电机学 第2篇 共同理论

1、2020/7/3,河海大学 电气学院,1,电机学 第二篇 交流电机的共同理论,2020/7/3,河海大学 电气学院,2,第二篇 交流电机的共同理论,第六章 交流电机绕组及其感应电动势,第七章 交流绕组的磁动势,第八章 电机的发热和冷却,第六章 交流电机的绕组及其电势,第一节 交流电机的基本作用原理,第二节 交流绕组,第三节 绕组的感应电动势,第四节 谐波电动势及其削弱方法,序,2020/7/3,河海大学 电气学院,4,序,交流电机： 异步电机 同步电机 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（后面将详细讨论）。 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

2、转速n0：异步电机,2020/7/3,河海大学 电气学院,5,第一节 工作原理、分类、结构,先讲结构 后讲原理,2020/7/3,河海大学 电气学院,6,一、基本结构,定子与转子两大部分 1 定子 固定不动的部分 铁芯、绕组、机坐 (1) 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,2020/7/3,河海大学 电气学院,7,(2) 定子绕组 线圈 按一定规律放 单层绕组、双层绕组 (3) 机坐,2020/7/3,河海大学 电气学院,8,定子铁心,2020/7/3,河海大学 电气学院,9,定子绕组,对称三相绕组。,3.2 三相异步电动机的基本结构,2020/7/3,河海

3、大学 电气学院,10,2.转子 同步机与异步机转子不一样 铁芯 外表面开槽 绕组,2020/7/3,河海大学 电气学院,11,3.2 三相异步电动机的基本结构,三相笼型异步电动机的结构,转子,定子,风扇,冷空气流,罩 壳（非驱动端）,端盖（驱动端）,2020/7/3,河海大学 电气学院,12,二、同步电机,定子绕组：对称三相绕组 转子：励磁绕组 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,2020/7/3,河海大学 电气学院,13,异步电机原理在第九章讨论 直流电机原理在第十六章讨论,2020/7/3,河海大学 电气学院,14,横截面

4、,流出,流入,异步电机原理 旋转磁场,2020/7/3,河海大学 电气学院,15,U V W,i1 = Imsin t i2 = Imsin( t120O) i3 = Imsin( t120O),i1 i2 i3, t = 0O 时 i1 = 0，i2 0， i3 0,N S,2020/7/3,河海大学 电气学院,16,t = 0O 时 i1 = 0，i2 0， i30,N S,t = 120O 时 i10，i2 = 0，i3 0,2020/7/3,河海大学 电气学院,17,N S,t = 240O 时 i1 0，i20，i3 = 0,t = 360O 时 i1= 0，i2 0，i30,N S

5、,2020/7/3,河海大学 电气学院,18,i 变化一周 i 每秒钟变化 50 周 i 每分钟变化 (5060) 周,旋转磁场转一圈 旋转磁场转 50 圈 旋转磁场转 3000 圈,(2) 旋转磁场的转速 n0, 同步转速,n0 = 3000 = 60 f1 (r / min) 同步转速 n0 的大小怎样改变？,2020/7/3,河海大学 电气学院,19,每相绕组由 一个线圈组成,每相绕组由两个 线圈串联组成,2020/7/3,河海大学 电气学院,20,t = 0O 时 i1 = 0，i2 0， i3 0,N,S,N,S,磁极对数 p p = 2 电流变化一周 旋转磁场转半圈 n0 = 1

6、500,当磁极对数 p = 3 时 n0 = 1 000,2020/7/3,河海大学 电气学院,21,三、异步电机工作原理 （可以放在第九章讨论）,1. 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,2020/7/3,河海大学 电气学院,22,2. 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： 若TL = T0TLT时，失去平衡= 转速n =

7、转差 = “切割”速度=E2 =I2 =T =直到TT0TL，自动重新平衡,2020/7/3,河海大学 电气学院,23,第二节 交流绕组,作用： 通入电流磁场（电动机） 磁场与定子绕组切割电势电流（发电机） 分类（类型） 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,2020/7/3,河海大学 电气学院,24,交流绕组的基本述语,电角度与机械角度 机械角度:电机圆周在几何上分成360 电角度:电势变化一个周期(360电角度) 关系: 相带：每极面下每相绕组所占范围（60度） 每极每相槽数： 槽距角：相邻两槽之间的角度

8、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（跨距）：线圈宽度 y =称为整距， 称为长距,2020/7/3,河海大学 电气学院,25,相带与电势星形图,2020/7/3,河海大学 电气学院,26,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.,2020/7/3,河海大学 电气学院,27,绕组展开图,表示定子绕组的联结关系 主要两种：单层、双层 画法： 计算极距 每极每相槽数 计算相带数、分相带 相带数=总槽数/q 或 =极数*3 即：6p 构成线圈 构

9、成线圈组（极相组） 构成相绕组：反相串联 （不同极面下线圈组的电流方向相反）,2020/7/3,河海大学 电气学院,28,三相单层绕组（了解）,每槽只有一个线圈边,结构和嵌线较简单,适用于10kv以下的小型交流电机. 分类： 链式绕组： 交叉式绕组： 同心式绕组：,2020/7/3,河海大学 电气学院,29,例：Q1=24，2p=4,2020/7/3,河海大学 电气学院,30,20,三相单层等元件绕组的原理（p=2） 线圈连接顺序,2020/7/3,河海大学 电气学院,31,三相双层绕组,每绕组两有效边 每槽有上下两个线圈边（属于不同的线圈） 整距、短距绕组 例：Q1=24，2p=4 =24/

10、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-Y,2020/7/3,河海大学 电气学院,32,三相双层绕组（短距）,（复制到画笔中讲，特别是极相组的连接）,2020/7/3,河海大学 电气学院,33,并联支路数,条件:不改变和极相组内的电流方向,2020/7/3,河海大学 电气学院,34,关于绕组一些概念复习,一根导体（一匝线圈的一个有效边） 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（每相）,2020/7/3,河海大学 电气学院,35,例：某

11、交流电机定子绕组，Q1=24,2p=4,y=5/6，a=2,Ny=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,2020/7/3,河海大学 电气学院,36,第三节、三相定子绕组的电动势 （以三相同步电机为例）,2020/7/3,河海大学 电气学院,37,1、整距绕组的电动势,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) Ny 线圈匝数 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

12、”,2020/7/3,河海大学 电气学院,38,2、短距绕组的电动势,2020/7/3,河海大学 电气学院,39,2、短距绕组的电动势,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 或：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：短距线圈时的感应电动势与整距时的感应电动势相比需打的折扣。,2020/7/3,河海大学 电气学院,40,3、线圈组的电动势,分布绕组 各个线圈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：,2020/7/3,河海大学 电气学院,41,4 .相电

13、势 (1)并联支路数与每相串联匝数,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Ny匝线圈 2pqNy匝线圈 2p个线圈组可串联、并联（视需要） 并联支路数：a 每相串联匝数： 单层绕组：,2020/7/3,河海大学 电气学院,42,(2) 相电势,双层绕组 P100例,2020/7/3,河海大学 电气学院,43,电机的磁场并不完全为正弦分布（空间） 付氏分解：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：,谐波电动势,2020/7/3,河海大学 电气学院,44,5、线电势,由三角形、星形接法决定（基波） 注意：线电势中

14、不含3k次谐波电势（因同相位）,2020/7/3,河海大学 电气学院,45,第四节 谐波电势的减小,1. 波形畸变率： 2. 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）,2020/7/3,河海大学 电气学院,46,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：对应的更小，所以具有明显的抑制作用。,2020/7/3,河海大学 电气学院,47,例：E1100,E3=30,E5=20,E7=10 则谐波系数为 若各谐波电动势的绕

15、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 则谐波系数为,2020/7/3,河海大学 电气学院,48,思考题： 64，65，66 习题： 62，63，67,2020/7/3,河海大学 电气学院,49,第七章 磁动势、磁场,2020/7/3,河海大学 电气学院,50,一、单相绕组的磁势-脉振磁势,1、整距绕组磁势 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：,2020/7/3,河海大学 电气学院,51,一、单相绕组的磁势-脉振磁势,傅立叶分解：,2020/7/3,河海大学 电

16、气学院,52,一、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,2020/7/3,河海大学 电气学院,53,2、线圈组的磁势 集中绕组与分布绕组 q个线圈，相位不同： 其中：分布系数,2020/7/3,河海大学 电气学院,54,3、短距绕组 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，则 其中：短距系数 短距角,2020/7/3,河海大学 电气学院,55,4、相绕组磁势 最后得：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,2020/7/3,河海大学 电

17、气学院,56,谐波磁势（了解）,类似得谐波磁势 其中,2020/7/3,河海大学 电气学院,57,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。,单相绕组的磁通势的性质,2020/7/3,河海大学 电气学院,58,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 每个的幅值为均为原来的12 转速相同、转向相反,2020/7/3,河海大学 电气学院,59,二、三相绕组的磁势,单相绕组通入单相电流脉振磁场 三相绕组中流过三相电流三个脉振磁场 三相共六

18、个旋转磁势：,2020/7/3,河海大学 电气学院,60,六个旋转磁势合成 三个正向磁势相加为原来的三倍； 三个反向磁势彼此相差120度，相加（合成）为零。 基波： 幅值： （积化和差增加一个系数：1/2）,2020/7/3,河海大学 电气学院,61,旋转磁势的性质,由 知： 是旋转磁势 既是空间函数、又是时间函数 转速： 幅值大小不变 某相电流达最大，旋转磁势幅值将转到该相绕组轴线处。 改变电流序，转向相反。,2020/7/3,河海大学 电气学院,62,如B、C相对调： 即： 所以：,关于：改变电流相序，转向相反,2020/7/3,河海大学 电气学院,63,幅值： 但2k次谐波磁势幅值为零（

19、空间互差120度） 转速： 转向：,关于谐波磁势（一般了解）,2020/7/3,河海大学 电气学院,64,第四节 不对称三相电流流过对称三相绕组的基波磁势,2020/7/3,河海大学 电气学院,65,不对称电流分析：、0 正序电流正向旋转磁势: f+ 序序电流反向旋转磁势: f 星形绕组：相电流中无 I0，所以无f0 f+与f-： 大小不一定相等； 转速相同； 转速相等 椭圆形旋转磁势,2020/7/3,河海大学 电气学院,66,当FF_时，脉振磁势 当F、F_之一为零时，园形旋转 一般情况： FF_，但均不为零，椭圆形旋转磁势,2020/7/3,河海大学 电气学院,67,习题教程中的重点习题

20、 CH1：2,3,4,6,7,9,10,12 CH2：1,2,4,5,6,11,15,16,19,25,26,27,29,31,32,33,36,40,42,47 CH3: 2,3,5,9,10,11,15,16,24,34,35 CH4: 1,2,3,16,18,24,28(看懂) CH5:1,2,6,7,8,11,12,17 (看懂) CH6: 911选一，19,20,23/25,33,35,38 CH7: 1,2,3,5,7,8,10,14/16/17,18(看懂),19,2020/7/3,河海大学 电气学院,68,本篇要点：,1. 磁动势及磁场 一个整距线圈的磁势 分解：基波磁动势、谐波磁动势（了解） 短距、分布的影响：空间矢量相加乘相短距系数、分布系数 短距、分布的作用：削弱谐波 基波分量虽略有减少，但谐波磁通势可大大削弱。 脉振磁通势：单相绕组磁通势为脉振磁通势 旋转磁通势：三相绕组磁通势为旋转磁通势,2020/7/3,河海大学 电气学院,69,2. 旋转磁通势 三相绕组磁通势为旋转磁通势 脉振磁势可以分解为两个大小相等、旋转方向相反的旋转磁通势。 对称的三相绕组中三