汽车电机及驱动技术 课件 第5章 交流电机绕组和磁场

交流电机绕组和磁场第5章5.1汽车交流电机的原理和结构5.1.1电动势的产生5.1.2交流电机结构l.转子通电的励磁绕组5产生磁场，通过两块爪极3和转子铁心4把轴向的磁场引导到定子所在的径向上。转子铁心也称为磁轭，磁轭和两块爪极压装在带有滚花工艺的转子轴上。磁场绕组的两引出线分别焊接在与轴绝缘的两个铜制滑环上，两个电刷与滑环接触，将直流电源引入磁场绕组。2．定子发电机的定子是发电机实现动能转化为电能的关键部分，又称为电枢，其作用是发电，它由定子铁心和对称的三相电枢绕组组成。定子铁心由冲压的内侧带槽的环状硅钢片叠加后焊接或者铆接而成，各硅钢片之间用绝缘漆绝缘。3.整流器交流发电机的整流器也可称为整流桥，作用是把发电机发出的三相交流电变为直流电。整流器由6只硅二极管和组成。整流桥由上桥板、下桥板、上整流管、下整流管和连线、螺栓等附件组成，正负极板之间有绝缘材料绝缘。4.端盖端盖的作用是固定电机本身和电机零部件的位置。交流发电机的前后端盖由铝合金铸成，铝合金为非导磁材料，可减少漏磁，并具有重声量轻、散热性好的优点。5．电刷组件在后端盖内装有电刷组件，电刷组件包括电刷、电刷架和电刷弹簧。电刷架有两种形式，一种是外装式，从发电机的外部拆下电刷弹簧盖板即可拆下电刷；另一种是内装式，需拆开发电机后才能拆下电刷。6．风扇、皮带轮为提高发电机的效率、减小发电机的体积，现在的发电机多在转子爪极两侧安装两个风扇叶片，这样空气由发电机转子的两侧进入，从发电机定子绕组外侧流出，拥有两个通风道，冷却效果好，又称为双风道内风扇发电机。5.2交流电机的绕组5.2.1交流绕组基本理论交流绕组有多种分类方法。按相数可分为单相、两相、三相和多相绕组；按槽内层数可分单层、双层绕组、单双层绕组和混合绕组，双层绕组又分为叠绕组和波绕组，单层绕组又分为交叉式、同心式和链式等；按每极每相槽数可分为整数槽和分数槽绕组。虽然交流绕组种类较多，但它们的构成原则基本相同，基本要求是：1）电动势和磁动势波形要接近正弦波，在一定导体数下力求获得较大基波电动势和基波磁动势。2）三相绕组的电动势和磁动势必须对称，电阻和电抗要平衡。3）绕组铜耗小，用铜量少。4）绝缘可靠，机械强度高，散热条件要好，制造和嵌线方便。1.电角度与机械角度

电机中，若磁场在空间按正弦波分布，则经过一对极后磁场变化一个周期。电路理论中认为一个周期为360°电角度，因此电机理论中将一对极所对应的空间角度定义为360°电角度。电角度=p×机械角度2.节距一个线圈的两个边所跨的定子槽数称为节距，用y1表示，y1

应接近极距τ

。用槽数表示时，极距τ定义为3.槽距角用电角度表示的相邻两槽之间的距离称为槽距角，用α表示.4.相带

为保证电枢三相绕组产生大小相等、相位差120°的对称电动势。为了使绕组对称，通常令每个极面下每相绕组所占的范围相等，这个范围称为相带。由于一个极对应180°电角度，若电机相数为m，则每个相带的宽度为180°/m，通常三相电机的相带为60°电角度，按60°相带排列的绕组称为60°相带绕组。5.每极每相槽数

每相在每极下占有相等的槽数，即每个相带所占有的槽数，称为每极每相槽数，用q表示5.2.2三相单层绕组

1.同心式

同心式绕组由不同节距的同心线圈组成，下面以2极、三相、24槽电机为例说明。每极每相槽数为相带AZBXCY一对极23，24，1，23，4，5，67，8，9，1011，12，13，1415，16，17，1819，20，21，222.链式绕组链式绕组的各个线圈具有相同的节距，各个线圈之间的连接是一环套一环，从外形看如同铁索链，因此被称为链式绕组。链式绕组的节距恒为奇数。下面以6极、三相、36槽电机为例说明。其每极每相槽数为相带AZBXCY第一对极36，12，34，56，78，910，11第二对极12，1314，1516，1718，1920，2122，23第三对极24，2526，2728，2930，3132，3334，353.交叉式绕组

交叉式绕组是从链式绕组演变而来的，采用不等距线圈。下面以4极、三相、36槽电机为例说明，每极每相槽数为相带AZBXCY第一对极35，36，12，3，45，6，78，9，1011，12，1314，15，16第二对极17，18，1920，21，2223，34，2526，27，2829，30，3132，33，345.2.3三相双层绕组1．双层绕组的特点双层绕组在每一个槽内有上、下两个线圈边，每个线圈的一个边嵌放在某一个槽的上层，另一个边则嵌放在另一个槽的下层，两者之间相隔y1个槽。1）线圈尺寸和形状相同，便于制造。2）端部形状排列整齐，有利于散热和增加机械强度。3）可以利用短距绕组节约铜材。4）合理选择节距和采用分布的方法，可以改善电动势和磁动势波形。2.槽电动势星形图和相带划分交流电机的分析可以借助于槽电动势星形图。相邻两槽在空间上相距α

电角度，因而对应的导体内的感应电动势相差α电角度。当把各槽内导体按正弦规律变化的感应电动势用相量表示时，这些相量构成一个辐射星形图，称为槽电动势星形图可以清晰地表示各槽内导体电动势之间的相位关系，据此可划分相带和绘制绕组展开图。3.槽电动势星形图的绘制

根据已知数据，求得每极每相槽数q和槽距角α分别为因各槽在空间互差20°电角度，所以相邻槽中导体的感应电动势在时间上相差20°电角度。将1号槽内电动势的相位设为0°，则2号槽内电动势滞后于1号槽内电动势20°。依此类推，一直到18号槽滞后1号槽360°，经过了一对极，在槽电动势星形图上正好转过一周。19号槽与1号槽完全重合，因为它们在磁极下处于对应的位置，所以它们的感应电动势同相位。从19号至36号槽，又经过了一对极，在电动势星形图上又转过一周。一般来讲，对于每极每相整数槽绕组，如电机有

对极，则有

个重叠的槽电动势星形。

相带AZBXCY第一对极1，2，34，5，67，8，910，11，1213，14，1516，17，18第二对极19，20，2122，23，2425，26，2728，29，3031，32，3334，35，363.绕组展开图的绘制

绕组展开图的绘制是根据分相的结果，把属于各相的导体按一定规律连接起来，组成对称三相绕组。根据线圈的形状和连接规律的不同，双层绕组也可分为叠绕组和波绕组两类。叠绕组的优点是短距时能节省端部用铜及得到较多的并联支路，缺点是线圈组间连接线较长，在线圈组较多时浪费铜材，主要用于10kW以上的交流电机定子绕组。5.2.4发卡绕组即使圆线绕组在定子槽内排列非常紧密，两根绕组之间的接触面从剖面图来看也仅为点接触，而发卡绕组中绕组横截面为长方形，绕组之间的接触为面接触，面积比较大。因此发卡绕组的槽满率较高，进而它具有更大的电负荷和功率密度。5.3正弦磁场下交流绕组的感应电动势5.3.1导体的感应电动势导体的感应电动势主极磁场在气隙空间内按正弦分布，可以近似为2.感应电动势的频率导体中感应电动势的频率与转子的转速和磁极的极数有关，若电机为2极电机，转子转一周为一个周期，感应电动势交变一次，设转子每分钟转n转(即每秒

转)，则导体中电动势交变的频率应为

，若电机有p对极，则转子每旋转一周，感应电动势将交变p次，感应电动势的频率为3.导体感应电动势有效值5.3.2整距线圈的感应电动势5.3.3短距线圈的感应电动势当线圈采用短距时感应电动势应为5.3.4线圈组的电动势因每极下（双层绕组）或每对极下（单层绕组）每相有一个线圈组，每个线圈组由q个线圈串联组成，相邻线圈在空间相差α电角度。5.3.5相电动势和线电动势电机有2p个极，这些极下属于一相的线圈组根据需要串联或并联起来组成一相绕组。由电路理论可知，把一相中所串联的线圈组电动势相加即为一相的电动势，将每相串联总匝数简写为N，则一相绕组的电动势为5.4交流发电机工作特性l.空载特性空载特性是指发电机空载时，发电机端电压U与发电机转速n之间的关系。即：负载电流

时，

曲线。2．外特性外特性是指发电机转速一定时，发电机的端电压与输出电流之间的关系。即：n=C时，

的曲线。发电机在某一稳定的转速下的Rz为一定值，如果E是稳定的，则发电机的端电压U将随输出电流增大而呈直线下降。