电机学 ch3 共同理论

1、电机学电机学第三章交流电机的基本理论1本章内容3.1 交流电机的工作原理3.2 交流电机的绕组、电动势3.3 交流绕组的磁动势23.1 交流电机的工作原理3.1.2、同步电机的工作原理3.1.3、异步电机的工作原理序交流电机的基本结构电枢旋转磁场3 定子与转子两大部分+气隙 定子定子* 固定不动的部分* 铁芯、绕组、机坐* (1) 定子铁芯定子铁芯 希望较强的磁场 导磁好、损耗小 硅钢片 内表面开槽：放绕组交流电机的基本结构4* (2) 定子绕组定子绕组 线圈 按一定规律放 单层绕组、双层绕组* (3) 机坐机坐交流电机的基本结构5* 定子铁心定子铁心交流电机的基本结构6* 定子绕组定子绕组交

2、流电机的基本结构7 转子转子* 同步机与异步机转子不一样* 铁芯 外表面开槽* 绕组交流电机的基本结构8 三相笼型异步电动机的结构三相笼型异步电动机的结构交流电机的基本结构转子转子 定子定子 风扇风扇 冷空气流冷空气流 罩罩 壳（非驱动端）壳（非驱动端） 端盖（驱动端）端盖（驱动端）9 同步发电机：同步发电机：* 定子绕组：对称三相绕组（电枢绕组）* 转子绕组：励磁绕组（产生磁场）交流电机的基本结构10U1U2V1V2W2W1U1 V1 W1U2 V2 W2 流出流出 流入流入 横截面横截面电枢旋转磁场11U V WU1U2V1V2W2W1i1 = Imsin ti2 = Imsin( t12

3、0O) i3 = Imsin( t120O)i1 i2 i3 t = 0O 时时i1 = 0，i2 0， i3 0NSIm tOi1电枢旋转磁场12 t = 0O 时时i1 = 0，i2 0， i30U1U2V1V2W2W1NS t = 120O 时时i10，i2 = 0，i3 0U1U2V1V2W2W1NS电枢旋转磁场13U1U2V1V2W2W1U1U2V1V2W2W1NS t = 240O 时时i1 0，i20，i3 = 0 t = 360O 时时i1= 0，i2 0，i30NS电枢旋转磁场14i 变化一周变化一周i 每秒钟变化每秒钟变化 50 周周i 每分钟变化每分钟变化 (5060)

4、周周 旋转磁场转一圈旋转磁场转一圈旋转磁场转旋转磁场转 50 圈圈旋转磁场转旋转磁场转 3000 圈圈 旋转磁场的转速旋转磁场的转速 n0 同步转速同步转速 n0 = 3000 = 60 f1 (r / min) 同步转速同步转速 n0 的大小怎样改变？的大小怎样改变？电枢旋转磁场15U1U2V1V2W2W1每相绕组由每相绕组由一个线圈组成一个线圈组成U1 V1 W1U2 V2 W2U3 V3 W3U4 V4 W4U1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3每相绕组由两个每相绕组由两个线圈串联组成线圈串联组成电枢旋转磁场16U1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3 t = 0O 时

5、时 i1 = 0，i2 0， i3 0 NSNS 磁极对数磁极对数 p p = 2 电流变化一周电流变化一周 旋转磁场转旋转磁场转半半圈圈 n0 = 1 500 当磁极对数当磁极对数 p = 3 时时 n0 = 1 000 60 f1 2= 60 f1 3=60 f1pn0 =电枢旋转磁场17原理：原理：* 励磁绕组通入直流电外力使转子旋转转子旋转磁场穿过气隙切割定子绕组三相感应电势当接负载电流电能输出3.1.1、同步电机的工作原理结构示意图电动势波形向量图Blve 右手定则18转子转向决定定子绕组电动势相序感应电动势的周期* 感应电动势频率* 同步电机的转速同步电机的转速 n1和电网频率和电

6、网频率 f 之间有严格之间有严格不变的关系。不变的关系。3.1.1、同步电机的工作原理pn160f =pfn/601191. 静止起动静止起动* 三相电流=三相绕组 =旋转磁场B1=B1切割转子导条（因为转子静止）=感应电势E2 =感应电流I2（因为转子闭合）=B1与I2作用=电磁转矩T=当TT0TL时，转子从静止开始起动* 其中：T0空载转矩 TL负载转矩3.1.2、异步电机的工作原理BilF 左手定则20 2. 平衡平衡* 转动：n增加=转差减小：“切割”速度下降=E2 =I2 =T =当TT0TL时，转子匀速转动 3. 干扰：干扰：* 若TL = T0TLT时，失去平衡=转速n =转差

7、= “切割”速度=E2 =I2 =T =直到TT0TL，自动重新平衡 4. 特点：转速差（转差）特点：转速差（转差）/感应感应3.1.2、异步电机的工作原理（感应电机）异步电机21 交流电机交流电机* 异步电机* 同步电机 同步与异步同步与异步* 旋转磁场：定子三相定子绕组流过三相电流，形成旋转磁场。* 电机实际转速 n = 同步转速 n0：同步电机* 电机实际转速 n 同步转速 n0：异步电机3.1、交流电机的工作原理总结223.2 交流电机绕组和电动势3.2.2 三相双层绕组3.2.3 感应电动势（正弦磁场下）3.2.4 感应电动势中的谐波3.2.1 交流绕组23 作用：作用：* 通入电流

8、磁场（电动机）* 磁场与定子绕组切割电势电流（发电机） 分类（类型）分类（类型）* 相数：单相、三相* 层数： 单层：同心式、交叉式、链式 双层：叠绕组、波绕组* 宽度：整距、短距* 分布性：分布绕组、集中绕组3.2.1 交流绕组24端部有效边mep25交流绕组的基本术语 电角度与机械角度* 机械角度机械角度:电机圆周在几何上分成360* 电角度电角度:电势变化一个周期(360电角度)* 关系: 相带相带：每极面下每相绕组所占范围（60度）U1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W326U1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3交流绕组的基本术语 每极每相槽数每极每相槽数： 槽距角槽

9、距角：相邻两槽之间的电角度 极距极距：相邻两磁极对应位置两点之间圆周距离,定子内表面弧长（槽数）： 节距节距（跨距）：（跨距）：线圈宽度 y* =称为整距， 称为长距Zp 360pZ2pmZq227交流绕组的构成原则 1、对称原则对称原则：三相绕组在电机的圆周空间互相错开120度（电角度），各相匝数、线径、绕组形式均相同（三相对称绕组） 2、均匀原则均匀原则：每个极域内的槽数（线圈数）要相等，各相在每个极域内所占的槽数应相等。 3、电势相加原则电势相加原则：线圈两个边的电势要相加，线圈与线圈间的连接也应符合这一原则。 4、电势星形图电势星形图是分析交流绕组的有效工具。 5、各槽电势向量构成辐射

10、状的星形图-电势星形图。28U1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3NSNS电势星形图相带与电势星形图相带 AZBXCY123456789101112槽号分配表Z=12p=2 29相带与电势星形图30交流绕组基本要求: 1 三相基波电动势和磁动势要对称。 2 力求获得较大的基波电动势和磁动势，尽量减小或消除谐波分量。 3 提高导线的利用率，提高制造的工艺性。3120a1781319 142b511121723 182464c915162132210三相单层等元件绕组的原理（p=2）线圈连接顺序323.2.2 三相双层绕组 每线圈有两个有效边 线圈数=槽数 每槽有上下两个线圈边（属于不同

11、的线圈） 整距、短距绕组 例：Z=24，2p=4 =24/4=6 q=24/(2mp)=24/(2*3*2)=2 12个相带 A-Z-B-X-C-Y-A-Z-B-X-C-Y12 34 567 89 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 1三相双层绕组（短距）A1A3X2X4A4A2X1X333NNSS12 34 567 89 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 1三相双层绕组（短距）ax3435并联支路数条件:不改变和极相组内的电流方向36关于绕组一些概念复习 一根导体（一匝线圈的一个有效

12、边） 一匝线圈 / 一个线圈 一个极相组（一个线圈组） 相绕组（一相绕组） 电机绕组（三相绕组） 并联支路数 每相串联匝数 极数 极相组数（线圈组）波绕组叠绕组37 例：某交流电机定子绕组，Z=36，2p=4，y=8/9，a=2，Nc=10，m=3 求：* 一匝线圈有几个有效边* 一相线圈有几匝；* 一个极相组有几个线圈，几匝线圈* 一相有几个极相组，几个线圈，几匝线圈* 并联支路数* 每相串联匝数* 一个电机有几相、几个极相组、几个相绕组383.2.3 三相定子绕组的电动势（以三相同步电机为例） 导体的感应电动势 线圈电动势和短距系数 线圈组电动势和分布系数 相绕组电动势 三相绕组的线电动势

13、391、导体的感应电动势60/1pnf )sin(1wtlvBBlvelfBnplBlvBEc1111260222ffllf22. 222226021npvpD221BBavlB12频率：感应电势：有效值：402、线圈电动势和短距系数 整矩绕组* 旋转磁场每极磁通* 切割定子绕组（以发电机为例）* 形成感应电动势（电势）(ec 或 ey) Nc 线圈匝数* 有效值：有效值：* 比较：与变压器相同形式* 区别：磁通大小变化与相对运动“切割”tcos1tNdtdNeccycsin111144. 421ccycNfNE412、线圈电动势和短距系数 整矩绕组 VS 短矩绕组SN y = EcEcEcE

14、cEcSNEcEc yEcEcEc y 180o极距极距 =节距节距 E大小相等大小相等方向相反方向相反（相位差（相位差 180 电角度）电角度）极距极距 节距节距 E大小相等大小相等相位差相位差 电角度电角度180y422、线圈电动势和短距系数 短矩绕组电动势* 短距短距线圈两边切割B产生的E不是正好差180度合成时，乘一系数 （短距线圈中交链的磁通减少电势减少。）* 短距系数 短距系数相当于：短距短距线圈时的感应电动势与整整距距时的感应电动势相比需打的折扣。11144. 421pcpcyckNfkNE)1(90sin2cosykp433、线圈组电动势和分布系数 分布绕组分布绕组* 各个线圈

15、的感应电动势的大小、波形均相同，只是在时间上依次相差 电角度：相位不同。* 线圈组的总电动势为q个线圈电动势的和（相量和）* 则： 分布系数：分布系数：) 1(01111qEEEEcccq()()1111111111114.444.44qqcqcqcqyc ycwEqk EEqk Ef N k k qf N k qtt=F=F2sin2sin111aqqaqEEkcqq Ec1Ec2Ec3 Ec3Ec1Ec2 R444、相绕组电动势* 2p个极 (双层绕组)每相有* 2p个线圈组，每个线圈组有 q个线圈* 2pq个线圈，每个线圈有Nc匝线圈* 2pqNc匝线圈 2p个线圈组可串联、并联（视需要

16、） 并联支路数：并联支路数：a 每相串联匝数：每相串联匝数：apqNNc2apqNNc单层绕组：双层绕组：apqSN 455、三相绕组的线电动势 相电势：相电势： 线电势：线电势： P95例例* 电动势频率* 每极每相槽数* 槽距角* 节距因数、分布因数、绕组因数* 相电势与线电势11144. 4wpNkfEplEE3463.2.4 谐波电动势1. 谐波绕组系数 电机的磁场并不完全为正弦分布（空间） 傅氏分解：基波与各次谐波 相电动势中 次谐波电动势有效值： 对应的谐波绕组系数为：vwvvvNkfE44.4qvpvwvKKK2cosvkpv2sinsinvqqvkqv473.2.4 谐波电动势

17、2.线电势 由三角形、星形接法决定（基波） 注意注意：线电势中不含3k次谐波电势（因同相位）2112725213EEEEEl483.2.4 谐波电动势3.谐波电势的减小 波形畸变率： 谐波电势的减小* 气隙磁场接近正弦波* 短距绕组* 分布绕组* Y连接（线电势中不含有3k次谐波）12242322UUUUUKNu危害：危害：损耗增加温升提高效率降低性能变坏电磁干扰并联谐振 过电流 过电压493.2.4 谐波电动势4.采用短距、分布绕组的目的 交流绕组采用短距和分布的结构，可削弱每相电动势中的谐波分量，使电动势波得到改善。* 虽短距系数、分布系数均不大于1，使基波电势减小* 因为对谐波来说：对应

18、的更小，所以具有明显的抑制作用。50 例：E1100，E3=30，E5=20，E7=10 则波形畸变率为 若各谐波电动势的绕组系数分别为：kw10.96，kw3=0.3，kw5=0.2，kw7=0.1 则对应的电动势分别为：E196，E3=9，E5=4，E7=1 则波形畸变率为%4 .37100102030%1002221272523EEEEk%31.1096149%1002221272523EEEEk3.3 交流绕组的磁动势3.3.1 概述3.3.2 单相-脉振磁动势3.3.3 三相-旋转磁动势3.3.4 气隙磁场与励磁电抗51523.3.1 概述 1、气隙磁场是关键* 同步电机：空载/负载

19、* 异步电机 2、既是时间函数、又是空间函数 3、简化分析的假设：* 绕组电流正弦变化，不考虑高次谐波* 槽内电流集中于槽中心，不考虑齿槽影响* 定转子气隙均匀，气隙磁阻是常数* 铁心不饱和，略去铁心磁压降533.3.2 单相绕组的磁势-脉振磁势 1、整距绕组磁势-脉振磁势* 不计铁芯磁阻、气隙均匀* 磁势为方波，当线圈中电流为正弦交流电* 则：tIisin2tINiNtxfccysin2221,xt543.3.2 单相绕组的磁势-脉振磁势* 傅立叶分解：553.3.2 单相绕组的磁势-脉振磁势 傅立叶分解：得式（3-11） 其中基波分量 幅值txxxINtxxxINtINiNtxfccccy

20、sin5sin513sin31sin9 . 0sin5sin513sin31sin422sin2221,txINtxfcysinsin9 . 0,1ININFccy9 . 04221奇谐奇函数563.3.2 单相绕组的磁势-脉振磁势 2、线圈组的磁势（分布绕组）* 整矩分布时整矩分布时 q个线圈，相位不同： 其中：分布系数 采用分布绕组可以改善磁动势波形111qyqKqFF2sin2sin111aqqaqFFkcqq573.3.2 单相绕组的磁势-脉振磁势 2、线圈组的磁势（分布绕组）* 短距绕组时短距绕组时 双层绕组常采用短距绕组 等效成两个单层整距绕组，但相距一个角：短距角 两磁势相位不同

21、，则 其中：短距系数 短距角* 线圈组的磁势线圈组的磁势1112pqkFF90sin2cos1yKpINkIkkqNkFFwpqcpq1111119 . 0)2(9 . 02583.3.2 单相绕组的磁势-脉振磁势 3、相绕组磁势* 对一相绕组，线圈组的磁势就是相磁势，不同空间位置的F不能相互迭加。 * 其中： 每相串连匝数： 绕组系数IpNkKFFwpq11119 . 02aqpNNc2111qpwKKK)(aqpNNc59单相绕组的磁通势的性质 既是时间函数，又是空间函数 空间位置固定、幅值随时间变化且以绕组中电流变化的频率脉振。所以称脉振磁场。 幅值的位置与绕组的轴线相重合 基波磁通势的幅值： 次谐波磁通势的幅值： 谐波次数越高，幅值越小。IpNkFw119 . 0IpNkvFwvv19 . 0wvvkvF160脉振磁势可分解为两个旋转磁势 因为： 所以：* 脉振磁势可分解为两个旋转磁势* 每个的幅值