交流电机课件

1、第四章第四章 交流电机绕组的磁动势和电动势交流电机绕组的磁动势和电动势4.1交流电机的工作原理交流电机的工作原理4.2 交流电机交流电机的的绕组绕组和绕组和绕组磁动势磁动势4.3 交流电机交流电机的的绕组绕组电电动势动势主要内容：介绍交流同步电机和异步电机的工作原理；分析主要内容：介绍交流同步电机和异步电机的工作原理；分析电枢绕组的绕制方法以及电动势的计算方法；分析电枢绕组电枢绕组的绕制方法以及电动势的计算方法；分析电枢绕组产生磁动势的大小、波形、性质。产生磁动势的大小、波形、性质。4.1 4.1 交流电机的工作原理交流电机的工作原理异步电机异步电机交流电机交流电机同步电动机同步电动机同步电机

2、同步电机同步发电机同步发电机异步电动机异步电动机异步发电机异步发电机：主要作为发电机，产生主要作为发电机，产生 交流电能交流电能。：用于大型而又不要求调用于大型而又不要求调 速的生产机械速的生产机械。：主要作为电动机，拖动主要作为电动机，拖动 各种生产机械各种生产机械。：用的很少用的很少。1、同步电机的基本工作原理同步电机的基本工作原理组成组成定子定子转子转子定子铁心（电枢铁心）定子铁心（电枢铁心）定子绕组（电枢绕组）定子绕组（电枢绕组）转子铁心转子铁心主磁极主磁极永久磁铁永久磁铁励磁绕组：通以直流电流励磁绕组：通以直流电流（1）同步发电机工作原理同步发电机工作原理lvbe方向由右手定则确定方

3、向由右手定则确定导体感应电动势的瞬时实际方向导体感应电动势的瞬时实际方向导体感应电动势的频率：每秒电动势变化的周期数导体感应电动势的频率：每秒电动势变化的周期数hzpnf601（2）同步同步电动电动机工作原理机工作原理snn1+ +- - azxcby负载负载snn1n1n1 n1snn1 定子内嵌互差定子内嵌互差120的三相对称的三相对称绕组绕组ax、by、cz，将定子三相对，将定子三相对称绕组接入三相对称交流电，会产称绕组接入三相对称交流电，会产生圆形旋转磁场，转子上装有励磁生圆形旋转磁场，转子上装有励磁绕组，通入直流电建立恒定磁场。绕组，通入直流电建立恒定磁场。 工作时定子输入三相交流电

4、，产工作时定子输入三相交流电，产生旋转磁场，设为逆时针方向旋转；生旋转磁场，设为逆时针方向旋转；转子输入直流励磁电流，产生固定转子输入直流励磁电流，产生固定磁极，则旋转磁场的磁极将转子的磁极，则旋转磁场的磁极将转子的异性磁极吸引，使转子与旋转磁场异性磁极吸引，使转子与旋转磁场同速旋转。同速旋转。pfn601 当主磁极的极对数当主磁极的极对数 一定时，电机的转速一定时，电机的转速 和频率和频率 之间之间有着严格的关系，这种关系称为同步关系。有着严格的关系，这种关系称为同步关系。p1nfaibicimit2 2、异步电机的基本工作原理异步电机的基本工作原理组成组成定子定子转子转子定子铁心（电枢铁心

5、）定子铁心（电枢铁心）定子绕组（电枢绕组）定子绕组（电枢绕组）转子铁心转子铁心转子转子导体导体绕线式绕组绕线式绕组: : 电线绕制而成电线绕制而成,y,y联接联接, ,滑环引出滑环引出, ,外接电阻外接电阻 鼠笼式鼠笼式 转子转子导体要形成导体要形成闭合闭合回路。回路。以三相异步电动机为例说明其工作原理以三相异步电动机为例说明其工作原理nlibf 电机运行时，转子的转速电机运行时，转子的转速 不会等于旋转磁场的转速不会等于旋转磁场的转速 所以称为异步电机所以称为异步电机n1n nsnn1 e2i2femtn1fem n1e2i2femfemnt 定子内嵌互差定子内嵌互差120的三相对称的三相对

6、称绕组绕组ax、by、cz，将定子三相对，将定子三相对称绕组接入三相对称交流电，产生称绕组接入三相对称交流电，产生旋转磁场。旋转磁场。 若将旋转磁场看作静止磁场，则若将旋转磁场看作静止磁场，则转子上半部分导体是顺时针切割静转子上半部分导体是顺时针切割静止磁场的，根据电磁感应定律，转止磁场的，根据电磁感应定律，转子导体内产生感应电动势，转子上子导体内产生感应电动势，转子上半部分导体中的感应电动势方向是半部分导体中的感应电动势方向是指向纸面的，下半部分导体中感应指向纸面的，下半部分导体中感应电动势方向从纸面指向外。电动势方向从纸面指向外。4.2.1 交流交流电机的电机的绕组绕组4.4.2 2 交流

7、电机的交流电机的绕组和绕组磁动势绕组和绕组磁动势定子绕组：定子绕组：由三个在空间相差由三个在空间相差120电角度、结构相同的绕组电角度、结构相同的绕组 连接而成，按一定规律嵌放在定子槽中。连接而成，按一定规律嵌放在定子槽中。绕组分类：绕组分类：按槽内层数分：单层、双层、单双层按槽内层数分：单层、双层、单双层和混合绕组；和混合绕组； 按相数分为：单相、按相数分为：单相、两相、两相、三相三相和和多相多相； 每极每相槽数每极每相槽数q：整数槽、分数槽：整数槽、分数槽。绕组应用：绕组应用：单层绕组一般用在单层绕组一般用在10kw以下的电机；以下的电机； 双层短距绕组用在较大容量的电机中。双层短距绕组用

8、在较大容量的电机中。同心式同心式链式链式交叉式交叉式绕组的要求绕组的要求：（1）在导体数一定的情况下，能得到较大的在导体数一定的情况下，能得到较大的基波基波电动势和电动势和基波基波磁动势磁动势；（2）三相绕组对称（即保证各相三相绕组对称（即保证各相电动势、磁动势电动势、磁动势对称，对称，电电阻电抗阻电抗相同）相同）；（3）合成电动势和合成磁动势的波形要接近正弦形，谐波合成电动势和合成磁动势的波形要接近正弦形，谐波分量要小分量要小；（5）绝缘可靠、机械强度高、散热条件好、制造方便绝缘可靠、机械强度高、散热条件好、制造方便。（4）铜耗减小，用铜量减少铜耗减小，用铜量减少； 对三相交流电机，要求三相

9、绕组能感应出波形接近正弦、对三相交流电机，要求三相绕组能感应出波形接近正弦、有一定数值的三相对称电动势；有一定数值的三相对称电动势； 当三相绕组中流过三相对称的电流时，能产生接近圆形的当三相绕组中流过三相对称的电流时，能产生接近圆形的旋转磁动势。旋转磁动势。1、线圈 绕组通常由外敷绝缘的铜线或铝线绕组通常由外敷绝缘的铜线或铝线( (例例如漆包电磁线如漆包电磁线) )绕制成一定形状的线圈组绕制成一定形状的线圈组成。成。 线圈嵌放在定子铁心内圆周所开的槽线圈嵌放在定子铁心内圆周所开的槽中，线圈可用单根导线绕成多匝。大、中，线圈可用单根导线绕成多匝。大、中容量的电机的线圈中，电流较大，也中容量的电机

10、的线圈中，电流较大，也可用多根导线并行绕制。可用多根导线并行绕制。绕组的绕组的相关概念：相关概念：2、线圈节距及有效边 线圈两个有效边之间的距离称为绕组节距。节距一般用铁心上的槽数表示，例如线圈的一个有效边在第1号槽中，另一边在第9号槽中，两有效边所跨槽数为8，则y=8。 线圈放于槽内的直线部分称为有效边，两端起连接作用的部分称为端接。绕组节距有效边3、极距、整距线圈及短距线圈 为了缩短端接部分以节省有色金属，并且改善感应电动势波形及磁动势空间分布，电机中常用短距线圈，即yt 。 交流电机的磁场有一定的极对数，每一磁极所占定子内圆周的距离称为极距。极距一般也用槽数表示，例如定子槽数q=36，极

11、对数p=2，则极距t=q/2p=9。线圈节距y=t，称为整距线圈。yt4、电角度 如果电机在定子上只有一对磁极，那么在360空间角度上磁极电角度也是360。若电机定子上有两对磁极，即p=2，则在360空间角度上磁极电角度有：2 360=720 。 如果电机有p对主磁极，则对应的电角度为： 电角度=p机械角度 =p 一个圆周是360或2p弧度，是指空间角度或称机械角度。一对磁极变化一周，相应的用360电角度或2p电弧度表示。5、每极每相槽数q 三相交流电机的定子绕组是三相对称绕组，每相匝数相等，在空间互差120电角度。 由于一对磁极对应的电角度是360，故一对磁极下按以上顺序各槽位置互差60电角

12、度。而实际电机定子槽数为z，在每一极距下的槽均匀地被三相绕组所占有，那么每极每相槽数 式中，m为相数。pmqq26、槽距角ac 第一式的物理意义是定子内圆周有q个槽，共含有电角度为p360，则每槽占p360/ q 电角度； 第二式的物理意义是每极所含有电角度为180，为mq个槽所占有，所以每槽占180/ mq电角度。 相邻两槽之间所占有的电角度称槽距角，则有mqqpcc180360aa或7、相带 三相对称绕组在槽中的安排顺序为a-z-b-x-c-y-a，彼此互差60电角度，这就是60相带绕组。 相带就是每相绕组在一个极距中所占有的区域，以电角度来表示。 60相带绕组就是每极距内属于每相的电角度

13、为60，对应的槽数为q，一个极距为180电角度，所以每极距内有三个相带。一般的三相异步电动机中都采用这种60相带的三相绕组。一、单相脉振磁动势 现把直角坐标放入电动机定子内表面，设绕组ax的轴线与定子内表面的交点为坐标原点，将电动机展开如图b所示，横坐标表示空间电角度a，纵坐标表示线圈磁动势fk。 单相绕组ax是匝数为nk的整距线圈，在ax中通入单相交流电，会产生磁动势。4.2.2 绕组绕组的磁动势的磁动势)232(21)22(21)(pappapaininfkk 根据全电流定律，任意一闭合磁路各段磁压降的总合等于线圈的磁动势。在距原点x处作一磁闭合回路，由于空气气隙的磁阻远远大于定、转子铁心

14、的磁阻，可认为磁动势全部降落在两个气隙上，即作用在每个空气气隙的磁动势为全部磁动势的一半（ink/2），磁动势波形为矩形波，如图b所示。)5cos513cos31(cos4)(aaapakff对矩形波磁动势利用傅立叶级数分解：10cos2)( )(aaaccff为偶函数， 2sin122 coscos2cos22200ppaaaapaaapppppkkkfdfdfdfcinfkk21 设tctfkaacoscos),(1,3,52sin2241ppvinckv式中v=1，3，5为谐波的次数，系数cv为：. )cos5cos513cos31(cos422),(531kkkkkffftintfaa

15、apatiicos2设ax中通入交流电为：tftinfkkkaapcoscoscoscos22411ininfkkk0.92241p基波磁动势为：为基波磁动势最大幅值。fy1tt0-2pp32-2pafyfymfy5fy3基波磁动势tctfkaacoscos),(1,3,5tftinfkkkaapcos3coscos3cos2243133133122431kkkfinfp三次谐波磁动势为：三次谐波磁动势最大幅值。fy1tt0-2pp32-2pafyfymfy5fy3三次谐波磁动势tctfkaacoscos),(1,3,5还有七次、九次、十一次等高次谐波磁动势。tftinfkkkaapcos5c

16、oscos5cos2245155155122451kkkfinfp五次谐波磁动势为：五次谐波磁动势最大幅值。fy1tt0-2pp32-2pafyfymfy5fy3五次谐波磁动势tctfkaacoscos),(1,3,51、单层单层整距线圈组整距线圈组的的磁磁动动势势 3q如tintfkkaaaa)cos5cos513cos31(cos9 . 0),(111dkqkqfftffqqacoscos111112sin2sin2sin22sin2dkqkqqrqqrqffaaaadkqkfqf112sin2sinaaqqkd叠绕组叠绕组 两个相邻的线圈后一个叠在前一个上面称为叠绕组。两个相邻的线圈后一

17、个叠在前一个上面称为叠绕组。例：绘制四极三相36槽的双层叠绕组展开图。3323692363362pqpmqp绘制槽电势星形图和相带划分同上，按y1=8绘制相带a z b x c y第一对极1，2，34，5，67，8，910，11，1213，14，1516，17，18第二对极19，20，2122，23，2425，26，2728，29，3031，32，3334，35，36各个相带槽号分布 2、双层、双层分布分布短距线圈的线圈组磁势短距线圈的线圈组磁势 按相邻极下按相邻极下电流必须相反电流必须相反的原则，将各的原则，将各极相组连接起极相组连接起来，构成相绕来，构成相绕组，图中实线组，图中实线为上层边

18、，虚为上层边，虚线为下层边。线为下层边。 由于由于n n极下的极相极下的极相组组a a与与s s极下的极相组极下的极相组x x的电流方向的电流方向应应相反，相反，所以所以极相组极相组a a和极相和极相组组x x反相串联反相串联； 每相的极相组数等每相的极相组数等于极数，所以双层叠于极数，所以双层叠绕组的最多并联支路绕组的最多并联支路数等于数等于2p2p； 实际支路数通常小实际支路数通常小于于2p2p，且，且2p2p必须是必须是a a的整数倍。的整数倍。双层短距线圈的线圈组磁势双层短距线圈的线圈组磁势 111122cos2pqqqkfff上上90sin90)1cos(2cos111ttyykp1

19、11dkqkqffininfkkk0.92241p11129 . 0pdkqkqkinfapqnnk1 :单层apqnnk2 :1双层2sin2sin1aaqqkd2sin11ptykqipknfdpq1110.9每相绕组产生基波磁动势幅值:i为相电流的有效值kdp1=kd1kp1 称为基波绕组系数基波分布系数为：基波短距系数为：11129 . 0pdkqkqkinfipknfpqd110.92sin2sinaavqvqkdv2sin1ptyvkpv每相绕组产生的谐波磁动势幅值为：kdp=kdkp 称为v次谐波绕组系数v次谐波分布系数为：v 次谐波短距系数为：脉振磁动势的分解推导脉振磁动势的分

20、解推导: :)(cos)(coscoscos2bababa111111 )cos(21)cos(21 coscosqqqqqqfftftftff aaa根据三角函数的和差与积的关系： fq1 1随时间增大，向随时间增大，向a a方向移动，在电动机中是旋转的，方向移动，在电动机中是旋转的， 称正向旋转磁动势。称正向旋转磁动势。 fq1 1随时间增大，向随时间增大，向a a方向移动，在电动机中是旋转方向移动，在电动机中是旋转的，称反向旋转磁动势。的，称反向旋转磁动势。结论结论: :（1）单相绕组的磁动势是一种空间位置固定，幅值随时间变化的脉振磁势，其脉振频率取决于电流的频率。注：空间分布用以电角度

21、计的空间位置角 来表达，随时间变化规律用时间t来表达。（2） 一个脉振磁动势脉振磁动势可以分解为两个幅值相等，转速大小相同，转向相反的两个旋转磁动势，它们的幅值是原脉振磁动势最大幅值的一半。（3）定子绕组多采用短距和分布绕组，因而合成磁动势中谐波含量大大消弱。一般情况下只考虑基波磁势的作用。二、三相绕组的合成旋转磁动势 三相对称绕组在空间互差120电角度，假设通入三相对称交流电为)240(cos2)120(cos2cos2cbatiitiitii则在每相绕组中都要产生单相脉振磁动势。 三个脉振磁动势在空间和时间上都互差120电角度，可分别表示为 三个单相脉振磁动势的合成为)120(cos2)(

22、cos2)240(cos)240(cos)240(cos2)(cos2)120(cos)120(cos)(cos2)(cos2coscos111c1111b1111a1tftftfftftftfftftftffqqqqqqqqqaaaaaaaaa)(cos)(cos23),(11c1b1a11tftfffftfqaaa 合成磁动势为一旋转磁动势，式中，ipknfipknfdpdpq11111135. 1 ,0.9)(cos)(coscoscos2bababa图解法不同时刻三相合成磁动势1t 0iaibici090t0330t0210t0450t 合成磁动势的合成磁动势的转向是从载有超前转向是从

23、载有超前电流的相转到载有电流的相转到载有滞后电流的相。滞后电流的相。三相谐波磁动势三相谐波磁动势03333cbaffff)5cos(55555tfffffcbaa1551ff )7cos(77777tfffffcbaa1771ff.)3 ,2, 1(3kk.)3 ,2, 1(16kk.)3 ,2, 1(16kk结论（1）三相合成基波磁动势的幅值为每相基波脉振磁动势最大幅值的1.5倍，且保持不变。（2）三相对称绕组通入三相对称交流电产生的旋转磁动势其合成磁动势矢量的端点轨迹是个圆，故称为圆形旋转磁动势圆形旋转磁动势。（3）三相合成基波磁动势的波长和单相一样，即极对数相同。（4）转速：磁动势波的旋

24、转速度可由波上任一点的移动速度来确定。min)/(60)/(2221rpfsrpfpfpnppp结论（5）三相合成磁动势为正弦分布旋转磁动势，转向由超前电流相转到滞后电流相。要改变磁场转向，只须改变三相电流的相序。注：三相绕组通入电流时，其绕组出线端只需和外接三相交流电任意两相对调一下，就可改变基波合成旋转磁动势的转向。（6）当某相电流达最大值时，合成旋转磁势的幅值恰在这一相绕组轴线上。 4 4.3.3交流绕组的感应电动势交流绕组的感应电动势 4.3.1一根导体感应电动势 设定子内表面槽中嵌放导体a，有效长度为l(m)，转子只有一对磁极，它由原动机拖动以恒定转速n1(r/min)逆时针旋转。电

25、机气隙磁密电机气隙磁密.ba2pp0t2txbt1mb1b3b3mb1313sinsin3mmbbbbabatetevlbvlbexasin2sinsin11mm111导体导体a的感应电动势为：的感应电动势为：11avm1m1m1)2()2(2flfbflblvbeptptpp基波感应电动势最大值：基波感应电动势最大值：m1av12pbb v22. 22211m11ffeepfnpvtt26021其中：其中：基波感应电动势有效值：基波感应电动势有效值： 导体的基波感应电动势随时间变化，其波形取决于气隙中磁通密度在空导体的基波感应电动势随时间变化，其波形取决于气隙中磁通密度在空间的分布波形间的分

26、布波形;导体导体a每经过一对主磁极，其中的感应电动势经历一个周期。每经过一对主磁极，其中的感应电动势经历一个周期。感应电动势频率感应电动势频率 当电机转子上有p对主磁极，电机每旋转一圈，导体a中的基波感应电动势变化p周，则导体a中基波感应电动势频率为：）（hz601pnf 当电机的极对数p和转子转速n1一定时，频率f便为固定的数值。我国电力网的工频为f=50hz，所以，二极电机时，转速n1=3000r/min；四极电机时，转速n1=1500r/min；六极电机时，转速n1=1000r/min；，转速n1称为同步转速。 4.3.2整距线匝感应电动势 1x1a1teee 两导体a、x就构成了整距线

27、匝如图所示。其中的感应电动势总是大小相等，方向相反。整距线匝基波感应电动势为：0ansnsap p2p pa a切切开开展展开开n1axy1= =t t= =p pea1ex1端端接接线线头头 尾尾xexn1ex1ea1et1+ +j a）轴剖面示意图 b）线匝 c）感应电动势波形 d）感应电动势相量图整距线匝感应电动势 1a1x1a1t2eeee用相量表示时：0ansnsap p2p pa a切切开开展展开开n1axy1= =t t= =p pea1ex1端端接接线线头头 尾尾xexn1ex1ea1et1+ +j a）轴剖面示意图 b）线匝 c）感应电动势波形 d）感应电动势相量图整距线匝感

28、应电动势 整距线匝基波感应电动势瞬时表达式为：teteesin2sint1t1m1t 整距线匝基波感应电动势有效值为：111a1t44. 422. 222ffee 4.3.3整距线圈感应电动势 线圈是由nk匝线匝串联而成的。线圈的两有效边之间的距离称为节距，用y1表示。节距y1=t的线圈，称为整距线圈。整距线匝基波感应电动势瞬时表达式为：teteekkksin2sin11m1式中，ek1m为整距线圈的基波感应电动势最大值，ek1为整距线圈的基波感应电动势有效值，其值为：1144. 4fnekk线匝线圈 4.3.4整距分布线圈感应电动势 若在定子内圆表面槽中均匀嵌放三个匝数为nk的整距线圈1-1

29、、2-2、3-3，三线圈首尾连接，相互串联形成线圈组，称为整距分布线圈。所以每极每相槽数q=3，相邻线圈的槽距角为。 由于三线圈相差a空间电角度，所产生的感应电动势也要相差a时间电角度。2sin21arek2sin21aqreq2sin2sin1aaqqkd111144. 4kfqnkqeedkdkq1112sin22sin2dkqkqrqrqeeaa整距分布线圈组的整距分布线圈组的次谐波电动势次谐波电动势dkdkqkfqnkqee44.42sin2sinaaqqkd96.01dk653.03dk205.05dk158.07dk基波电动势被消减基波电动势被消减43次谐波电动势被消减次谐波电动势

30、被消减355次谐波电动势被消减次谐波电动势被消减807次谐波电动势被消减次谐波电动势被消减85采用采用60度相度相带分布带分布，且且q=4时时： 4.3.5短距线圈的感应电动势 如果线圈的节距y1t，则为短距线圈，如图所示。令短距线圈的节距y1=yp，其中0y1。 由图可见，短距线圈的基波感应电动势有效值为：111a1144. 42sin44. 42sin2pkkkkfnyfnyeepp 若实际的短距若实际的短距线圈看成是整距线圈看成是整距线圈，则它线圈，则它等效等效匝数为匝数为nkkp1，而，而不是不是nk。apqnnk1111144.4kfnedp 4.3.6单相交流绕组的感应电动势 单层

31、绕组：采用分布整距形式，每相绕组串联匝数为 ：每相的基波感应电动势有效值为：双层绕组：采用短距分布形式，每相绕组串联匝数为 ：apqnnk211144. 4fnekk整距集中线圈基波感应电动势： 4.3.7交流绕组的谐波感应电动势 绕组采用分布、短距后虽削弱些基波感应电动势，但可使各次谐波电动势大大削弱，使绕组感应电动势更接近正弦波。 三相交流绕组y接或接时，由于三次谐波以及三的倍数次谐波电动势在时间相位上同相，故三相线电动势中无三次或三的倍数次谐波。vffvvdpvvkfne144. 4设v为谐波次数，则谐波感应电动势频率为：每相绕组v次感应电动势有效值：为v 次谐波绕组系数。pvdvdpv

32、kkk【例题4-1】 某六极三相异步电动机，定子绕组为双层叠绕组，定子槽数q=36，节距y1=(5/6)t，每相串联匝数n1=72，当通入三相对称交流电时，每相电流有效值i=20a，试求基波、三次、五次、七次谐波的三相合成磁动势的幅值及转速。 解：极距为每极每相槽数为 66362pqt2363tq节距为 5665651ty【例题4-1】 槽距角、基波分布系数为基波短矩系数为基波绕组系数为 966. 02sin1530sin2sin2sin1aaqqkd965. 075sin2sin11ptykp932. 0965. 0966. 0111pddpkkk30363603360qpa【例题4-1】

33、基波合成磁动势幅值为基波合成磁动势转速为 由于各相三次谐波脉振磁动势在空间上重合，而在时间上互差120，因此，三相合成三次谐波磁动势为零。安匝安匝604203932. 07235. 135. 1111ipknfdpr/min1000r/min35060601pfn【例题4-1】 五次谐波绕组系数为五次谐波合成磁动势幅值为五次谐波合成磁动势转速为0667. 0258. 0259. 025sin25sin25sin15ptaayqqkdp安匝安匝64. 82030667. 0725135. 15135. 1515ipknfdpr/min200r/min3550605605pfn转向与基波相反。【例题4-1】 七次谐波绕组系数为七次谐波合成磁动势幅值为七次谐波合成磁动势转速为转向与基波相同。0667. 0258. 0259. 027sin27sin27sin17ptaayqqkdp安匝安匝27. 6203)0667. 0(727135. 17135. 1717ipknfdpr/min143r/min3750607607pfn【例题4-2】 某三相六极同步电动机，定子绕组为双层短距绕组，