交流电机共同问题

1、福州大学福州大学电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院电机学教研组电机学教研组电机学多媒体课件系列电机学多媒体课件系列2014.3第第 二二 篇篇交流电机共同问题交流电机共同问题 交流电机包括同步电机和异步电机交流电机包括同步电机和异步电机, ,是一种是一种以磁场为耦合场的连续旋转的机电装置。以磁场为耦合场的连续旋转的机电装置。第六章第六章 交流绕组理论交流绕组理论 旋转电机结构旋转电机结构定子定子转子转子空气隙空气隙-铁芯和绕组铁芯和绕组-铁芯和绕组铁芯和绕组 虽然他们在运行原理和结构上有有很大差别，但虽然他们在运行原理和结构上有有很大差别，但其内部发生的电磁现象存在许多共性，如其内部发生

2、的电磁现象存在许多共性，如交流绕组构成、交流绕组构成、交流绕组产生的感应电动势、交流绕组电流产生的磁势交流绕组产生的感应电动势、交流绕组电流产生的磁势等问题相同等问题相同, ,这些共性问题统一在此章节进行研究。这些共性问题统一在此章节进行研究。(a)NNSS(c)(d)SNSN(b)三相同步电机的结构三相同步电机的结构三相异步电动机的结构三相异步电动机的结构同步电机组成：定子、同步电机组成：定子、( (气隙气隙) )、转子、转子NSNS+AABCCB定子铁芯定子铁芯定子绕组定子绕组转子磁极铁芯转子磁极铁芯转子励磁绕组转子励磁绕组电刷电刷集电环集电环（滑环）（滑环）气隙气隙转子转子定子定子1 1

3、、同步电机基本作用原理同步电机基本作用原理 当原动机带动转子当原动机带动转子旋转旋转, ,气隙主磁场随转气隙主磁场随转子旋转并切割定子绕组，子旋转并切割定子绕组，产生感应电动势产生感应电动势. .定于定于: :嵌放三相对称电枢绕组嵌放三相对称电枢绕组 A-XA-X、B-Y B-Y 、C-Z,C-Z,三相绕组匝数相等，空间位置互差三相绕组匝数相等，空间位置互差1201200 0电角度电角度; ;转子转子: :装有励磁绕组，通以直流电流装有励磁绕组，通以直流电流, ,产生气隙主磁场产生气隙主磁场. .ABC 定子加定子加三相交流电三相交流电产生产生旋转磁场旋转磁场切割定、切割定、转子绕组，转子绕组

4、，产生产生感应电感应电动势动势导条闭合产生导条闭合产生感应感应电流电流转子带电导条和旋转子带电导条和旋转磁场作用产生转磁场作用产生电磁转矩电磁转矩驱动转于转动。驱动转于转动。旋转磁场的产生旋转磁场的产生Ybj1.swf2 2、异步电机基本作用原理异步电机基本作用原理 定子定子与同步电机与同步电机相似相似, ,嵌放三相嵌放三相A-XA-X、B-Y B-Y 、C-ZC-Z对称对称绕组绕组, ,三相绕组空间位置互差三相绕组空间位置互差1201200 0电角度电角度; ;转子转子与同步电机与同步电机不同不同, ,由转子铁芯和由转子铁芯和闭合闭合的交流绕组组成。的交流绕组组成。第一节第一节 交流绕组构成

5、原则交流绕组构成原则交流绕组交流绕组单层绕组单层绕组双层绕组双层绕组同心式绕组同心式绕组链式绕组链式绕组交叉链式绕组交叉链式绕组等元件式整距叠绕组等元件式整距叠绕组双层叠绕组双层叠绕组双层波绕组双层波绕组 交流绕组是产生电动势、磁动势和产生电磁转矩的交流绕组是产生电动势、磁动势和产生电磁转矩的载体载体, , 动力驱动的交流电机多是三相绕组，本章着重介动力驱动的交流电机多是三相绕组，本章着重介绍三相绕组。绍三相绕组。 1 1、三相交流对称绕组的基本要求、三相交流对称绕组的基本要求: : (1 (1）三相绕组合成电动势和磁动势的波形要接近正弦；）三相绕组合成电动势和磁动势的波形要接近正弦；尽量减少

6、或消除高次谐波分量尽量减少或消除高次谐波分量; ; （2 2）各相电动势和磁动势要对称，各相阻抗相等；）各相电动势和磁动势要对称，各相阻抗相等； （3 3）用铜量省、绝缘性能和机械强度可靠，散热容易、）用铜量省、绝缘性能和机械强度可靠，散热容易、制造方便。制造方便。一、一、对交流绕组的要求对交流绕组的要求: :2 2、交流绕组的构成原则、交流绕组的构成原则（1 1）均匀原则：）均匀原则：每极的槽数相等，各相绕组在每极内所占每极的槽数相等，各相绕组在每极内所占的槽数应相等；的槽数应相等；（2 2）对称原则：）对称原则：三相绕组的结构完全一样，绕组匝数相同三相绕组的结构完全一样，绕组匝数相同, ,

7、 空间位置互差空间位置互差120120o o电角度电角度。（3 3）电势相加原则：）电势相加原则：线圈两个圈边的感应电势应该相加线圈两个圈边的感应电势应该相加, ,即：即：线圈的一个边在线圈的一个边在N N极下，另一个应在极下，另一个应在S S极下。极下。线圈与线圈之间线圈与线圈之间的连接也应符合电势相加原则。的连接也应符合电势相加原则。 1 1、电角度：、电角度：在电机理论中，把一对主磁极所占的空在电机理论中，把一对主磁极所占的空间距离，称为间距离，称为360360的空间电角度。的空间电角度。 电角度电角度 = = 极对数极对数P P机械角度机械角度二二、交流绕组相关术语交流绕组相关术语极对

8、数极对数：指电机：指电机主磁极的对数主磁极的对数，通常用，通常用p p表示。表示。机械角度机械角度：一个圆周真正的空间角度为机械角度：一个圆周真正的空间角度为机械角度3603602 2、每极每相槽数、每极每相槽数q q ：每个极内每相所占的槽数：每个极内每相所占的槽数如电机槽数为如电机槽数为Z Z，极对数为，极对数为p p，相数为相数为m m。则：。则： pmZq2 q=1q=1的绕组称为集中绕组，的绕组称为集中绕组，q1q1的绕组称为分布绕组的绕组称为分布绕组4 4、极距、极距：指电机一个主磁极在电枢表面所占的长度指电机一个主磁极在电枢表面所占的长度 可用槽数：可用槽数： 空间长度：空间长度

9、：pZ2 pD2 3 3、槽距角、槽距角 ：相邻两槽相邻两槽的距离用电角度表示的距离用电角度表示ZP0360 y=y=为为整距整距线圈线圈yyy为为长距长距线圈线圈6 6、 线圈节距线圈节距: :元件两元件两边所跨的槽数边所跨的槽数5 5、线圈（元件）、线圈（元件）：是：是构成绕组的基本单元。构成绕组的基本单元。绕组绕组就是线圈按一定规就是线圈按一定规律的排列和联结。律的排列和联结。8 8、槽电动势星形图：、槽电动势星形图： 电枢上各槽导体感应正弦电动势电枢上各槽导体感应正弦电动势用相量表示时用相量表示时, ,这些相量构这些相量构成一个星形辐射图，成一个星形辐射图，称槽电动势星形图。称槽电动势

10、星形图。 例例: :已知一台三相同步发电机的定子已知一台三相同步发电机的定子2p=4,2p=4,电枢槽数电枢槽数Z=24,Z=24,转子磁极逆时针方向旋转，试绘出槽电动势星形图。转子磁极逆时针方向旋转，试绘出槽电动势星形图。解解： 槽距角槽距角00030243602360 Zp 7 7、相带：、相带：每相绕组所占的范围每相绕组所占的范围6060o o相带相带将将一个磁极一个磁极分成三份，每份所占电角度分成三份，每份所占电角度120120o o相带相带将将一对磁极一对磁极分成三份，每份所占电角度分成三份，每份所占电角度)(600常常用用相相带带电电角角度度q 11910212320718BX19

11、16Z31530175648142A1213124C22Y 当转子逆时针旋转时，定子上的导体切割转子基波磁当转子逆时针旋转时，定子上的导体切割转子基波磁场，感应出正弦电动势。场，感应出正弦电动势。 各导体沿圆周相距一个槽距角，导体内产生的电动势各导体沿圆周相距一个槽距角，导体内产生的电动势相位也相差一个槽距角，各槽电动势相位也相差一个槽距角，各槽电动势相量构成一个星形图。相量构成一个星形图。300=300可见：可见：槽电动势星形图一个圆周是槽电动势星形图一个圆周是一对极的距离，每一对极的距离，每对极都对极都构成一个单元槽电动势星形图。此例构成一个单元槽电动势星形图。此例:1:1至至1212号号

12、构成一对极即一个单元星形图，构成一对极即一个单元星形图，1313至至24 24 槽为另一对槽为另一对极下的单元星形图，极下的单元星形图，2 2个星形图重合个星形图重合 。分相指每极下槽分配给三相，分相指每极下槽分配给三相，其原则是其原则是（1 1）每极每相占有）每极每相占有q q 个槽；个槽；（2 2）三相对称，互差）三相对称，互差120120电角度。电角度。2322242 pmZq本本例例：对绕组分相见图所示。对绕组分相见图所示。11910212320718BX1916Z31530175648142A1213124C22Y9 9、分相、分相1010、单层绕组和双层绕组、单层绕组和双层绕组双层

13、绕组：双层绕组：一个槽中放一个槽中放两个元件边两个元件边单层绕组：单层绕组： 一个槽中只放一个槽中只放一个元件边一个元件边 每槽分上下两层，靠近槽口的线圈边称为上层边，靠每槽分上下两层，靠近槽口的线圈边称为上层边，靠近槽底的线圈边称为下层边。近槽底的线圈边称为下层边。 用途用途: :由于每槽中只包含一个线圈边，所以其由于每槽中只包含一个线圈边，所以其线圈数线圈数为槽数的一半。为槽数的一半。比较适合于比较适合于10KW10KW以下的小型交流异步以下的小型交流异步电机中，很少在大、中型电机中采用。电机中，很少在大、中型电机中采用。分类：按连接和端接不同分类分类：按连接和端接不同分类, ,有有链式、

14、同心式和交链式、同心式和交 叉式等叉式等。 定义定义: :每槽中只有一个线圈边每槽中只有一个线圈边的三相交流绕组称为三的三相交流绕组称为三 相单层绕组。相单层绕组。第二节第二节 三相单层绕组三相单层绕组优点优点: :结构及嵌线工艺简单结构及嵌线工艺简单. .一一. . 单层叠绕组单层叠绕组(等元件式整距叠绕组等元件式整距叠绕组) 例：例：Z Z2424（槽）、（槽）、m m3 3（相）、（相）、2p2p4 4（极）的单（极）的单层叠绕组层叠绕组1 1、计算、计算: :3024360236023424264242 ZppmZqpZ 11910212320718BX1916Z31530175648

15、142A1213124C22Y1)1)分极：分极：画槽数画槽数, ,标槽号标槽号, ,将总槽数按给定的极数均匀将总槽数按给定的极数均匀（N N、S S极相邻分布）并标记假设的感应电势方向。极相邻分布）并标记假设的感应电势方向。 分相：分相：将每极槽数按三相均分将每极槽数按三相均分(60(600 0相带相带) )，三相在空，三相在空间错开间错开1201200 0电角度；电角度；或按槽电动势星形图分相。或按槽电动势星形图分相。2 2、画绕组展开图的步骤：、画绕组展开图的步骤：A Az zBx xA AX XC Cz zc cy yB By yA Ax xA Ax x2)2)连接线圈：连接线圈：按按

16、电势相加原则电势相加原则将一对极内属于同一相将一对极内属于同一相的两个线圈边连成一个线圈的两个线圈边连成一个线圈; ;一对极共有一对极共有q q个线圈个线圈。连接线圈组：连接线圈组：按按电势相加原则电势相加原则将一对极内属于同一相将一对极内属于同一相的的q q个线圈连成一个线圈组，个线圈连成一个线圈组，每相共每相共p p个线圈组个线圈组. .NNSS串联串联: : a a1 13)3)连相绕组连相绕组: :根据根据电势相加原则电势相加原则将属于同一相的将属于同一相的p p个线圈组连成一相绕组，并标记首尾端。个线圈组连成一相绕组，并标记首尾端。并联：并联：a a2 2最大并联支路数最大并联支路数

17、a ap p4)4)连三相绕组连三相绕组: :将三个构造好的单相绕组连成将三个构造好的单相绕组连成 完整的三相绕组完整的三相绕组A Az zB Bx xA Ax xc cz zc cy yB By y适用于适用于q=2q=2、p1p1的小型异步电机的小型异步电机* * * *从形式上看，线圈从形式上看，线圈yy短距（短距（实质上仍为整距实质上仍为整距）二二、单层单层链式绕组：链式绕组：保持线圈有效边电动势、电流方向保持线圈有效边电动势、电流方向不变，将叠绕组端部改接不变，将叠绕组端部改接。单层单层叠绕组叠绕组单层单层链式链式NNSS121911A73465981015131214171618X

18、232120222494223162110C15Z201141978132AX12176B115241823Y三、交叉式绕三、交叉式绕组组:1 21911A73 4659810151312141716182321202224252627节距:39X282930313233343536例：例：Z Z3636（槽）、（槽）、m m3 3（相）、（相）、2p2p4 4（极）的单层叠绕（极）的单层叠绕组组节距:2817A2119117435 6981015131214171618X23212022252427262928313033323534362093 q计计算算：等元件单层叠绕：等元件单层叠绕：

19、保持线圈有效边电动势、电流方向不变，将端部改接交叉式绕组：保持线圈有效边电动势、电流方向不变，将端部改接交叉式绕组：交叉式绕交叉式绕组组Y26B36623C15312432417925183413Z7302028A3191211X1142281621027533352129 交叉式绕交叉式绕组组适用于适用于q=3q=3的小型异步电机的小型异步电机; ;因为因为q q为奇数，一个为奇数，一个相带内相带内q q槽无法均分为二，此时就形成了交叉式绕组。槽无法均分为二，此时就形成了交叉式绕组。 从形式上看，线圈组元件节距不等（大从形式上看，线圈组元件节距不等（大y=8y=8，小，小y=7y=7）（实）

20、（实质上仍为整距）质上仍为整距）四、同心式绕四、同心式绕组：组：保持线圈有效边电动势、电流方向不保持线圈有效边电动势、电流方向不变，将叠绕组端部改接变，将叠绕组端部改接。单层单层叠绕组叠绕组同心式同心式绕绕组组NNSS121911A734659810X151312141716182321202224BC9151022165116181214817A2Y3Z2319X20134212417保持线圈有效边电动势、电流方向不变，将端部改接。保持线圈有效边电动势、电流方向不变，将端部改接。从形式上看，元件节距不等（大从形式上看，元件节距不等（大y=11y=11，小，小y=9y=9）（）（实质上仍为整距

21、实质上仍为整距）152436013604312242122242 ZppmZqpZNS同心式绕同心式绕组组适用于适用于p=1p=1的小型异步电机的小型异步电机例：例：Z Z2424（槽）、（槽）、m m3 3（相）、（相）、2p2p2 2（极）的电机（极）的电机 1 1 、三相单层绕组特点：、三相单层绕组特点： 每个槽内只有一个线圈边每个槽内只有一个线圈边, ,线圈数线圈数Z/2;Z/2; 每线圈匝数每线圈匝数NcNc等于每槽导体数等于每槽导体数, ,(2)(2)每对极每对极q q个线圈个线圈, ,组成组成1 1个线圈组个线圈组, ,每个线圈组有每个线圈组有qNcqNc匝数匝数; ;(3)(3

22、)每相有每相有p p个线圈组（个线圈组（6060相带相带),),每相串联匝每相串联匝N=pqNc/a(N=pqNc/a(即即每条支路的匝数）每条支路的匝数）(4)(4)单层绕组实质上为整距绕组单层绕组实质上为整距绕组kp=1kp=1 2 2、优点：、优点： 嵌线方便嵌线方便, ,槽的利用率高槽的利用率高(2)(2)采用不等距的线圈组成，节省铜线采用不等距的线圈组成，节省铜线缺点缺点: :不能做成短距（不能做成短距（kp=1kp=1）, ,波形差。波形差。总结总结: :第三节第三节 三相双层绕组三相双层绕组 双层绕组双层绕组：线圈一个边放在某槽的上层，另一边放在：线圈一个边放在某槽的上层，另一边

23、放在相隔节距相隔节距y y槽的另一槽的下层槽的另一槽的下层。特点：特点：双层绕组的线圈数和槽数正好相等双层绕组的线圈数和槽数正好相等 根据双层绕组线圈形状和连接规律根据双层绕组线圈形状和连接规律, ,可分为可分为叠绕组和叠绕组和波绕组波绕组两大类。两大类。a)a)叠绕组叠绕组: :相邻两个串联绕组中，后一个绕组叠加在前相邻两个串联绕组中，后一个绕组叠加在前一个线圈上一个线圈上b)b)波绕组波绕组: :两个相连接的线圈成波浪式前进两个相连接的线圈成波浪式前进这里仅介绍双层叠绕组这里仅介绍双层叠绕组例：三相交流电机例：三相交流电机 Z=24Z=24，2p=42p=4，整距，整距y=y=，m=3 m

24、=3 试绘试绘制制a=1a=1的三相双层叠绕组展开图的三相双层叠绕组展开图1 1、计算：计算：30243602360 Zp 234242 pmZq664242 y:pZ整整距距取取下面我们通过具体例子来说明下面我们通过具体例子来说明双层叠绕组的构成双层叠绕组的构成11910212320718BX1916Z31530175648142A1213124C22Y一、整距一、整距y=y=双层叠绕组双层叠绕组1)1)分极：分极：以上层边所在槽号标记线圈号以上层边所在槽号标记线圈号, ,将总槽数按给将总槽数按给定的极数均分（定的极数均分（N N、S S极相邻分布）极相邻分布）, ,并标记并标记假设假设的感

25、的感应电势方向。应电势方向。2 2）分相：）分相：将每个极内槽数按三相均分将每个极内槽数按三相均分, ,三相在空间错三相在空间错开开1201200 0电角度电角度, ,或按槽电动势星形图分相。或按槽电动势星形图分相。2 2、画绕组展开图的步骤：、画绕组展开图的步骤：A Az zB Bx xA AX XC Cz zc cy yB By y3)3)连接线圈连接线圈: :根据给定的线圈节距根据给定的线圈节距Y,Y,按电势相加原则按电势相加原则连线圈连线圈, ,每极共有每极共有q q个线圈个线圈. .4 4）连接线圈组）连接线圈组: :将同一极域内属于同一相的将同一极域内属于同一相的q q个线圈个线圈

26、按电势相加原则连成一个线圈组按电势相加原则连成一个线圈组, ,共有共有2p2p个线圈组。个线圈组。NNSS a) a)按电势相加原则按电势相加原则将属于同一相的将属于同一相的2p2p个线圈组连成一个线圈组连成一相绕组相绕组, ,并标记首尾端并标记首尾端; ;最大并联支路数最大并联支路数a a2p 2p 。 b)b)按照同样的方法构造其他两相。按照同样的方法构造其他两相。5 5）连相绕组连相绕组A A相连接相连接(a=1)(a=1)BCNSNSZ ZY Y取短节距取短节距y=5y=5、a=2a=2的的双层叠绕组如下：双层叠绕组如下：二、短距二、短距yy双层叠绕组双层叠绕组采用双层绕组目的：采用双

27、层绕组目的：改善线圈电动势和磁动势的波形。改善线圈电动势和磁动势的波形。13A17268127132419141819X12018A7612713128131419201924X118A7612713128131419201924X1（a）（b）（c）a=2a=2；A A相支路连接图相支路连接图 总结总结: : 三相双层绕组特点：三相双层绕组特点： 每个每个槽内放置上下槽内放置上下两个线圈边两个线圈边, ,每个线圈匝数每个线圈匝数 , ,每槽导体数每槽导体数CN2CNaN每每相相总总的的串串联联匝匝数数 apqN2c (3)(3)每相串联匝数每相串联匝数 ( (即即每条支路的匝数每条支路的匝数

28、）: : 线圈线圈个数等于定子槽数个数等于定子槽数Z, Z, 每极组成每极组成1 1个线圈组，线个线圈组，线圈圈组组数为数为2p;2p; 优点：优点：1 1）可灵活选择线圈节距来改善电动势和磁动势波形）可灵活选择线圈节距来改善电动势和磁动势波形2 2）各线圈节距、形状相同，便于制造）各线圈节距、形状相同，便于制造3 3）可以得到较多的并联支路数）可以得到较多的并联支路数4 4）可采用短距线圈以节约端部用铜）可采用短距线圈以节约端部用铜 缺点缺点:1）嵌线较困难，特别是一台电机的最后几个线圈）嵌线较困难，特别是一台电机的最后几个线圈2）线圈组间连线较多，极数多时耗铜量较大）线圈组间连线较多，极数

29、多时耗铜量较大 用途：用途：一般一般10kW以上的中、小型同步发电机以上的中、小型同步发电机和大型异步电机的定子绕组和大型异步电机的定子绕组作业：作业：p85(6-1,6-2)p85(6-1,6-2) 旋转磁场旋转磁场是是交流电机交流电机工作的基础工作的基础, ,有两种旋转磁场有两种旋转磁场: :(1)(1)机械旋转磁场机械旋转磁场: :通过原动机拖动磁极旋转通过原动机拖动磁极旋转 (2)(2)电气旋转磁场电气旋转磁场: :三相对称的绕组通入三相对称的交流三相对称的绕组通入三相对称的交流电流时，在电机的气隙中产生电气旋转磁场；电流时，在电机的气隙中产生电气旋转磁场； 交流绕组处于旋转磁场中，切

30、割旋转磁场，产生感应电势交流绕组处于旋转磁场中，切割旋转磁场，产生感应电势机机械械旋旋转转磁磁场场电电气气旋旋转转磁磁场场Ybj2.swf第七章第七章 交流绕组电动势交流绕组电动势 一、导体中的感应电势一、导体中的感应电势1 1、导体感应电势的大小：、导体感应电势的大小：B B1 1(x)(x)在空间的分布波形为在空间的分布波形为正弦波正弦波. .感应电势感应电势e e1 1(t)(t)的波形为也的波形为也正弦波正弦波. .lvtsinBlvB)t(exsinBBmcm 11111lvB)t(ec11 V V第一节第一节 交流绕组基波电动势交流绕组基波电动势 导体感应电势最大值导体感应电势最大

31、值: :lvBEmmc 11 fn/pv 260 2;BBpm21 导体感应电势最大值：导体感应电势最大值： 导体感应电势的有效值：导体感应电势的有效值：1112222mmccf.EE 11 22mppmc f )lB(fflBE 导体与磁场的相对速度：导体与磁场的相对速度：10121mmpBxdxsinBB 磁感应强度平均值磁感应强度平均值: :磁感应强度峰值磁感应强度峰值: : 磁场转过一对极，导体中的感应电势变化一个磁场转过一对极，导体中的感应电势变化一个周期；磁场旋转一周，掠过周期；磁场旋转一周，掠过P P对磁极；导体中的感对磁极；导体中的感应电势变化应电势变化P P个周期；个周期；

32、转速为转速为n n（r/min)r/min)的电机，每秒钟转过的电机，每秒钟转过(pn/60)(pn/60)对极；导体中的感应电势变化对极；导体中的感应电势变化pn/60pn/60个周期个周期, ,所以所以, , 导体中感应电势的频率导体中感应电势的频率: :f=(pn/60)Hz.f=(pn/60)Hz. 问：四极电机，要使得导体中的感应电势为问：四极电机，要使得导体中的感应电势为50Hz,50Hz,转速应为多少？转速应为多少？ n=60f/pn=60f/p2 2 、导体感应电势的频率、导体感应电势的频率导体感应电势小结：导体感应电势小结： 绕组中均匀分布的许多导体，其感应电势有效值，绕组中

33、均匀分布的许多导体，其感应电势有效值，频率，波形均相同；但是他们的相位不相同。频率，波形均相同；但是他们的相位不相同。 1 1、整距线圈的感应电势、整距线圈的感应电势 : : 线圈的两个有效边处于磁场中相反的位置，其感应线圈的两个有效边处于磁场中相反的位置，其感应电势相差电势相差180180电角度。电角度。 1111112) (ccctccEEEEEE 整距线圈的感应电势：整距线圈的感应电势：111144422222mmctf.f.*E*E lv)tsin(Be,lvtsinBemcmc 18011 ccEEEcEcEEc c- -EEc cE Et1t1tE 二、一匝线圈的感应电势二、一匝线

34、圈的感应电势1tE 线圈的两个有效边在磁场中相距为线圈的两个有效边在磁场中相距为y y，短距角为，短距角为，其感应电势相位差是（其感应电势相位差是（180-180-）电角度。）电角度。 2 2、短距线圈的感应电势、短距线圈的感应电势 短距角短距角：0180y EcEc180-180-EcEc-Ec-EctE2n2短距整距2S1NN1y22y=Ec1Ec1S整距Ec1Ec1-Ec1Et1-Ec1短距Et1 )y(短距线圈的感应电势：短距线圈的感应电势： 111144422pmctkf.cosEE 短距系数：短距系数：2cos22cos2)()(111EEyykccp 整整距距线线圈圈电电势势短短

35、距距线线圈圈电电势势 短距系数小于短距系数小于1 1，故短距线圈感应电势有所损失；，故短距线圈感应电势有所损失；但短距可以削弱高次谐波但短距可以削弱高次谐波. .三三、一个线圈的感应电势、一个线圈的感应电势1yE 设一个线圈匝数为设一个线圈匝数为NcNc，则该线圈电动势等于，则该线圈电动势等于匝数匝数Nc Nc 乘以一匝电动势，即乘以一匝电动势，即: :1111444mpctcykfN.ENE 1qE 3211yyyqEEEE 当采用分布绕组时，每线圈组有当采用分布绕组时，每线圈组有q q个线圈串成个线圈串成, ,线圈组线圈组感应电势是该感应电势是该q q个线圈个线圈电势相量和。电势相量和。

36、四、线圈组的感应电势四、线圈组的感应电势R R1qE1qE21qE分布系数：分布系数：22111 sinqqsinqEEkyqd集集中中绕绕组组的的感感应应电电势势分分布布绕绕组组的的感感应应电电势势q q个线圈相量个线圈相量: : 线圈组的电势：线圈组的电势：111111k 444dpmcydqkqNf.EqkE 线圈组的基波绕组因数线圈组的基波绕组因数: :111dpNkkk 2sin2sin1 qqqEEyqE Ey3y3E Ey2y2E Ey1y14.4.一相绕组的基波电势一相绕组的基波电势(1) (1) 单层绕组的基波相电势单层绕组的基波相电势 每对极有一个线圈组，每相每对极有一个线

37、圈组，每相p p对极有对极有p p个线圈组，个线圈组，当并联支路为当并联支路为a a时；：时；：a/ KfN.Pqka/EqkPa/pEEmpcdydqph1111111444 相相电电势势：apqNNc并并联联支支路路数数每每相相总总匝匝数数 一相绕组一相绕组串联匝数串联匝数 : :)k,kkk( fNK.a/pEEpdpNmNqph144411111111 其其中中相相电电势势：(2)(2)双层绕组的基波相电势双层绕组的基波相电势apqNNc2并并联联支支路路数数每每相相总总匝匝数数 一相绕组串联匝数一相绕组串联匝数: : (3) (3) 当选择每槽导体数为当选择每槽导体数为s s时时:

38、:单层单层S=Nc, S=Nc, 双层双层S=2Nc,S=2Nc,相电势的统一式相电势的统一式: :1 11 11444444NmNmphkapqSf.kfN.E apqSN总串联匝数总串联匝数: : a/ KfN.Pqka/EqkPa/pEEmpcdydqph1111111444222 相相电电势势：)kkk( fNK.a/pEEdpNmNq11111114442 其其中中：相相电电势势： 每极有一个线圈组，每相有每极有一个线圈组，每相有2p2p个线圈组，且并联个线圈组，且并联支路为支路为a,a,则：则：221sinqqsinkd ，)90(201 ysincoskp 111444mNphf

39、Nk.E 相电势的大小为相电势的大小为 : : ;111为基波绕组系数为基波绕组系数dpNkkk 一相绕组的基波电势总结一相绕组的基波电势总结: : 双双层层单单层层apqNapqNNcc2每相串联匝数每相串联匝数感应电动势的波形为正弦波；感应电动势的波形为正弦波； 感应电动势的频率为感应电动势的频率为: : ；)(60Hzpnf 主极磁场在气隙中除了正弦基波外，还有一系列高次谐主极磁场在气隙中除了正弦基波外，还有一系列高次谐波，所以绕组感应电动势也会含有高次谐波。波，所以绕组感应电动势也会含有高次谐波。 主极磁场的分布与磁极中心线相对称，主极磁场的分布与磁极中心线相对称，故故气隙磁场中含有奇

40、次空间谐波气隙磁场中含有奇次空间谐波。 1 1、3 3、55 1 1、主极磁场产生、主极磁场产生 次次谐波的性质谐波的性质: :第二第二 节节 谐波电动势及其削弱方法谐波电动势及其削弱方法 1 nnpp 谐波频率：谐波频率：11 6060fpnnpf 谐波电动势的有效值：谐波电动势的有效值： 次谐波的磁通量次谐波的磁通量: : lB2mm Nk为为 次谐波的绕组系数次谐波的绕组系数: :)qq()(kkkdpN2sin2sin2cos NmdpmphNkf.kNkf.E 444444 对称三相系统，其各相的对称三相系统，其各相的三倍次谐波三倍次谐波电势幅值相等电势幅值相等, ,时时间上同相位间

41、上同相位。因此，。因此，Y Y连接连接: :三三倍倍次谐波电势互相抵消；次谐波电势互相抵消； 连接连接: :三三倍倍次谐波形成环路次谐波形成环路, , 完全消耗成环流的电压降。完全消耗成环流的电压降。 2.2.相电动势和线电动势大小相电动势和线电动势大小1) 1) 相电动势的有效值：相电动势的有效值：2)2)线电动势的有效值：线电动势的有效值： 25213phphlEEE线电动势：线电动势：121215213152321211phphphphvphphphphphphphphphEE,)EE(.)EE()EE(E.EEEE 所所以以，计计算算表表明明，由由于于 2521phphlEEE线电动势

42、：线电动势：使发电机电动势波形变坏使发电机电动势波形变坏使输电线上的线损增加使输电线上的线损增加, ,对邻近产生通信干扰对邻近产生通信干扰可能引起输电线路发生谐振可能引起输电线路发生谐振, ,产生过电压产生过电压使感应电动机产生附加转矩使感应电动机产生附加转矩, ,效率降低效率降低, ,影响其运影响其运行性能行性能3.3.高次谐波的弊害高次谐波的弊害4 4、谐波电动势的削弱方法、谐波电动势的削弱方法a)a)采用非均匀气隙，使气隙磁场沿电枢表面的分采用非均匀气隙，使气隙磁场沿电枢表面的分布接近正弦波形布接近正弦波形b)b)用三相对称绕组的联结来消除线电动势中的用三相对称绕组的联结来消除线电动势中

43、的3 3次次及其及其3 3奇数倍次谐波电动势奇数倍次谐波电动势c)c)采用短距和分布绕组来削弱高次谐波电动势采用短距和分布绕组来削弱高次谐波电动势d) d) 采用斜槽或分数槽绕组削弱齿谐波电动势采用斜槽或分数槽绕组削弱齿谐波电动势（1 1）采用短距绕组）采用短距绕组 适当地选择线圈的节距适当地选择线圈的节距, ,使得某一次谐波的短距系使得某一次谐波的短距系数等于或接近零数等于或接近零, ,达到消除或减弱该次谐波的目的。达到消除或减弱该次谐波的目的。 跨距的选择跨距的选择: :y 即：为了消除第即：为了消除第 次谐波次谐波, , 要选比整距短要选比整距短 的短距线圈的短距线圈kp 02cos例：

44、为消除例：为消除5;75;7次谐波，次谐波， 6576547151y)(y)(：取取中中间间值值即即对于对于5 5次谐波次谐波, ,选用选用;54 y对于对于7 7次谐波次谐波, ,选用选用 76y可见，采用分布绕组可见，采用分布绕组，当，当q=2q=2时，时，5 5、7 7次谐波电动势被削减次谐波电动势被削减约约74%74%，而基波被削减仅为，而基波被削减仅为3.4%3.4%，电动势波形等到明显改善。，电动势波形等到明显改善。可利用分布绕组消除部分谐波。可利用分布绕组消除部分谐波。 通常通常q q越多越多, ,抑制谐波电动势的效果越好，但抑制谐波电动势的效果越好，但 q q 增多增多, ,意

45、意味总槽数增多，电机成本提高。味总槽数增多，电机成本提高。 2sin2sin qqkq(2)(2)采用分布绕组采用分布绕组: :作业:p95(习题7-1;7-2)例：某单层整距绕组，三相四极例：某单层整距绕组，三相四极: : 143. 01;195. 0;644. 0;957. 0,6259. 01;259. 0;707. 0;965. 0,21.,1753175317531 ddddddddddddKKKKqKKKKqKKKKq时时时时时时第八章第八章 交流绕组的磁动势交流绕组的磁动势 电机是利用电磁感应原理进行机电能量转换的装置，电机是利用电磁感应原理进行机电能量转换的装置，研究电机就必须

46、分析研究电机就必须分析电机中磁场的分布及性质电机中磁场的分布及性质. . 定定、转子磁动势的转子磁动势的性质性质都取决于产生它的都取决于产生它的电流类型电流类型及电流分布及电流分布，而气隙磁通则与磁动势的分布及其经过的，而气隙磁通则与磁动势的分布及其经过的磁路有关。磁路有关。 同步电机的定子绕组和异步电机的定转子绕组均为同步电机的定子绕组和异步电机的定转子绕组均为交流绕组，绕组中的电流是随时间变化的交流电，因此，交流绕组，绕组中的电流是随时间变化的交流电，因此，交流绕组的磁动势及气隙磁通既是时间函数，又是空间交流绕组的磁动势及气隙磁通既是时间函数，又是空间的函数。的函数。概概 述述 为了简化分

47、析过程，我们为了简化分析过程，我们作出下列假设作出下列假设：（1 1）绕组中的电流随时间按正弦规律变化（即只考虑）绕组中的电流随时间按正弦规律变化（即只考虑绕组中的基波电流）；绕组中的基波电流）；（2 2）槽内电流集中在槽中心处；）槽内电流集中在槽中心处；（3 3）转子呈圆柱形，气隙均匀；）转子呈圆柱形，气隙均匀；（4 4）铁心不饱和，铁芯磁压降相对气隙磁压降可以忽）铁心不饱和，铁芯磁压降相对气隙磁压降可以忽略不计略不计（即（即 认为磁动势全部降落在气隙上）。认为磁动势全部降落在气隙上）。 在分析时将按照在分析时将按照整距线圈、单层绕组、双层短距整距线圈、单层绕组、双层短距绕组、相绕组磁势绕组

48、、相绕组磁势的顺序，依次分析它们的磁动势。的顺序，依次分析它们的磁动势。 一、整距线圈的磁动势一、整距线圈的磁动势fcfc 右图表示一个右图表示一个NcNc匝匝2 2极整距线圈极整距线圈产生的磁动势，电流产生的磁动势，电流i ic c正方向从线正方向从线圈边圈边A A流出，从流出，从X X流入；流入； 根据电流方向，载流线圈产生根据电流方向，载流线圈产生的磁场分布如的磁场分布如a a图图; ; 磁力线穿过转子铁心、定子铁磁力线穿过转子铁心、定子铁心和两个气隙心和两个气隙 : :第一节第一节 单相绕组磁动势单相绕组磁动势 ccciNiHdl 由于铁心磁导率极大，其上消耗的磁势降可以忽略不计，由于

49、铁心磁导率极大，其上消耗的磁势降可以忽略不计，线线圈在一个气隙上施加的磁势为：圈在一个气隙上施加的磁势为： ccciNf21 整距线圈的磁动势：整距线圈的磁动势：空间位置不变，幅值随时间按正弦规律变空间位置不变，幅值随时间按正弦规律变化的矩形脉振磁势。化的矩形脉振磁势。0)( ciktb 021, ccciNtxfccIiktc2232)( cccccINiNtxf2221, ccIikta222)( cccccINiNtxf2221, 如果通过线圈的电流为正弦波如果通过线圈的电流为正弦波: :tIicc sin2 tINtxfccc sin22,则：则：按照富立叶级数可把矩形波分解为按照富立

50、叶级数可把矩形波分解为: :基波和一系列谐波基波和一系列谐波. . )5sin513sin31(sin4sin22, xxxtNItxfccc矩形波脉振磁势表示为矩形波脉振磁势表示为: : txF tIN(x,t)fccccsinsin22 脉振脉振矩形波矩形波最大幅值最大幅值:cccINF22 1801800 03600FcFcfFcFc )xxx(tNIxcc5sin513sin31sin4sin22t fc，xtFxtFxtFcccsinsin3sinsinsinsin31 整距线圈磁动势瞬时值的表达式为：整距线圈磁动势瞬时值的表达式为：基波幅值为：基波幅值为：cccccININF9 .

51、 02241 高次谐波的幅值为高次谐波的幅值为: :ccccINFF9 . 011 1 线圈组：有线圈组：有q q个线圈，每个个线圈，每个线圈电流相等线圈电流相等 q q个线圈个线圈磁动势均为磁动势均为矩形脉振波矩形脉振波； 每个线圈空间相差每个线圈空间相差电电角度，角度，q q个线圈磁动势迭加个线圈磁动势迭加脉振阶梯波。脉振阶梯波。 1.1.单层整距分布绕组单层整距分布绕组的磁势的磁势分析：分析：每个矩形波可分解为基波和一系列奇次谐波每个矩形波可分解为基波和一系列奇次谐波 每个基波在空间相差每个基波在空间相差电角度电角度 次谐波在空间相差次谐波在空间相差电角度电角度FcFc3Fc3Fc二、线

52、圈组的磁动势二、线圈组的磁动势qf 基波基波: :在空间相差在空间相差电角度的电角度的q q 个基波磁动势逐点相加，就可个基波磁动势逐点相加，就可求得基波合成磁动势的最大幅求得基波合成磁动势的最大幅值值Fq1Fq1。 因为基波磁动势在空间因为基波磁动势在空间按正弦规律分布，所以按正弦规律分布，所以空间空间矢量表示矢量表示为：为：F Fc1c1F Fc2c2F Fc3c3 将这将这q q个空间矢量相加，个空间矢量相加，就可以得到就可以得到一个线圈组的基一个线圈组的基波磁动势的幅值为波磁动势的幅值为: :11119 . 0dccdcqkINqkqFF 式中式中: :k kd1d1 基波磁动势的分布

53、系数基波磁动势的分布系数2sin2sin111 qqqFFkcqdF Fc1c1F Fc1c1F Fc3c3F Fc2c2F Fc2c2F Fc3c3F Fq1q1同理同理: :高次谐波磁动势幅值为高次谐波磁动势幅值为: : dccdcqkNIqkqFF9 .0 2sin2sin qqqFFkcqd式中式中 v v 次谐波的分布系数次谐波的分布系数 : :dvk单层绕组一个线圈组的磁动势单层绕组一个线圈组的磁动势: :xtFxtFxtFxkxkxktIqN.(x,t)fqqqdddccq 5sinsin3sinsinsinsin)5sin513sin31sin(sin905315312.2.双

54、层短距双层短距线圈组线圈组的磁动势的磁动势 磁动势幅值取决于磁动势幅值取决于槽内导体电流的大小和槽内导体电流的大小和方向，与线圈组成次序方向，与线圈组成次序无关。无关。 上下层导体相当于两上下层导体相当于两个单层整距线圈组个单层整距线圈组; ; 则则: :双层绕组线圈组双层绕组线圈组的磁动势就是的磁动势就是上下两个上下两个单层绕组磁动势叠加单层绕组磁动势叠加. . 双层绕组双层绕组线圈组磁动势线圈组磁动势:指双层绕组每对极指双层绕组每对极两个两个线圈组线圈组电流产生的磁动势。电流产生的磁动势。上下层线圈组在空间相差上下层线圈组在空间相差电角度电角度. . 基波基波: :上、下两个基波上、下两个

55、基波磁动势矢量的夹角正磁动势矢量的夹角正好等于两个线圈组空好等于两个线圈组空间的位移间的位移，因而因而双双层短距线圈组的基波层短距线圈组的基波磁动磁动用空间矢量表示用空间矢量表示: :cNcpdcqIkqNkkqFF11111)2(9 . 0)(2: 则则2cos1 pk（下下）上上1)(11+=qqqFFFFq1Fq1(下)Fq1上Fq1(下)Fq1上Fq1 同理同理: :高次谐波磁动势幅值高次谐波磁动势幅值: :cNvccpvdvcpvdvqvIvkqNIvkkqNkFF)2(9 . 0=29 . 0=2= 2cospk每对极每对极双层短距线圈组的磁动势双层短距线圈组的磁动势: :txkx

56、kxkIqNtxfNNccq sin)5sin513sin31sin()2(9 . 0),(531 磁势既是磁势既是时间的函数，时间的函数，更是空间的函更是空间的函数数. . 各对磁极各对磁极分别有各自的分别有各自的磁路，空间不磁路，空间不同的各对极磁同的各对极磁势不能相加。势不能相加。可见可见: :单相绕组的磁动势就是一对磁极下该相绕组电单相绕组的磁动势就是一对磁极下该相绕组电流产生的磁动势流产生的磁动势, ,即即线圈组的磁动势。线圈组的磁动势。ccIN2yyiN2yyiN-90900 090900 027002ccIN2ccIN2ccIN2ccIN 三、单相绕组的磁动势三、单相绕组的磁动势

57、phf单单/ /双层绕组磁动势统一表达式双层绕组磁动势统一表达式: : 设设: :每相电流每相电流I Iphph、每相串联匝数每相串联匝数N,N,则则每相磁动势统一公式：每相磁动势统一公式：paNqNapqNNpaNqNapqNNcccc 22:双双层层单单层层aIIphc=3sin31sinsin)2(9 . 0),(31 xkxktIqNtxfNNccph 双双层层3sin31sinsin)(9 . 0),(31)( xkxktIqNtxfddccph 单单层层IpNk.FIpNk.F：xtFxtFxtFxkxkxktIpN.(x,t)fphNmphNmmmmNNNphph90905sin

58、sin3sinsinsinsin)5sin513sin31sin(sin9011531531 式中代入下式得：代入下式得： 综上所述综上所述: :相绕组的磁动势就是相绕组的磁动势就是一对磁极下该相绕一对磁极下该相绕组电流产生的磁动势组电流产生的磁动势; ;有以下几个特点：有以下几个特点：四、结论四、结论(p100)(p100)单相分布绕组的磁动势呈阶梯波分布，幅值随时间按正单相分布绕组的磁动势呈阶梯波分布，幅值随时间按正弦规律脉动弦规律脉动-是阶梯脉动磁动势是阶梯脉动磁动势主要分量是基波，谐波次数越高、幅值越小主要分量是基波，谐波次数越高、幅值越小; ;适当的绕适当的绕组分布和短距有利于改善磁

59、动势波形（提高正弦度）组分布和短距有利于改善磁动势波形（提高正弦度）基波和谐波有相同的脉动频率基波和谐波有相同的脉动频率( (等于电流频率等于电流频率f)f)基波极对数为基波极对数为: :p p，谐波极对数为：，谐波极对数为：p p = =pp 基波极距为基波极距为: :，谐波极距为：，谐波极距为： =/ =/txFfm sinsin11 11111)cos(21)cos(21ffxtFxtFfmm 正向旋转磁动势正向旋转磁动势 )cos(2111xtFfm一、单相基波脉振磁动势的分解一、单相基波脉振磁动势的分解单相绕组单相绕组流过交流电，流过交流电，产生脉振磁动势的产生脉振磁动势的基波基波表

60、达式为表达式为: 反向旋转磁动势反向旋转磁动势 )cos(2111xtFfm第二节第二节 三相绕组三相绕组基波基波合成磁动势合成磁动势 最高点的运行轨迹为最高点的运行轨迹为x x t t, ,即随时间以角速度即随时间以角速度正向运动。正向运动。 最高点的运行轨迹为最高点的运行轨迹为x x t t, ,即随时间以角速度即随时间以角速度/t/t运动。运动。1f1ftxFfm sinsin11)cos(2111xtFfm )cos(2111 xtFfm 由上述分析可得出以下结论：由上述分析可得出以下结论：一个按正弦波分布的脉振磁动势，可分解为两个一个按正弦波分布的脉振磁动势，可分解为两个转速相转速相