电机与拖动第6章

电机与拖动第六章交流电机电枢绕组的电动势和磁动势1/12/20231背景介绍交流旋转电机同步电机：主要用作发电机

异步电机（感应电机）：主要用作电动机2背景介绍同步电机与异步电机的区别主要体现在励磁方式和运行特性两个方面。两类电机虽然存在着很大差别，但是电机内部发生的电磁现象和机电能量转换的原理却基本上是相同的，因此存在许多共性的问题，可以统一起来进行研究。本章主要讨论交流电机电枢绕组、电动势及磁动势等问题。这些问题对以后分别研究异步电机和同步电机的运行性能有着重要的意义。3本章主要内容6.1

交流电机的基本原理6.2

交流电机电枢绕组6.3

交流电机电枢绕组的电动势6.4

交流电机电枢绕组的磁动势4第六章6.1

交流电机的基本原理5交流电机的基本原理同步发电机的基本工作原理槽电动势星形图6交流电机的基本原理同步发电机的基本工作原理基本结构ABCNSn1磁极励磁绕组定子绕组7交流电机的基本原理同步发电机的基本工作原理实际凸极同步发电机的气隙磁密接近正弦分布，各相绕组感应电动势为正弦波，可用相量表示。N8交流电机的基本原理同步发电机的基本工作原理对于2极电机来说，转子每旋转一周，导体电动势就经历一个完整的周期，感应电动势的频率f等于转子的转速（r/s），感应电动势的频率同步于电机的机械速度。ABCNSn19交流电机的基本原理同步发电机的基本工作原理对于4极电机来说，转子每旋转一周，导体电动势就经历2个完整的周期，感应电动势的频率f等于2倍转子的转速（r/s）。NNSSNSNS360°机械角度10交流电机的基本原理同步发电机的基本工作原理通过以上分析可以发现，每当转子转过一对磁极，定子导体中的感应电动势就经历一个完整的周期；如果电机有p对极，则每当转子转过一周，即转过p对磁极时，导体中的感应电动势就经历p个完整的周期，感应电动势的频率等于p倍的转子的转速（r/s）。11交流电机的基本原理同步发电机的基本工作原理若转子的转速为同步转速n1（r/min），则感应电动势的频率为12交流电机的基本原理同步发电机的基本工作原理我国电网的标准频率为50Hz，所以磁极对数p与同步转速n1之间的关系是固定的p1234n1(r/min)30001500100075013交流电机的基本原理同步发电机的基本工作原理在多极电机中，一定要把机械角度与电工角度区分清楚。电角度＝p×机械角度14交流电机的基本原理槽电动势星形图交流电机电枢绕组既有感应电动势问题，又有电流产生磁动势问题，这是电枢绕组里同时存在的电磁现象的两个方面。安排电枢绕组时，如果能够满足感应电动势的要求，磁动势的要求也一定能够得到满足。从交流电机能产生三相对称基波感应电动势出发来安排三相电枢绕组，当该电枢绕组接到对称三相交流电源时，就可产生旋转的磁动势。15交流电机的基本原理槽电动势星形图由前面的同步发电机基本工作原理可知，三相感应电动势对称，即三相感应电动势幅值相等，相位互差120°电角度。为了产生一组幅值相等的三相感应电动势，三相绕组的匝数必须相等。为了产生一组三相在时间上相差120°电角度的感应电动势，必须至少有3个在空间相差120°电角度的线圈。16交流电机的基本原理槽电动势星形图由于交流绕组内的感应电动势通常为正弦交流电动势，故可用相量来表示和运算。当把电枢上各槽内导体按正弦规律变化的电动势分别用相量来表示时，这些相量构成一个辐射星形图，称为槽电动势星形图。17交流电机的基本原理例6-1图中一台三相同步发电机定子槽内导体沿圆周分布情况，已知极数2p=4，槽数Z=36，试绘出槽电动势星形图。N1N2S1S2n12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353618交流电机的基本原理图中，相邻两槽间的距离以电角度表示时，称为槽距电角度，以表示。由于整个电枢圆周为360°机械角度，以电角度计算时，一对极距范围就等于360°电角度。当电机有p对极时，则电枢圆周应为p×360°电角度。因此，槽距电角度对于本例来说19交流电机的基本原理由于各槽在空间彼此互差电角度，因此各导体电动势在时间相位上也彼此互差电角度。于是，假设1号槽的导体电动势以相量1表示，则在图示的转子转向下，2号槽的导体电动势相量2比相量1滞后20°。同理，相量3比相量2滞后20°。依此类推，就可绘出槽电动势星形图。20交流电机的基本原理槽电动势星形图123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536ABC20°21交流电机的基本原理从图可见，19、20、21……相量与1、2、3……相量分别重合，这是由于它们在磁极下分别处于对应的位置，所以他们的感应电动势同相位。22交流电机的基本原理根据交流绕组基本要求，三相绕组的电动势必须对称，因此，必须把定子槽内的导体平均分配到三相绕组中去。利用槽电动势星形图分相可以保证三相绕组电动势的对称性。所谓分相，就是在星形图上划分各相所属槽号。分相的原则是使每相电动势最大，且三相电动势对称。23交流电机的基本原理分相方法120°相带法60°相带法24交流电机的基本原理120°相带法123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536ABC20°25交流电机的基本原理60°相带法123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536ABC20°ZXY26交流电机的基本原理60°相带法

以A相为例，由于q=3，A相在每个极下应占有三槽。在第一对极距范围内，如果在S1极下将1、2、3三个槽划归A相，在旁边标以字母A，如图6.6所示，为了使每相合成电动势最大，则应把N1极下的10、11、12三个槽也划归A相，标以字母X。类似地把第二对极距范围内的19、20、21和28、29、30等六个槽也划归A相。27交流电机的基本原理60°相带法

同理，为了使三相绕组对称，应将距A相120°处的7、8、9、16、17、18和25、26、27、34、35、36等划归B相。而将距A相240°处的13、14、15、22、23、24和31、32、33、4、5、6等划归C相。28交流电机的基本原理60°相带法

上述分相的特点是把每极下的电枢表面分为三等分，每相占一等分，故称每一等分为一个相带。由于一对磁极的范围是360°电角度，每个磁极的范围便是180°电角度，每一相带相当于180°/m=180°/3=60°电角度，故称为60°相带。29第六章6.2

交流电机电枢绕组30交流电机电枢绕组交流绕组的基本要求绕组产生的电动势和磁动势接近正弦波；三相绕组的基波电动势和磁动势必须对称；在导体数一定时能获得较大的基波电动势和磁动势；绕组用铜量少，绝缘性能和机械强度可靠，散热条件好；制造工艺简单，检修方便。31交流电机电枢绕组交流绕组的分类按相数分：单相、两相、三相和多相绕组；按槽内层数分：单层绕组、双层绕组和单双层绕组；按每极每相槽数分：整数槽绕组和分数槽绕组；按槽内层数分：单层绕组和双层绕组。32交流电机电枢绕组双层绕组所谓双层绕组是指沿槽深方向有上、下两层线圈边的绕组。双层绕组又分为叠绕组和波绕组。由于一个线圈有两个圈边，因此对于双层绕组来说，电机线圈总数等于定子槽数。33交流电机电枢绕组单层绕组所谓单层绕组是指沿槽深方向只有一层线圈边的绕组。单层绕组又分为等元件式、同心式和交叉式绕组等。单层绕组每槽只有一个线圈边，所以电机线圈总数等于槽数的一半。34交流电机电枢绕组三相双层叠绕组例6-2若已知并联支路数a=1，试绘制例6-1中电机的三相双层叠绕组展开图。解：（1）选择线圈节距为了改善电动势、磁动势波形，一般采用短距线圈。对于本例123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536ABC20°ZXY槽35交流电机电枢绕组（1）选择线圈节距选择节距y1=7槽，这意味着当一个线圈的一个边位于第1槽上层时，它的另一个边就在第8槽的下层。（2）绘制槽电动势星形图123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536ABC20°ZXY36交流电机电枢绕组（2）绘制槽电动势星形图在双层绕组中，上层线圈边的电动势星形图与下层边的电动势星形图是相似的，其差别在于下层边的电动势相量相对于其对应的上层边的电动势相量位移了电角度。将各线圈上层边的电动势相量减去其对应的下层边的电动势相量就构成了所有线圈的电动势星形图。在该电动势星形图中，相邻两线圈的电动势相量的相角差仍然是。37交流电机电枢绕组（2）绘制槽电动势星形图假定所有线圈以上层边来编号，并与槽号一致，则槽电动势星形图与线圈电动势星形图一致，

所不同的是单位相量所代表的电

动势的值变了，但对于画展开图无影响。（3）分相按60°相带法分相。123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536ABC20°ZXY38交流电机电枢绕组（4）确定并联支路由槽电动势星形图可见，每个线圈组的合成电动势大小相等，相位相同或相反。本例中选取并联支路数a=1，为了使整个绕组的电动势相加，只需将各线圈组感应电动势顺向串联起来，即线圈组串联时采用“尾接尾，头接头”的规律，这样就连成了A相绕组。1－2－310－11－1219－20－2128－29－30AX39交流电机电枢绕组（5）绘制绕组展开图根据线圈的联接情况，可以画出A相绕组展开图。

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36AX40交流电机电枢绕组（5）绘制绕组展开图将A相绕组右移120°电角度（即6槽），可得到B相绕组。

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36BY41交流电机电枢绕组（5）绘制绕组展开图将A相绕组右移240°电角度（即12槽），可得到C相绕组。

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36CZ42交流电机电枢绕组a=21

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35AX43交流电机电枢绕组a=4AX1

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3544交流电机电枢绕组一般而言，对于双层绕组有以下关系成立：绕组最大并联支路数=极数=线圈组数45交流电机电枢绕组综上所述，三相双层叠绕组具有如下特点：线圈总数=定子槽数=Z；假设每个线圈有个线匝，线匝总数=；每相线圈组数=2

p

；并联支路数a最小为1，最大为2p

；每相绕组每条支路串联线匝数。

46交流电机电枢绕组三相单层叠绕组例6-3若已知并联支路数a=1，试绘制例6-1中电机的三相单层叠绕组展开图。解：（1）绘制槽电动势星形图对于三相双层绕组，电动势星形图一根相量代表一个线圈的电动势；对于三相单层绕组，电动势星形图一根相量代表一根导体的电动势。123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536ABC20°ZXY47交流电机电枢绕组（2）分相、构成线圈按照槽电动势星形图分相，共分为A、B、C、X、Y、Z六个相带。将A相带中导体1与X相带中的导体10构成一个线圈就实现了与的反向串联，同理将2与11、3与12分别构成线圈，将这3个线圈串联得到A相带第1个线圈组。用同样的方法可以构造出第2个线圈组的3个线圈19与28、20与29、21与30。1－2－310－11－1219－20－2128－29－3048交流电机电枢绕组（3）确定并联支路数几条支路并联的条件是各条支路电动势相量相等。根据槽电动势星形图和单层绕组导体联接图，A相两个线圈组电动势相量相等。这两个线圈组可以作为两条支路并联（a=2），当然也可以串联成为一条支路（a=1）。49交流电机电枢绕组（3）确定并联支路数若选定并联支路数a=1，则根据槽电动势星形图，A、B、C三相绕组联接顺序如下：

A―1，10―2，11―3，12―19，28―20，29―21，30―XB―7，16―8，17―9，18―25，34―26，35―27，36―YC―13，22―14，23―15，24―31，4―32，5―33，6―Z

也就是说，将A相绕组整体右移120°电角度即6个槽，即得到B相绕组；将A相绕组整体右移240°电角度即12个槽，即得到C相绕组。50交流电机电枢绕组（4）画出三相绕组展开图根据导体联接图，将所有导体连接成一条支路，得到三相单层绕组的A相展开图（等元件绕组）。AX1

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3551交流电机电枢绕组一般而言，对于单层绕组有以下关系成立：绕组最大并联支路数=极对数=线圈组数52交流电机电枢绕组绕组具体连接时，应该使端部尽可能短，以节省用铜量，同时也应考虑工艺方便。由于各线圈边连接的先后次序并不影响电动势的大小，所以在例6-3中，根据星形图划分的各相槽号，可以合理地改变每相12个线圈边的联接法，而得到交叉式和同心式两种绕组展开图。53交流电机电枢绕组三相单层交叉式绕组的A相绕组展开图

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3554交流电机电枢绕组三相单层同心式绕组的A相绕组展开图

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3555交流电机电枢绕组与等元件绕组比较，交叉式和同心式绕组只改变了同一相中各线圈边电动势相加的先后次序，这不会影响电动势的大小。同时，每相都有相同数目的不同节距的线圈，所以各相绕组的阻抗也是相等的，因此，交叉式和同心式绕组也是三相对称绕组。56交流电机电枢绕组交叉式绕组的引线比等元件绕组的短，端部排列比较均匀，便于制造和散热，常用于10kW以下的感应电机中。同心式绕组主要用在10kW以下的两极感应电机和单相感应电机中，因为在此情况下，与其他形式绕组比较，同心式绕组的平均端接长度缩短了，而且重叠层数较少，便于布置。57交流电机电枢绕组综上所述，三相单层叠绕组具有如下特点：线圈总数=；假设每个线圈有个线匝，线匝总数=。每相线圈组数=p；并联支路数a最小为1，最大为p；每相每条支路串联线匝数。58交流电机电枢绕组叠绕组的优点是可以选择最有利的节距，并同时采用分布绕组，来改善电动势和磁动势的波形；所有线圈具有同样的尺寸，便于制造；端部形状排列整齐，有利于散热和增强机械强度。缺点是线圈组之间的连接线较长，在多极电机中这些连接线用铜量很大。叠绕组的线圈一般为多匝线圈，主要用在10kW以上的中、小型同步电机和感应电机以及大型同步电机的定子绕组中。59交流电机电枢绕组单层绕组的优点是槽内只有一个线圈边，下线比较容易，没有层间绝缘，槽利用率较高。我国10kW以下的感应电机大多采用单层绕组。其缺点是不象双层绕组那样能灵活地选择线圈节距来削弱谐波电动势和磁动势，并且漏电抗也较大。60第六章6.3

交流电机电枢绕组的电动势61交流电机电枢绕组的电动势分析交流电机电枢绕组的电动势，对于认识交流电机机电能量转换有着非常重要的意义。由于交流电机的电枢绕组具有类似的结构，为便于理解，先以一台交流发电机为例进行分析，所得结论也适用于其他交流电机。62交流电机电枢绕组的电动势分析时以凸极同步发电机的定子绕组为例，从导体电动势开始，逐步引伸到整距匝电动势、短距匝电动势、短距线圈电动势、线圈组电动势和相电动势，所得结论同样适用于感应电机。63交流电机电枢绕组的电动势导体电动势N64交流电机电枢绕组的电动势导体电动势N65交流电机电枢绕组的电动势匝电动势、短距系数和线圈电动势NS66交流电机电枢绕组的电动势匝电动势、短距系数和线圈电动势对于整距线匝67交流电机电枢绕组的电动势匝电动势、短距系数和线圈电动势对于短距线匝68交流电机电枢绕组的电动势匝电动势、短距系数和线圈电动势对于短距线匝

（短距时匝电动势）（整距时匝电动势）1112ctyEEk=69交流电机电枢绕组的电动势匝电动势、短距系数和线圈电动势由于线圈内的各匝电动势同相、同大小，所以当线圈有Nc匝时，线圈电动势等于匝电动势乘以Nc，即70交流电机电枢绕组的电动势线圈组电动势和分布系数以三相4极36槽的绕组为例，其槽距电角度和每极每相槽数分别为

71交流电机电枢绕组的电动势线圈组电动势和分布系数AB72交流电机电枢绕组的电动势线圈组电动势和分布系数（q个分布线圈的合成电动势）（q个集中线圈的合成电动势）AB73交流电机电枢绕组的电动势线圈组电动势和分布系数ABkN1称为绕组基波系数，它表示同时考虑了短距和分布影响时，线圈组电动势应打的折扣。74交流电机电枢绕组的电动势相电动势把一相所串联的线圈组电动势相加便得到相电动势。如果每相有a条并联支路，则a条支路的电动势应同大小、同相位，以免产生环流。这时相电动势等于每一支路的电动势。在一般情况下，每条支路所串联的各线圈组的电动势都是同大小、同相位，可以直接相加，因此无论双层绕组还是单层绕组，相电动势为75交流电机电枢绕组的电动势相电动势由于双层绕组有2p个线圈组，单层绕组有p个线圈组，故当并联支路数为a时，对于双层绕组，每相绕组的串联匝数为对于单层绕组，每相绕组的串联匝数为76交流电机电枢绕组的电动势以上讨论的是在正弦波磁场下的绕组电动势。需要说明的是，在实际电机中，由于磁极的励磁磁动势在气隙中产生的磁场并非是正弦波，因此在定子绕组内感应的电动势也并非正弦波，除了基波外还存在一系列奇次谐波。谐波磁场在定子绕组中感应的高次谐波电动势频率为根据各次谐波电动势的有效值，可以求得相电动势的有效值

77交流电机电枢绕组的电动势正常情况下高次谐波电动势对相电动势大小的影响很小，主要影响电动势的波形。若高次谐波电动势较大，会使发电机本身的杂散损耗增大，温升增高，串入电网的谐波电流还会干扰通信，因此要尽可能地削弱谐波电动势，以使发电机发出的电动势接近正弦波.78交流电机电枢绕组的电动势削弱谐波电动势的方法主要有以下几种:使气隙中磁场分布尽可能接近正弦波。对于凸极同步电机，把气隙设计得不均匀，使磁极中心处气隙最小，而磁极边缘处气隙最大，以改善磁场分布情况。对于隐极同步电机，可以通过改善励磁线圈分布范围来实现。采用对称的三相绕组，消除3次谐波，以及3的倍数的奇次谐波。采用短距绕组，使某一次谐波的短距系数为零或很小，以达到消除或削弱该次谐波的目的。采用分布绕组。79第六章6.4交流电机电枢绕组的磁动势80交流电机电枢绕组的磁动势对于交流电机来说，无论是发电机还是电动机，当电枢绕组流过电流时，都要产生磁动势。三相交流电机的每相绕组在定子上的空间位置不一样，它们流过的交流电流的相位也不相同，产生的磁动势的大小、波形和性质等，都需要分析。在分析电枢绕组产生的磁动势时，先讨论简单的一个线圈产生的磁动势，接着依次讨论线圈组、单相绕组和三相绕组的磁动势。81单相绕组的磁动势单个整距线圈磁动势XA0展开剖开AXA082单相绕组的磁动势单个整距线圈磁动势一对极整距线圈的基波磁动势为

83单相绕组的磁动势单个短距线圈磁动势00（a）（b）84单相绕组的磁动势单个短距线圈磁动势一对极短距线圈的基波磁动势为

85单相绕组的磁动势单层线圈组磁动势86单相绕组的磁动势单层线圈组磁动势整个单层短距分布线圈组基波磁动势的最大值为

87单相绕组的磁动势单相绕组磁动势由于绕组磁动势是用每一个气隙所消耗的磁动势来描述的，所以，相绕组的磁动势并不是指整个相绕组的安匝数，而是指气隙中的合成磁动势，也就是每一对磁极下对应的合成磁动势。单相绕组在每对磁极下产生的磁动势就等于每对磁极下线圈组所产生的磁动势。88单相绕组的磁动势单相绕组磁动势对于单层绕组，一对磁极对应一个线圈组。单层绕组一相磁动势基波幅值为89单相绕组的磁动势单相绕组磁动势对于双层绕组，一对磁极对应两个线圈组，因此双层线圈组磁动势应为单层线圈组磁动势的两倍。双层绕组一相磁动势基波幅值为90单相绕组的磁动势单相绕组磁动势由以上分析，不论电机绕组是单层还是双层，单相基波磁动势的幅值表达式是一样的。也就是说，不论电机绕组是单层还是双层，单相基波磁动势的表达式都是91单相绕组的磁动势脉振磁动势的分解依照三角恒等式有等式的左右两边在数值上相等，但它们所代表的意义却不同。等式左边代表着脉振磁动势，其特征是磁动势的轴线在空间固定不动，各点磁动势的大小则随着时间而变化；但等式的右边则分别代表着两个旋转磁动势。92单相绕组的磁动势脉振磁动势的分解它可以看成是一个余弦分布的向着正方向前进的旋转磁动势。磁动势的幅值为一定值，当这个磁动势旋转时，其幅值顶点的轨迹为一