电机交流电机绕组及其感应电动势

1、电机交流电机绕组及其感应电动势第1页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五第一节 旋转电机的基本作用原理交流电机：产生或使用交流电能的旋转电机。两大类：同步电机速度等于同步速(n= n1)异步电机速度不等于同步速(nn1)同步速旋转磁场的转速(n1)第2页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五一、三相同步电机（磁极对数p=1）定子、转子、空气隙定子上嵌放有对称的三相绕组a-x、b-y、c-z对称是指各相绕组的匝数相等，空间位置彼此相距120转子绕组通以直流电流形成分布磁场，匝链定子上的各相绕组。第3页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五设磁场在

2、气隙中按正弦分布设转子以恒定速度旋转定子绕组中所匝链的磁通按正弦规律变化，其感应电势按正弦规律变化。由于各相匝数相等，从而各相电势的大小相等，由于各相绕组空间分布彼此相距120，从而三相电势时间相位差120满足了三相电势对称要求。电势频率的决定：f=pn/60(HZ)第4页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五三相电势对称第5页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五例： p=2每相两个线圈，a1-x1、a2-x2属于a相，b1-y1、b2-y2属于b相，c1-z1、c2-z2属于c相。各相的两个线圈的分布： 空间上相距一对磁极 电势看两个线圈交链的磁通变化规律完

3、全相同，因而感应电势完全相同（幅值一致，时间上同相位）。第6页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五第7页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五二、三相异步电机电磁过程（图例）异步电动机定子上有三相对称的交流绕组；定子三相对称交流绕组通入三相对称交流电流时，将在电机气隙空间产生旋转磁场； 转子绕组的导体处于旋转磁场中；(它是一闭合的交流绕组）转子导体切割磁力线，并产生感应电势，判断感应电势方向。 转子导体通过端环自成闭路，并通过感应电流。感应电流与旋转磁场相互作用产生电磁力，判断电磁力的方向。 电磁力作用在转子上将产生电磁转矩，并驱动转子旋转。电能-机械能根据以

4、上电磁感应原理，异步电动机也叫感应电动机。 第8页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五第二节 交流绕组一、交流绕组的基本要求绕组：按一定规律排列和连接的线圈的总称。要求磁势和电势的波形为正弦波形；要求磁势和电势三相对称，三相电压对称；电力系统都有统一的标准频率，我国规定工业标准频率为50Hz。 在一定的导体数下，获得较大的基波电势和基波磁势。 二、常用的三相交流绕组单层（每槽只有一个线圈边）：单层链式、单层同心式、单层交叉式、等元件式。双层（每槽有二个线圈边，分上、下两层放置） ：双层叠绕组、双层波绕组。第9页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五第二节 交流

5、绕组（续）三、交流绕组的特点三相对称绕组；每相绕组的匝数（线径）相同，互差1200空间电角度，嵌放在铁芯槽内（每相漏阻抗相等）通入电流是三相对称电流：每相电流的最大值（有效值）相等，互差时间电角度（产生的感应电势也为三相对称）。所以，绕组与时间和空间量有关。第10页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五四、交流绕组的构成原则均匀原则：每个极域内的槽数（线圈数）要相等，各相绕组在每个极域内所占的槽数应相等 。每极槽数用极距表示 每极每相槽数q 对称原则：三相绕组的结构完全一样，但在电机的圆周空间互相错开1200电角度。 如槽距角为，则相邻两相错开的槽数为1200 /。电势相加原则

6、：线圈两个圈边的感应电势应该相加；线圈与线圈之间的连接也应符合这一原则。 如线圈的一个边在N极下，另一个应在S极下。第11页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五元件(线圈)第12页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五 五、交流绕组的连接规律 1、与绕组连接有关的名词术语（1）电角度磁场每转过一对磁极，电势变化一个周期，称为360电角度。在电机中一对磁极所对应的角度定义为360电角度。（几何上，把一圆周所对应的角度定义为360机械角度。）磁极对数为p圆周机械角度为360电角度为 =p机械角度第13页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五（2）相

7、带为了三相绕组对称，在每个极面下每相绕组应占有相等的范围相带。每个极对应于180电角度，如电机有m相，则每个相带占有 电角度。三相电机m3，其相带为60，按60相带排列的绕组称为60相带绕组。每对极面所占范围均匀分为三等分，每个相带占有 120电角度，一般采用60相带第14页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五 60相带绕组把每对极所对应的定子槽等分为六个等分。依次称为a、c、b、a、c、b相带，各相绕组放在各自的相带范围内。第15页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五（3）每极每相槽数q每个极面下每相占有的槽数。已知总槽数Z、极对数p和相数m，则 q1分布

8、绕组q=1集中绕组整数槽绕组q为整数 一般为整数槽分布绕组。分数槽绕组q为分数 第16页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五（4）槽距角相邻两槽之间的电角度（每条槽对应的电角度）已知总槽数Z、极对数pp 360 =Z圆周的电角度第17页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五（5）极距相邻两磁极对应位置两点之间的圆周距离。 几何尺寸每极所对应的定子内圆弧长 设D为定子内圆直径。一般用槽数表示极距： 表示一个磁极的范围，用槽数来表示。 即基波磁场每极所对应的槽数。第18页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五第19页，共73页，2022年，5月20

9、日，5点27分，星期五（6）节距 y (跨距；槽中线圈两个圈边的宽度)表示元件（线圈）的宽度。元件放在槽内，其宽度可用元件两边所跨越的槽数表示。 第20页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五 2、交流绕组连接的七个步骤：（1）求极距；（2）取节距；（3）算相带q；（4）算槽距角；（5）画相带表或电势星形图；（6）连线圈和线圈组；（7）连单相绕组和三相绕组分析工具：槽导体电势星形图 或相带表。把电枢上各槽内导体按正弦规律变化的电势分别用矢量表示，构成一辐射星形图相距360度电角度，导体电势时间上同相位第21页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五三相单层绕组单层

10、每槽中只放置一层元件（线圈）边，元件（线圈）数等于槽数的一半，无需层间绝缘，结构和嵌线较简单。单层绕组只适用于10kW以下的小型异步电动机，其极对数通常是pl,2,3,4单层绕组通常有链式、交叉式和同心式、等元件式等几种不同排列方式。第22页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五单层绕组：构造方法和步骤分极分相: 将总槽数按给定的极数均匀分开（N,S极相邻分布）并标记假设的感应电势方向。 将每个极的槽数按三相均匀分开。三相在空间错开120电角度。连线圈和线圈组： 将一对极域内属于同一相的某两个圈边连成一个线圈（共有q个线圈，为什么？） 将一对极域内属于同一相的q个线圈连成一个线

11、圈组（共有多少个线圈组？） 以上连接应符合电势相加原则。连相绕组： 将属于同一相的p个线圈组连成一相绕组，并标记首尾端。 串联与并联，电势相加原则。连三相绕组： 将三个构造好的单相绕组连成完整的三相绕组 ； 接法或者Y接法。第23页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五例如：相数m3，极数2p4，槽数Z24每极每相槽数q 2槽距角 =30极距=Z/2p=24/4=6第24页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五第25页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五说明：属于a相8个槽，即l、2、7、8、13、14、19、20根据槽导体电势星形图，按电势相

12、加原则构成元件，每个元件都是整距，y=6槽，即每元件的跨距为6个槽，同为单层，每相每对极可以连接成一个元件组。2对极，每相2个元件组，1728，13一19一1420。元件组之间可串联或并联形成不同并联支路数单层绕组每相有p个元件组，如串联方式连接，则并联支路a1，相电势E=pEq，相电流IIc。每相功率PEIpEqIc。第26页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五* 连成三相绕组第27页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五一、链式绕组链式绕组适用于q=2，p1的小型异步电机。例如m3，p2，Z=24，q2，a=30第28页，共73页，2022年，5月20日，

13、5点27分，星期五链式绕组的每个元件都是短距。从相电势和磁势角度看具有整距性质第29页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五二、交叉式绕组交叉式绕组适用于q3的小型异步电机例如：m3，p=2，q3。 定子槽数Z=2mpq=232336 槽距角a=p360/Z=20第30页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五属于a相的元件有1、2、3、10、ll、12、19、20、21、28、29、30共12个元件边y=8y=7第31页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五210，311相连，是节距为8的（大）线圈1219相连，节距为7的（小）线圈2028，21

14、29相连，节距为8的大线圈301相连，节距为7的小线圈。依次二大一小交叉布置为交叉式绕组b相和c相的连接规律与a相完全一样，a=20，相间相差6个槽。如第2槽为a相首端，则b相首端是第8槽，c相首端是第14槽。第32页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五第33页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五三、同心式绕组对于pl的小型三相异步电动机和单相异步电动机，每极每相槽数q较大，采用同心式绕组嵌线第34页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五例如：m3，p=1，q4。则定子槽数Z=2mpq23l424，槽距角a15属于a相的有8个元件边，把1与1

15、2相连构成一个大线圈，2与11相连构成一个小线圈。这一大一小组成一个同心式线圈组。13与24相连，14与23相连组成另一同心式线圈组。然后把两个线圈组反向串联，以保证电势相加第35页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五属于a相的有8个元件边，把1与12相连构成一个大线圈，2与11相连构成一个小线圈。这一大一小组成一个同心式线圈组。13与24相连，14与23相连组成另一同心式线圈组。然后把两个线圈组反向串联，以保证电势相加第36页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五第37页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五在外形上有多种绕组型式：元件节距可

16、以整距、短矩或长短，合理选用绕组型式，可以节省铜线，简化工艺。分析相电势：采用槽电势星形图。绕组型式不同只不过是元件构成方式不同、导体连接先后次序不同，而构成绕组的导体所占的槽号是相同的，从每相电动势的角度来看，所有绕组都是属于两个相差180电角度相带内的导体组成，三相单层绕组的节距因数Kp（短距线圈电势与整距线圈电势之比）均为1，具有整距绕组性质。优点：绕组因数KN中只有分布因数Kd(线圈组合成电势有效值与各线圈电势代数和之比），基波绕组因数较高，无层间绝缘，槽利用率高。缺点：对削弱高次谐波不利，无法改善电势波形和磁势波形，漏电抗较大。使用：一般用于10kW以下小功率电机。（功率较大或对波形

17、要求较高的电机，通常采用双层绕组。）小结：三相单层绕组第38页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五优点（1）每槽内只有一个线圈边，无层间绝缘，下线方便，槽的利用率高。 （2）线圈数为槽数的一半，绕线及嵌线的工时少。缺点（1）不能利用短距来削弱电动势和磁动势中的高次谐波，因单层绕组虽线圈的节距可能是短距，但其线圈组的电动势始终是两个相邻1800相带内线圈边电动势的相量和，实质上与整距分布绕组完全相同，无短距的效果。 （2）同一槽内导体均属同一相，故槽漏阻抗较大。 单层绕组的最大并联支路数：amax=p 并联支路数是指线圈组是并联还是串联，视所选并联支路数a决定。 小结：三相单层

18、绕组的优缺点第39页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五三相双层绕组双层每槽中有两个元件边，分为上下两层放置。靠近槽口的为上层，靠近槽底部为下层。每个元件(线圈）均有一个边放在上层，一个边放在另一槽的下层，相隔距离取决于节距。元件（线圈数）的总数等于槽数，每相元件数即为槽数的三分之一。绕组展开图中：每槽上层圈边用实线，下层圈边用虚线，槽号加。第40页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五构造方法和步骤（举例：Z1=24,2p=4,整距,m=3)分极分相: 将总槽数按给定的极数均匀分开（N,S极相邻分布）并标记假设的感应电势方向； 将每个极域的槽数按三相均匀分开

19、。三相在空间错开120电角度。 连线圈和线圈组： 根据给定的线圈节距连线圈（上层边与另一槽的下层边构成一个线圈） 以上层边所在槽号标记线圈编号。 将同一极域内属于同一相的某两个圈边连成一个线圈（共有q个线圈，为什么？） 将同一极域内属于同一相的q个线圈连成一个线圈组（共有多少个线圈组？） 以上连接应符合电势相加原则 连相绕组： 将属于同一相的2p个线圈组连成一相绕组，并标记首尾端。 串联与并联，电势相加原则。 按照同样的方法构造其他两相。 连三相绕组 将三个构造好的单相绕组连成完整的三相绕组 接法或者Y接法 第41页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五例1：双层整距绕组设相数

20、m3，极数2p4，槽数Z24，则每极每相槽数q2，槽距角a30步骤：绘槽电势星形图或相带表。分相使各相电势最大，且三相电势对称绘绕组元件平面展开图 首先画出等距离的24根平行线段以表示槽号表示各元件的上层边。在实线近旁画出虚线以表示下层元件边。把各槽按顺序编号，取槽号作为上层边的代号，取槽号加注上标作为下层边代号。第42页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五整矩绕组：跨距y6，每个元件的上层边与下层边相距6个槽。例如第l槽的上层边应与第7槽的下层边接成一个元件。同理2-8，3-9，4-10，.相连，共计有24个元件。a相8个元件分成4个元件组，各元件组的连接规律为l-7-2-

21、8，7-13-8-14，13-19-14-20，19-1-20-2，分别用I、表示。第43页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五当磁场切割绕组时，该四个元件组的电势大小相等，I、组电势时间上同相，、IV组电势与I、组电势反相。各元件组可以串联、并联、或一半串联后再并联。相绕组可以有不同连接方式，当通以电流形成4极磁场。第44页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五并联支路数a通常大型电机电流较大，为了减少每个线圈的电流，需要取较大的并联支路数，而小型电机的电流较小，一般a=1。其实，从每相绕组的功率P来看： 第45页，共73页，2022年，5月20日，5点27

22、分，星期五2、双层短距绕组上例中取y5，每个元件跨5个槽，a相的4个线圈组，分别是l-6-2-7，7-12-8-13，13-18-14-19，19-24-20-l第46页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五短距时，在某些槽中，其上层圈边与下层圈边可能不属同一相，在这些槽中，上层与下层之间有较大电位差，应加强层间绝缘。短距时，对于同一相绕组的上、下层圈边之间错开了一个或几个槽距，大小正好是节距所短的距离，可用短距角表示，表示一个元件的上层导体电势和下层导体电势的相位差是180电角度，合成电势时应计及该因素（节距因数kp）。第47页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，

23、星期五第三节 正弦磁场下绕组的感应电势一、线圈电势二、线圈组电势三、绕组相电势1单层绕组2双层绕组第48页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五一、线圈的电势电势决定于磁场的大小与分布以及磁场与元件间的相对运动 设气隙磁场按正弦规律分布，则每极磁通 气隙磁场每转过一对磁极，线圈中的电势便经历一个周期。电势的频率用每秒转过的磁极对数表示。 极对数p，转速n (r/min)，则频率第49页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五t=0,元件匝链一个磁极的全部磁通第50页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五1、整距线圈中的感应电势 设线圈匝数为Nc，感

24、应电势的瞬时值为有效值第51页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五第52页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五线圈中的感应电势 一个圈边为一个导体，两圈边感应电势的方向相反（相差1800）。 两圈边电势的有效值相等。第53页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五整距线圈 导体a（一个圈边为一个导体）与导体a相距一个极距，即180电角度， 线圈电势为ea=Balv= Bmlvsint第54页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五2、短距线圈 导体a与导体a相距非一个极距（差一短距角） 元件电势为EaEa-EaEaa第55页，共7

25、3页，2022年，5月20日，5点27分，星期五短距线圈电势：短距元件的电势小于整距元件的电势设短距角为电角度，每线圈电势Ec的有效值节距因数Kp表示由于短距关系使短距线圈的电动势比整距线圈的电动势小些，应打Kp折扣。第56页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五二、线圈组（Eq)电势电机采用分布绕组，每线圈组有q个线圈，线圈组电势即为q个元件的电势之和。通常各元件匝数相等，所以各元件电势的幅值相等，由于各元件空间位置依次相位差 电角度，各元件电势的时间相位差也为 角度。第57页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五q=3的元件组第58页，共73页，2022年，

26、5月20日，5点27分，星期五分布因数 kd线圈组各电势的相量和与代数和的比值第59页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五线圈组电势绕组因数kN=kdkp，反映分布和短距对电势的影响 Ncq为一个线圈组串联匝数。第60页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五三、绕组的相电势1单层绕组每对极每相有一个线圈组p对极电机，每相有p个元件组，可以串联、并联或混合连接。如有a条并联支路，则每相电势为 单层绕组每相串联匝数第61页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五绕组的相电势2双层绕组每对极每相有2个线圈组p对极电机，每相有2p个元件组，可以串联、并连

27、或混合连接。有a条并联支路 双层绕组每相串联匝数第62页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五每相绕组串联匝数设每槽导体数为S，对单层绕组Nc=S，双层Nc=S/2N为每相实有串联匝数NkN为每相绕组有效串联匝数，kN反映绕组因采用短距和分布而使每相电势减小的程度。第63页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五感应电势与绕组匝链磁通的相位关系 即感应电势在时间上滞后磁通 90。 变压器：主磁通幅值本身随时间变化旋转电机：气隙磁密波大小不随时间变化，但磁场与线圈之间相对运动，因而线圈中交链的磁通随时间而变化。第64页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，

28、星期五绕组因数计算举例电机每极下有9槽，试计算下列情况下的绕组分布因数（1）绕组分布在9槽中；（2）绕组占每极2/3槽（即120相带）；（3）三个相等绕组分布在60 相带中。解：由题中条件，即q=9（1）绕组分布在槽中，则槽距角为分布因数解：（2）120 相带，q=6，q=120 ， =20 分布因数 解：（3）三相绕组60 相带，q=9/3=3，q=60 ， =20 分布因数 第65页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五第四节 非正弦磁场下绕组的感应电势以三相凸极同步电机为例磁场是由转子电流激励产生的。 气隙磁通密度实际是一个平顶波，可分解出基波和各奇次谐波(由于对称性) 基波磁场和各次谐波磁场均随转子而旋转。在定子绕组中不仅感应基波电势，还感应有各次谐波电势。第66页，共73页，2022年，5月20日，5点27分，星期五1NNNSSSSSSSSNNNNN第67页，共73页，2022年，5月20日，5点2