于为一大于0小于小于1的数。的数。yy 1 导体及整个线圈的基波电动势导体及整个线圈的基波电动势 相量图如左图，相量图如左图， 分别是线圈分别是线圈 两有效边导体的基波电动势相量。两有效边导体的基波电动势相量。 11XA EE 、 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 111XAK EEE 111 ) 2 sin(44. 4) 2 sin(2 yfNyEE KAK 1）基

49、波电动势）基波电动势 由相量图得短距线圈的基波由相量图得短距线圈的基波 电动势相量为：电动势相量为： 短距线圈的基波电动势有效值为：短距线圈的基波电动势有效值为： 11 44. 4 pK kfN 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 当把线圈作成短距时，基波节距因数小于当把线圈作成短距时，基波节距因数小于1， 只有整距线圈时（只有整距线圈时（y1）基波节距因数为）基波节距因数为1。 pKK kfN.E444 ）（ 2 sin 1 yk p 式中，式中， 为基波节距因数。为基波节距因数。 2）谐波电动势）谐波电动势 短距线圈的谐波电动势有效值为：短距线圈的谐波电动势有效值为： 同前，同前

50、， 次谐波的节距因数为次谐波的节距因数为 。）（ 2 sin yk p 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 下面用一个具体例子来说明。下面用一个具体例子来说明。 已知三相电机定子槽数已知三相电机定子槽数Q=36,，2p=4，节距，节距y1=7 槽，并联支路数槽，并联支路数a=1，联成三相双层短距分布绕组，联成三相双层短距分布绕组 联接图。联接图。 步骤如下：步骤如下： （1）计算槽距角。）计算槽距角。 0 00 20 36 3602360 Q p 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 右图为短距线圈基波右图为短距线圈基波 电动势星形图。电动势星形图。 （2）画基波电动势星形相

51、量图。）画基波电动势星形相量图。 注意：注意：对双层绕组的基对双层绕组的基 波电动势星形图，每个波电动势星形图，每个 相量代表一个短距线圈相量代表一个短距线圈 的基波电动势，而不是的基波电动势，而不是 导体电动势。导体电动势。 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 （槽槽）3 232 360 2 mp Q q 每极每相槽数每极每相槽数q为：为： （3）按）按60相带法分相。相带法分相。 )(9 4 36 2 槽槽 p Q y1=7槽槽，短距。短距。 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 （4）画绕组展开图。）画绕组展开图。 首先根据给定线圈的节距，把属于同一线圈首先根据给定线圈

52、的节距，把属于同一线圈 的上下层边连成线圈。如，第的上下层边连成线圈。如，第1槽的上层边与第槽的上层边与第8 槽的下层边相联，叫第槽的下层边相联，叫第1线圈，把上层边在第线圈，把上层边在第2槽槽 的线圈叫第的线圈叫第2线圈，依此类推，如图线圈，依此类推，如图10-22所示。所示。 然后根据之前划分的相带，把每个相带里的然后根据之前划分的相带，把每个相带里的 线圈彼此串联起来，构成极相组。所谓极相组，线圈彼此串联起来，构成极相组。所谓极相组， 即每相每极下由即每相每极下由q个线圈串联组成的线圈组。图个线圈串联组成的线圈组。图 10-22仅画出了仅画出了A相的极相组。相的极相组。 交流电机的绕组和

53、电动势交流电机的绕组和电动势 （4）画绕组展开图。）画绕组展开图。 图图 10-22 三相双层短距分布绕组的一相绕组展开图。三相双层短距分布绕组的一相绕组展开图。 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 （5）确定绕组的并联支路数。）确定绕组的并联支路数。 本例中要求本例中要求a1，即把如图，即把如图10-22中属于中属于A相相 的的4个极相组串联起来即可。个极相组串联起来即可。 图图10-22中每相有中每相有4个极相组，根据需要，可个极相组，根据需要，可 以把它们并联，也可以把它们串联起来。并联支以把它们并联，也可以把它们串联起来。并联支 路数最少是路数最少是a1，最多是，最多是a4。

54、双层绕组的并联。双层绕组的并联 支路数最多是支路数最多是a=2p。 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 111 44. 4 pKK kfNE 1111 44. 4 dpKq kkfqNE 1）基波电动势）基波电动势 短距线圈的基波电动势有效值为：短距线圈的基波电动势有效值为： 极相组基波电动势有效值为：极相组基波电动势有效值为： 1111 44. 4 dp kfNE 相绕组基波电动势有效值为：相绕组基波电动势有效值为： 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 a pqN N K 2 1 111dpdq kkk 1）基波电动势）基波电动势 式中式中N1为每相串联匝数：为每相串联匝

55、数： 为基波绕组因数：为基波绕组因数： 1dq k 1111 44. 4 dp kfNE 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 2）谐波电动势）谐波电动势 pKK kfNE44. 4 dpKq kkfqNE44. 4 dp kfNE 1 44. 4 短距线圈短距线圈 次谐波电动势有效值为：次谐波电动势有效值为： 相绕组相绕组 次谐波电动势有效值为：次谐波电动势有效值为： 极相组极相组 次谐波电动势有效值为：次谐波电动势有效值为： dp k式中式中 是谐波次数；是谐波次数； 是是 次谐波的绕组因数。次谐波的绕组因数。 交流电机的绕组和电动势交流电机的绕组和电动势 q= 2，y = 5/6，三相双层，三相双层，60相带，求三次相带，求三次 谐波和七谐波和七 次谐波的短距系数和分布