理学电机学孙旭明王善明PPT课件

1、交流电机w同步电机和异步电机运行原理不同。w但是两者在定子结构、定子绕组以及绕组感应电动势和绕组产生磁动势等方面有很多共同的地方，将这些作为共同问题来一起进行研究。第1页/共69页同步电机的基本工作原理w原动机拖动转子旋转。w励磁绕组中通入直流电。w 导体切割磁感应线，产生感应电动势。第2页/共69页同步电机的基本工作原理 导体感应电动势lvbe与导体所在处的气隙磁通密度、长度和相对运动速度有关。第3页/共69页同步电机的基本工作原理 感应电动势的方向 用右手定则判断； 图中所示时刻电动势的方向为出纸面。第4页/共69页同步电机的基本工作原理 转子转过一周，定子导体感应电动势正负交变一个周期。

2、 带上负载则可以输出电能。第5页/共69页同步电机的基本工作原理转速n1的单位为r/min。对于p对极的电机而言，转子每转过一周，定子导体感应电动势正负交变p个周期。601pnf 第6页/共69页同步电机的基本工作原理 同步电动机的基本原理定子通电形成旋转磁场，等效为旋转的磁极。第7页/共69页同步电机的基本工作原理w极对数p一定时，定子导体感应电动势的频率f 与转子转速n1有严格的关系，称为同步关系。转子转速n1称为同步转速。w这种电机称为同步电机。601pnf 第8页/共69页异步电机的工作原理 笼型异步电机第9页/共69页异步电机的工作原理转子转速n是否会等于定子磁场的转速n1 ？ 不会

3、，否则无法感应电动势，不会有电流，不会产生转矩。 因为转子转速n与定子磁场转速n1之间没有严格的同步关系，所以称为异步电机。第10页/共69页交流绕组由交流电机的工作原理可见，交流绕组是电机进行能量转换的关键部件。 产生感应电动势； 产生磁动势。第11页/共69页对交流绕组的要求w 导体数一定情况下，能产生较大的基波电动势和磁动势；w 三相绕组感应电动势对称；w 三相绕组阻抗相等；w 电动势和磁动势的波形尽可能接近正弦；w 较好的散热，一定的绝缘强度；w 工艺简单、维护方便。第12页/共69页交流绕组的电动势和磁动势w研究交流绕组的感应电动势和产生磁动势的问题。w同步电机、异步电机都存在这些共

4、同问题。w先研究绕组和电动势问题，以同步发电机为对象。第13页/共69页交流绕组的电动势 交流电机的绕组是由放置在铁心槽中的导体通过一定的方式联结而成的。导体线匝线圈线圈组相绕组由简单到复杂第14页/共69页交流绕组的构成第15页/共69页交流绕组的电动势 绕组联结的原则 尽量充分利用导体（产生的感应电动势尽可能大）。 电动势质量好。 波形接近正弦 三相对称 节省材料。第16页/共69页导体感应电动势eb lv 与导体所在处的气隙磁通密度b 、导体长度 l 和相对运动速度 v 有关。 对于确定的电机而言，长度和转速都是确定的，所以着重分析气隙磁通密度。第17页/共69页导体感应电动势 为方便进

5、行数学描述，建立直角坐标系 在转子表面； 原点、横坐标、纵坐标。l规定物理量的参考方向w气隙磁通由转子进入定子方向为正，相应的磁通密度也为正；w电动势以出纸面方向为正。第18页/共69页导体感应电动势 励磁磁动势FfNf If 产生气隙磁场，用气隙磁通密度 b 表示。第19页/共69页导体感应电动势 谐波分析w应用叠加定理；w由磁通密度波形的特点，可知傅里叶级数分解后，只含有奇数次的正弦项。气隙磁通密度的空间分布为平顶波。第20页/共69页导体感应电动势 气隙磁通密度可以表示为531bbbb5sin3sinsinm5m3m1BBBbl分别研究各次磁通密度的作用，再综合。l可以看成是导体以角速度

6、 向着与转子转向相反的方向运动，1260np第21页/共69页导体的基波感应电动势t0时， t 时刻，11msinbBtt111msineb lvBlvt1m1sin2sinEtEt110 ,0 ,0be211mEE 为基波感应电动势的有效值。lvBEmm11为导体 A 基波感应电动势的最大值。第22页/共69页导体的基波感应电动势 习惯上采用每极磁通量来计算电动势1122. 2fE 11mp2Bl11m12EBlv11p26060nnvDp1 为气隙基波每极磁通量； p 为极距。第23页/共69页导体的基波感应电动势A112sineEt第24页/共69页电角度与机械角度w转子转过一对极，定子

7、感应电动势就交变一次，即经过360。第25页/共69页电角度与机械角度w在电机学中，将一对极在空间上占据的机械角度定义为360，称为空间电角度，用 表示。w原来的空间一周对应的360 ，称为空间机械角度，用 表示。pw 空间电角度与空间机械角度之间的关系第26页/共69页结论w空间上正弦分布的磁通密度波，通过转子旋转产生了时间上正弦变化的电动势。w转子在一段时间内转过的空间电角度和电动势在时间上经过的角度相等，即转子在空间上转过多少电角度，电动势就在时间上经过了多少电角度。第27页/共69页导体的基波感应电动势 与导体A相距一个角度的导体B的感应电动势t 时刻，11m0sin()bBt0tB1

8、102sin()eEteB1与eA1的有效值相同，但相位不同。A112sineEt第28页/共69页导体的基波感应电动势A112sineEtB1102sin()eEt第29页/共69页结论w导体B 与导体A 在空间上相差 电角度，它们的感应电动势在时间上也相差 电角度。w 顺着转子转动的方向看，空间上超前，则感应电动势在时间上滞后。第30页/共69页导体的谐波感应电动势 同理也可以得到5次、7次等各次谐波电动势33msin3bB333m3sin32sin3eb lvBlvtEt33322. 2fE第31页/共69页整距线匝的感应电动势线匝应将哪两个导体联结起来，构成一个整距线匝？1y -节距第

9、32页/共69页整距线匝的感应电动势w要使线匝的感应电动势最大，应选节距等于一个极距的两根导体联结成线匝。w节距等于一个极距，称为整距。1y w 节距可以不等于一个极距，可以形成短距或者长距。1,y 长距1,y 短距第33页/共69页整距线匝的感应电动势整距线匝的基波感应电动势有效值为T114.44Ef第34页/共69页整距线圈的感应电动势w多个同样的线匝构成线圈。w整距线圈就是多匝的整距线匝，各线匝之间相互绝缘。线圈的匝数为Nk（即Nk个线匝串联）。K1KT1K14.44EN EfN 整距线圈的基波感应电动势有效值为第35页/共69页三相单层集中整距绕组 沿着转子转动的方向看，空间上超前，则

10、感应电动势在时间上滞后。w 三相对称的交流电动势 三相有效值相同； A相电动势超前B相120电角度，B相超前C相120电角度。第36页/共69页三相单层集中整距绕组第37页/共69页三相单层集中整距绕组 三相绕组可以联结成星形或者三角形AXBYCZAEBECEABEAXBYCZAEBECEABEAE第38页/共69页三相单层集中整距绕组AXBYCZA3EB3EC3EAB3EA332sin3eEtB333A32sin3(120 )2sin3eEtEtew星形联结时，线电动势中不含有3次或3的倍数次谐波电动势。AB30e3次谐波电动势第39页/共69页三相单层集中整距绕组A3B3C332sin3e

11、eeEtw三角形联结时，线电动势中不含有3次或3的倍数次谐波电动势，但有循环电流，产生损耗。3333333ZEZEIAB3A33 30UEZ I 第40页/共69页三相单层集中整距绕组w 三相单层集中整距绕组，非常简单。w绕组集中，发热集中，散热困难。w铁心表面有很多空间没有利用，不经济。w电动势的波形不好。第41页/共69页w为充分利用空间，沿圆周均布多根导体。w如何将这些导体联结成三相绕组？ 电动势尽可能大 三相对称以p2，定子上均匀分布24槽为例进行说明。（定子槽数Q24）第42页/共69页三相单层分布绕组电动势星形相量图w 槽距角 相邻两个槽之间相距的空间电角度。3602 360302

12、4pQ第43页/共69页三相单层分布绕组 分相相带每极下每相占有的区域。60相带l每极每相槽数qm为相数24222 3 2Qqmp 第44页/共69页三相单层分布绕组 绕组展开图第45页/共69页三相单层分布绕组 绕组展开图w 相绕组的联结（并联支路数）。w 最大并联支路数ap。w 根据分相的结果对线圈边进行联结，形成线圈组。w 每一对极下形成一个线圈组，共p个线圈组。第46页/共69页三相单层分布绕组 整距分布线圈组电动势的计算第47页/共69页三相单层分布绕组 整距分布线圈组电动势的计算d1sin2sin2qkqq1K1K1 d1sin2sin2qEqEqEkqkd1称为基波分布因数。第4

13、8页/共69页三相单层分布绕组q1K d114.44EfqN k w在线圈集中在一起时的电动势基础上乘上基波分布因数kd1 。w也可看成线圈仍集中在一起，但有效匝数减小为qNkkd1。d1sin2sin2qkqdsin2sin2qkqw 对于 次谐波，第49页/共69页三相单层分布绕组 整距分布相绕组电动势的计算每相每支路串联匝数q1K d114.44EfqN k 线圈组1K d111 d1114.444.44EfqN kpafN k K1pqNNa相绕组K1K14.44EfN 线圈基波第50页/共69页三相单层分布绕组 谐波电动势qK d4.44EfqN k线圈组K d1 d14.444.4

14、4EfqN kpafN k相绕组第51页/共69页三相单层分布绕组的特点w线圈数（槽数 Q 的一半）w最大并联支路数（极对数p）w每相每支路串联匝数K1pqNNa第52页/共69页三相单层分布绕组 优点 有效利用铁心表面空间； 可以削弱绕组的谐波电动势； 每个槽内只有一个线圈边，嵌线方便； 便于散热。10kW以下的三相异步电动机采用。l缺点w 单层分布绕组不能任意短距，无法利用短距进一步削弱谐波电动势，改善电动势的波形。第53页/共69页w为了进一步削弱谐波电动势，使电动势波形接近正弦。w采用双层分布短距绕组，利用短距来进一步改善电动势波形。第54页/共69页三相双层分布短距绕组w双层绕组是在

15、每个槽中放置两个线圈边，线圈的一个边在一个槽的上层，另一边则在另外一个槽的下层。w各线圈的构成相同。w 节距不受限制，可取为需要的值。第55页/共69页三相双层分布短距绕组 双层叠绕组第56页/共69页短距线圈的感应电动势 线圈节距 y1yy为短距比，是线圈节距与极距之比。第57页/共69页短距线圈的感应电动势 基波感应电动势为基波节距因数。K1K p114.44EfN k p1sin2ky第58页/共69页短距线圈的感应电动势w短距时，基波短距因数 kp1 总小于1，所以短距使线圈的基波电动势减小，在整距线圈电动势的基础上乘上kp1 。w也可以理解为线圈仍为整距，但是其匝数不是Nk ，而是N

16、kkp1 。p1sin2kyl谐波感应电动势为 次谐波节距因数。psin()2kyKK p4.44EfN k第59页/共69页三相双层分布短距绕组 如何来联结导体，形成三相双层分布短距绕组以极对数为2、定子上均匀分布36槽为例进行说明。第60页/共69页三相双层分布短距绕组 电动势星形相量图w 槽距角3602 3602036pQp2，Q3636322 3 2Qqmp w 每极每相槽数第61页/共69页三相双层分布短距绕组 电动势星形相量图w 每个相量表示的是每个线圈的电动势相量。w 线圈数等于槽数。l分相将线圈划分给三相。 60相带法 120相带法第62页/共69页三相双层分布短距绕组 节距的

17、选择w 短1/3节距，可以完全消除3次谐波；w 需要削弱的主要是5、7次谐波电动势；w 短1/5节距，可以完全消除5次谐波。w 选择短距比y5/6左右。第63页/共69页三相双层分布短距绕组 绕组展开图（节距 y17）w 每相在每极下有一个线圈组极相组。w 极相组数2p。最大并联支路数2p。第64页/共69页1K d1 p111 dp1124.444.44pEfqN k k fN ka三相双层分布短距绕组 基波感应电动势K1Kp114.44EfNkw 极相组的感应电动势w 短距线圈的感应电动势q1K d1 p114.44EfqN k k w 相绕组的感应电动势K12pqNNa为每相串联匝数；dp1d1 p1kk k为基波绕组因数。第65页/共69页三相