第二篇交流电机的共同理论问题.ppt

1、第6章交流电动机的电枢绕组和电动势6.1交流电动机的基本要求和分类6.1.1基本要求：我们以前已经讨论过电动机的分类，其中很大一部分是由交流电动机组成的。交流电机包括同步电机和异步电机。虽然同步电动机和异步电动机在工作原理和结构上有许多不同，但它们之间有许多相似之处，如交流绕组的组成及其感应电动势和磁动势。因此，在本章中，我们将重点讨论交流电机的常见问题。类似于变压器，绕组是交流电机能量转换的必要条件。虽然交流绕组有多种形式，但其基本功能是相同的，即感应电动势、传导电流和产生电磁转矩，因此其组成原理基本相同。一般来说，交流绕组有以下基本要求： (1)在一定数量的导体下，有一个合理的最大绕组合成

2、电动势和磁动势。(2)各相的相电动势和相磁动势波形尽可能接近正弦波，即要求尽量减小其高次谐波分量。(3)对于三相绕组，每相的电动势和磁动势应对称(大小相等，相位相差120)，三相阻抗也应相等。(4)绕组用铜量少，绝缘性能和机械强度可靠，散热条件好。(5)绕组的制造、安装和维护应方便。6.1.2绕组：的分类由于交流电机应用广泛，不同类型的交流电机对绕组有不同的要求，所以交流绕组的种类很多。主要分类方法如下：(1)根据槽内层数，可分为单层绕组和双层绕组。其中，单层绕组可分为链式绕组、交叉绕组和同心绕组；双层绕组可分为层叠绕组和波形绕组。(2)根据相数，可分为单相、两相、三相和多相绕组。(3)根据每

3、极每相的槽数，可分为整数槽和分数槽绕组。虽然交流绕组的种类很多，但由于三相双层绕组能更好地满足交流绕组的基本要求，现代电力交流电机一般采用三相双层绕组。6.2槽电动势星形图，6.2.1相关概念介绍： (1)极对数：指电机主磁极的对数，通常用p表示。(2)电角度：在电机理论中，我们称一对主磁极所占的空间距离为360。(3)机械角度：圆的真实空间角度是360度的机械角度。显然，电角度=对数机械角度。(4)槽距角：两个相邻槽之间的距离用电角度表示，称为槽距角。(5)极距：极距是指电机主磁极在电枢表面的长度。表示方法有很多，如可用槽数：空间长度(6)每极每相槽数：在交流电机中，每极每相的平均槽数q是一

4、个重要参数，如槽数z、极数p和相数m。那么，q=1的绕组称为集中绕组，q1的绕组称为分布绕组。6.2.2槽电动势星形图：当电枢中各槽导体的电动势按正弦规律变化时，用相量表示，这些相量形成辐射星形图，这是分析交流绕组的有效方法。让我们用下面的具体例子来说明它。示例：下图显示了定子槽导体沿三相同步发电机电枢内圆周的分布。已知2p=4，电枢槽的数量Z=24，并且转子磁极逆时针旋转。试着画一个槽电动势的星形图。解决方法：首先计算槽距角：假设同步电机转子磁极磁场的磁通密度按照正弦规律沿电机气隙分布，当电机转子逆时针旋转时，均匀分布在定子圆周上的导体切断磁力线，产生电动势。因为槽导体不同因此，112相量与

5、1324相一致。一般来说，当用相量表示每个槽导体的感应电动势时，由于一对磁极下有Z/P槽，所以一对磁极下的Z/P槽的电动势相量在3600范围内均匀分布，形成电动势星形图。6.3三相单层绕组和双层绕组，3360定子或转子每个槽中只有一个线圈侧的三相交流绕组定义为三相单层绕组。1.相关概念： 1。线圈(元件):它是绕组的基本元件，由Nc匝串联而成。嵌入槽中的线圈部分称为有效线圈侧，线圈侧之间的连接部分称为端部。如图所示：Y1:线圈的第一节距，通常用槽数来表示。y1=，则该线圈称为全程线圈，y1为长距离。2.单层绕组：三相交流绕组在每个槽中只包含一个线圈侧，因此线圈数量是槽数量的一半。三相单层绕组适

6、用于10KW以下的小型交流异步电动机，很少用于大中型电动机。3.分类：根据线圈形状和端部连接方式的不同，三相单层绕组主要分为链式、同心式和交叉式。本文介绍了一个相关的概念：分相：由于绕组是三相绕组，有必要将每个槽导体分成三相，并在槽电动势星形图上划分每相的槽数。相分离的原理是使每相的电动势最大化，三相的电动势彼此对称。三相绕组一般采用60相法，即槽电动势星形图分为六等份，每等份称为一个相带，依次为A、Z、B、X、C、Y，如下所示：双层绕组：是指电机的每个槽分为上下两层，线圈(元件)的一侧嵌在一个槽的上层，另一侧放在另一个有一定槽数的槽中。双层绕组的线圈结构与单层绕组相似，但由于两个线圈边可以放

7、在一个槽中，所以双层绕组的线圈数和槽数正好相等。根据双层绕组的线圈形状和连接规律，三相双层绕组可分为两类：叠绕组和波形绕组。下面仅描述堆叠绕组。重叠式绕组：任何两个相邻的线圈彼此“紧密重叠”，因此称为重叠式绕组。双叠片绕组的主要优点是：1)可以灵活选择线圈间距，改善电动势和磁动势波形；2)所有线圈的节距和形状相同，便于制造；3)可以获得更多的平行分支；4)短距离线圈可用于最终节省铜。主要缺点是：1)很难插入电线，尤其是电机的最后线圈；2)线圈组之间连接多，极多时铜消耗量大。一般来说，10KW以上的中小型同步电动机、异步电动机和大型同步电动机的定子绕组都采用双层绕组。接下来，我们将通过具体的例子

8、来说明叠片绕组的绕制方法。三相交流电机Z=24，2p=4，试画出三相双叠片绕组的展开图，a=2。解决方法：首先计算：(2)画出电动势星形图；(3)分相；(4)绘制绕组展开图：将同一个磁极下属于同一个相带的线圈依次连接成一个线圈组，在A相可以得到四个线圈组，分别为1-2、7-8、13-14和19-20。同样，b相和c相分别有四个线圈组。四个线圈组的电动势相等，但同相的两相带中线圈组的电动势相反。在交流电机中，通常要求电机绕组中的感应电动势随时呈正弦变化，这就要求电机气隙中的磁场沿空间呈正弦分布。很难获得完全严格的正弦波磁场，但是可以采用各种结构参数来使磁场尽可能接近sin1.导体电动势：当气隙磁

9、场的磁通密度B按正弦波在空间分布时，其最大磁通密度为Bm1，那么：be Bm1当导体切断气隙磁场时：其中：导体电动势的有效值为：由于正弦波磁通密度的平均值为：每极磁通为：全部纳入上述公式：这是导体中的电动势，让我们展开来看看线圈中的电动势。线圈电动势和短距离系数：线圈一般由Nc匝组成，当Nc=1时，为单匝线圈。1.单圈：称为全程线圈。如图所示，由于全节距匝的两个有效边的感应电动势的瞬时值大小相等，方向相反，所以全节距匝的感应电动势为：y1=，其有效值为：对于短距离线圈，有效边感应电动势的相位差基于短距离匝的电动势：y1，其有效值为：ky1称为线圈的短距离系数，其大小为3366。由于线圈中每匝电

10、动势相同，大小相等，当线圈匝数为Nc时，整个线圈的电动势为：6.5.3线圈组电动势及分布系数：当线圈离线时，以线圈组为基础，在每极(双层绕组)或每对极(单层绕组)下串联有Q个线圈，形成一个线圈组， 所以线圈组的电动势等于Q系列线圈电动势的相量和，Ey1=NcEt1=4.44Ncky11，现在我们以三相四极36槽交流绕组为例进行分析。 此时，每极的槽数和槽距角的相位可以由如下图所示的计算参数得到：从图中可以看出，线圈组电动势的有效值为：在公式中，当q=1，kq1=1时，称为集中绕组。线圈电动势的有效值为eq1=4.44 qncky1q 1 f 1=4.44 qnckn 1 f 1，其中KN1=K

11、1k 1 q 1称为绕组系数，它考虑了由短距离和分布引起的线圈电动势的降低程度。6.5.4相电动势和线电动势：我们知道多极电机中的每个相绕组由一系列不同极的线圈组组成，这些线圈组可以串联或并联。此时，绕组的相电动势等于由该相的每个并联支路串联的线圈组的电动势之和。如果各相绕组的串联匝数(即各并联支路的总匝数)为N，各相并联支路的数量为A，则相电动势为：6.5.5感应电动势与绕组所铰接的磁通量的相位关系：6.6非正弦分布磁场下电动势的高次谐波及其削弱方法，6.6.1磁极磁场非正弦分布引起的谐波电动势：一般来说，在同步电机中，磁极磁场不能是正弦波。例如，在凸极同步电动机中，磁极的磁场通常沿着电动机

12、的电枢表面是平顶的，如图所示。它不仅与水平轴对称，而且与磁极的中心线对称。基波和一系列奇次谐波可以用傅里叶级数分解得到，三次和五次谐波分别如图所示。因为基波和高次谐波都是空间波，所以磁密波也是空间波。对于五次谐波磁场，极数是基波的v倍，极距是基波的1/v。谐波磁场随着转子的旋转形成旋转磁场，其旋转速度与基波相同，基波是转子的旋转速度n。因此，定子绕组中谐波磁场感应的电动势频率为0，从比较公式(6-15)中可以得到五次谐波电动势的有效值，所以在计算出各次谐波电动势的有效值后，相电动势的有效值应为：6.2.2磁场非正弦分布引起的谐波电动势的削弱方法有很多不利影响。(2)增加电机本身的附加损耗，降低

13、效率，增加温升；(3)增加为了最大限度地减少上述问题，应采取措施削弱电动势中的高次谐波，使电动势波形接近正弦。方法如下：(1)气隙磁场沿电枢表面的分布尽可能接近正弦波形。(2)利用三相对称绕组的连接，消除线性电动势中的三次和多次奇次谐波电动势。(3)利用短距离绕组削弱高次谐波电动势。(4)利用分布式绕组削弱高次谐波电动势。(5)利用斜槽或分数槽绕组削弱齿谐波电动势。削弱齿谐波电动势的方法有：用斜槽削弱齿谐波电动势。通过分数槽绕组和第七章交流绕组的磁动势，我们知道电机是一种基于电磁感应原理的机电能量转换装置，这种能量转换必然涉及磁场。因此，要研究电机，必须研究和分析电机中磁场的分布和特性。无论是

14、定子磁动势还是转子磁动势，它们的性质取决于产生它们的电流的类型和分布，而气隙磁的一般规律不仅与磁动势的分布有关，还与通过有关。同步电动机的定子绕组和异步电动机的定子和转子绕组都是交流绕组，其中的电流是随时间变化的交流电流。因此，交流绕组的磁动势和气隙磁通不仅是时间的函数，也是空间的函数。然而，为了简化分析过程，我们做了如下假设：(1)绕组中的电流随时间按照正弦规律变化(实际上，只考虑绕组中的基波电流)；(2)槽中的电流集中在槽的中心；(3)转子为圆柱形，气隙均匀；(4)磁心是不饱和的，磁心中的磁电压降可以忽略不计(即磁动势被认为落在气隙上)。在分析中，我们将依次分析单相单层单节距线圈、单相绕组

15、和三相绕组的磁动势。7.1单相绕组的脉冲振动磁动势7.1.1单线圈(元件)的磁动势：线圈是绕组最基本的单元，所以磁动势的分析从线圈开始。由于全距线圈的磁动势比短距线圈的磁动势简单，我们首先分析全距线圈的磁动势。如图所示：从图中可以看出，电机中每个磁通路径所包围的电流等于Ncic，其中Nc是线圈的匝数，ic是流经导体的电流。由于忽略了磁心上的磁电压降，总磁动势Ncic可视为落入两个气隙，每个气隙的磁动势为Ncic/2。展开(a)以获得如图(b)所示的磁动势波形。从图中可以看出，整个节距线圈的磁动势在空间上呈矩形波分布，其最大振幅为Nci/2。当线圈中的电流随时间正弦变化时，矩形波的振幅也随时间正

16、弦变化。从这个观点来看，这种磁动势与空间位置和时间都有关。我们称之为磁动势，它的空间位置是恒定的，其振幅随时间脉冲磁动势而变化。如果流经线圈的电流为0，气隙中的磁动势为0。通常，每个线圈组总是由放置在相邻槽中的Q线圈组成。如果加入不同空间位置的q矩形波，合成波形会发生变化，给分析带来困难。因此，为了便于分析，我们一般将矩形磁动势波形分解成一系列正弦基波和高次谐波，然后在不同的槽中加入基波磁动势和谐波磁动势。由于正弦波磁动势加入后仍然是正弦波，磁动势的分析可以简化。矩形波用傅里叶级数分解。如果坐标原点在线圈的中心线上，横坐标取自空间电角度，则可以得到基波和一系列奇次谐波(因为磁动势是奇次函数)，如图所示。磁动势因此，整个距离线圈的磁动势瞬时值的表达式为：如果横坐标从电角度变为距离x，显然是=(/)x，那么：从上述分析可以得出以下结论：整个距离线圈产生的