第08章-交流电机的共性问题.ppt

1、-1-,第8章 交流电机的共性问题,电机及拖动基础,8.1 交流电机的电枢绕组,8.2 电枢绕组的感应电动势,8.3 电枢绕组的磁动势和旋转磁场,8.4 交流电机的磁场分析,-2-,引 言 交流电机包括异步电机和同步电机两大类，虽然这两类电机的运行性能有着很大的不同，但它们在定子电枢绕组的基本构成、感应电动势、磁动势和旋转磁场的基本理论等方面有着许多共同的地方，所以在分别介绍异步电机和同步电机原理之前，先就交流绕组和交流电机的共性问题进行探讨。,第8章 交流电机的共性问题,-3-,8.1 交流电机的电枢绕组,交流电机的定子是由硅钢片叠压而成的，在定子铁心内圆周上冲有若干定子槽，三相电枢绕组嵌放

2、在定子槽中。三相电枢绕组是对称分布的，它们匝数相等，在空间互差120电角度。,第8章 交流电机的共性问题,-4-,8.1.1 常用术语 1. 绕组元件 与直流电机一样，交流电机的绕组也是由线圈按照一定规律连接而成的，因而称线圈为绕组元件，它也有单匝与多匝之分。 2. 极距 极距是指沿定子铁心内圆每个磁极所占的范围，可用长度或槽数来表示，即,第8章 交流电机的共性问题,（8-1）,-5-,3. 节距 槽中线圈的两根有效边之间所跨的槽数称为节距，用符号y表示。线圈的节距 y 一般等于或小于极距，如果 y = ，称为整距线圈；如果 y ，则称为短距线圈。 4. 机械角度与电角度,第8章 交流电机的共

3、性问题,-6-,5. 槽距角 槽距角是指相邻两槽之间的电角度，用符号表示，即,第8章 交流电机的共性问题,（8-3）,6. 每极每相槽数 为了确保三相绕组的对称性，每相绕组在每磁极下应占有相等的槽数，该槽数称为每极每相槽数，用符号q 表示，即,（8-4）,-7-,7. 相带 为了确保三相绕组的对称性，每相绕组在每磁极下应占有相等的区域，这个区域常用电角度表示，称为相带。由于每极所对应的电角度是180， 对三相电机而言，每个相带将占有60电角度。 8. 槽电势星形图 当把槽中各线圈的导体按正弦规律变化的电动势分别用相量表示时，这些相量将构成一个辐射状的星形图，称为槽电势星形图。由槽距角的定义可知

4、，相邻两槽中的导体在空间上互差电角度，反映到时间上就是相应的导体感应电动势互差电角度。,第8章 交流电机的共性问题,-8-,槽电势星形图反映了定子槽中导体感应电动势之间的相位关系，是交流绕组分相（在星形图上划分各相所属槽号）的基本依据。,第8章 交流电机的共性问题,-9-,交流电机电枢绕组的分类比较复杂： 按照线圈节距 y，可分为整距绕组和短距绕组； 按照每极每相槽数 q，可分为整数槽绕组和分数槽绕组； 按照槽内嵌放导体的层数，可分为单层绕组和双层绕组。 下面简要介绍三相单层绕组和三相双层绕组的绕制方法。,第8章 交流电机的共性问题,-10-,8.1.2 三相单层绕组,第8章 交流电机的共性问

5、题,-11-,在图8-4中，如果N极下导体的感应电动势方向向上， 则S极下导体的感应电动势方向向下， 组成A相绕组的8根导体是顺着电动势方向串联起来的。实际上，只要将这8根导体顺着电动势方向串联起来就行， 至于串联的先后次序是无关紧要的， 并不影响合成电动势的大小和相位。 根据这个原则，可以得到其它的绕组型式。 图8-4b称为同心式绕组， 图8-4c称为链式绕组。 同心式绕组制造工艺简单，而链式绕组由于线圈节距较短，比较省铜。 单层绕组的优点是结构简单，但缺点是当导线较粗时， 绕组端部排列困难，所以只在小容量电机中使用。 当电机容量较大，导线较粗时，为了端部排列整齐，下线方便， 一般采用双层绕

6、组。,第8章 交流电机的共性问题,-12-,8.1.3 三相双层绕组,第8章 交流电机的共性问题,-13-,对比图8-5与图8-4可知，双层绕组的线圈组数等于磁极数，是单层绕组的两倍。 在双层绕组中， 线圈的尾边可以放在任何一个槽的下层，这样非常便于短距绕组的设计。 短距绕组可以节约材料并改善电动势波形，所以现代交流电机大都采用双层短距绕组。 从以上介绍可以看出，槽电势星形图是分析交流绕组的一个有效方法， 不仅可以分析三相单层绕组和三相双层绕组，还可以分析比较复杂的绕组， 如分数槽绕组、变极调速绕组、多相绕组（六相、十二相等）。,第8章 交流电机的共性问题,-14-,8.2 电枢绕组的感应电动

7、势,设在交流电机定、转子之间的气隙中存在着旋转磁场，该磁场可以是定子或转子单独产生，也可以是定、转子共同产生。旋转磁场的基波分量在气隙空间按正弦规律分布，其转速为n1，称为同步转速。,第8章 交流电机的共性问题,-15-,根据电磁感应定律，旋转磁场将切割定、转子绕组，并在绕组中产生感应电动势。按照交流绕组的基本构成，先讨论一根导体的感应电动势，再讨论线圈及线圈组的感应电动势，最后讨论电枢绕组的感应电动势。 8.2.1 导体的感应电动势 在图8-6中，画出了定子A相绕组的一个线圈A-X，下面从波形、频率和大小三个方面分析导体A中的感应电动势。 1. 感应电动势的波形 根据电磁感应定律，位于磁场中

8、的导体其感应电动势的瞬时值为,第8章 交流电机的共性问题,（8-5）,-16-,对于现有的电机，导体的长度和导体切割磁场的速度都是一定的，导体中的感应电动势与导体切割到的磁通密度成正比，所以感应电动势的波形取决于磁通密度的波形。显然，磁通密度在空间是正弦分布的（图8-6b），对应地感应电动势在时间上也是正弦分布的，如图8-7 所示。,第8章 交流电机的共性问题,-17-,2. 感应电动势的频率 由图8-6可见，当磁场旋转过一对极时， 导体A中的感应电动势将变化一个周期。当磁场旋转一圈转过 np 对极时， 导体A中的感应电动势将变化 np 周期。 旋转磁场的转速是 n1， 其单位是r/min，表

9、示磁场旋转n1圈的时间是60s，所以感应电动势en的频率为,第8章 交流电机的共性问题,（8-6）,赫兹（Hz）,-18-,每极磁通,3. 感应电动势的大小 设气隙磁通密度的最大值为B，则感应电动势en的最大值为,第8章 交流电机的共性问题,（8-8）,（8-6）,（8-7）,（8-9）,（8-10）,感应电动势有效值,-19-,8.2.2 线圈的感应电动势 一匝线圈由两根导体连接而成，根据线圈节距与电机极距的大小关系，可以分为整距线圈（y =）和短距线圈（ y ）。 下面分别讨论这两种线圈的感应电动势。 1. 整距线圈的感应电动势,第8章 交流电机的共性问题,-20-,2. 短距线圈的感应电

10、动势,第8章 交流电机的共性问题,基波短距因数，其值总是小于1，表示线圈短距后感应电动势对比整距时应打的折扣。,-21-,在交流绕组中采用短距线圈后，线圈中的感应电动势比整距时虽然有所减小，但是有利于改善旋转磁场的波形，使之更接近于正弦，同时在旋转磁场作用下的感应电动势也更接近于正弦，这些都有利于电机性能的改善。 8.2.3 绕组的感应电动势 绕组是将若干个线圈组串联或者并联而构成的，所以下面先讨论线圈组的感应电动势。 1. 线圈组的感应电动势 不论是单层绕组还是双层绕组，每一线圈组都是由q个线圈串联而成的，并且这些串联线圈分别安置在相邻的槽中， 在空间依次相隔槽距角，由此构成的绕组即为分布绕

11、组， 如图8-10a所示。,第8章 交流电机的共性问题,-22-,绕组因数,第8章 交流电机的共性问题,分布因数，其值也总是小于1，表示分布绕组感应电动势对比集中绕组应打的折扣。,-23-,2. 绕组的感应电动势 上式中的qNy是线圈组q个串联线圈的总匝数，如果每相绕组的总串联匝数为N1，则每相绕组的感应电动势就是,第8章 交流电机的共性问题,（8-24）,对于单层绕组,对于双层绕组,-24-,第8章 交流电机的共性问题,8.3 电枢绕组的磁动势和旋转磁场 如果交流电机的定子电枢绕组通入三相对称的交流电流，将产生一定的磁动势及磁场。下面首先分析单相电枢绕组的磁动势，然后讨论三相电枢绕组的合成磁

12、动势及磁场。 8.3.1 单相电枢绕组的磁动势 1. 整距集中绕组的磁动势 图8-11a所示是一台两极电机的示意图。在定子上画出了一相的整距集中绕组，当线圈中通过电流时，便产生了一个两极磁场。显然，磁场的强弱取决于定子线圈匝数Ny和线圈电流iy的乘积Nyiy，即磁动势fy 。,-25-,第8章 交流电机的共性问题,（8-27）,任何瞬间单相电枢绕组的磁动势在空间以矩形波分布，矩形波的高度随时间按正弦规律变化。这种在空间位置固定，而大小随时间变化的磁动势称为脉振磁动势。,-26-,第8章 交流电机的共性问题,对图8-11b所示的矩形波磁动势沿圆周进行傅里叶分解，可以得到相应的基波分量,（8-28

13、）,基波分量的幅值,定子内表面的圆周距离,2. 整距分布绕组的磁动势 如图8-12a所示，由q个整距线圈串联所构成的线圈组是最简单的整距分布绕组，每个线圈所产生的基波磁动势在空间按正弦规律分布，可以用空间相量来表征，这些空间相量之间的相位差应该就是线圈之间的位移角，即槽距角。,-27-,第8章 交流电机的共性问题,分布因数,-28-,3. 双层短距分布绕组的磁动势 图8-13a所示是双层短距分布绕组的展开图，同一相线圈的上、下层导体要错开一个距离， 这个距离刚好就是线圈节距所缩短的电角度。 从绕组电流产生磁场的角度看，合成磁动势的大小及波形只取决于导体电流的大小和方向以及导体的分布情况，而与导

14、体之间的连接次序无关。因此，可以将所有上层导体看成是一个的整距分布绕组，而将所有下层导体看成是另一个的整距分布绕组。如图8-13b所示，这两个绕组的基波磁动势大小相等，相位差为电角度 。,第8章 交流电机的共性问题,-29-,第8章 交流电机的共性问题,短距因数,-30-,4. 单相绕组的磁动势 为了使公式简明并使用方便，一般采用绕组相电流I 和每相串联总匝数N1来计算磁动势。设绕组的并联支路数为a，则线圈电流Iy=I/a；另外，对于双层绕组， 由式（8-26）可知线圈匝数Ny=aN1/(2npq)。 把这两个关系式代入上式， 可得单相绕组基波磁动势的幅值,第8章 交流电机的共性问题,绕组因数

15、,-31-,上式对于单层绕组同样适用。这样，单相绕组基波磁动势的完整表达式为,第8章 交流电机的共性问题,（8-31）,该磁动势的轴线在空间固定不动，而振幅不断地随时间做正弦变化。,-32-,8.3.2 三相电枢绕组的合成磁动势 通过合理布置定子槽中的三相电枢绕组，能够有效地减小气隙中的磁动势谐波。可以认为每相电枢绕组产生的磁动势在空间是正弦分布的，并且三相磁动势在空间互差120电角度。三相电枢绕组的基波磁动势为,（8-32）,第8章 交流电机的共性问题,-33-,根据三角函数的积化和差公式，上式可以写为,将上式中三相电枢绕组磁动势相加，得到合成基波磁动势,第8章 交流电机的共性问题,-34-

16、,图8-14说明 是一个幅值恒定、正弦分布的行波。 由于 表示三相电枢绕组基波合成磁动势沿气隙圆周的空间分布，所以它是一个沿气隙圆周旋转的行波，其相对于定子的速度是,第8章 交流电机的共性问题,同步速度,相应的波长,-35-,可见，定子A、B、C三相绕组的磁动势均可以分解为两个大小相等、转向相反的旋转磁动势。正向旋转的磁动势相位相同，其合成磁动势的幅值是每相正转磁动势幅值的3倍，而反向旋转的磁动势相位互差120，其合成磁动势为零。 一个三相对称绕组通入三相对称电流时，所产生的一定是个圆形的旋转磁场。这个概念不仅可以用上面的数学手段来证明，还可以进一步用图8-15来解释。设三相电流为,（8-37

17、）,第8章 交流电机的共性问题,-36-,第8章 交流电机的共性问题,右手螺旋定则,-37-,8.3.3 旋转磁场的基本特点 1）三相对称绕组通入三相对称电流所产生的三相基波合成磁动势是一个旋转行波， 合成磁动势的幅值是单相电枢绕组脉振磁动势幅值的3/2倍。同理可以证明，对于m相对称绕组通入m相对称电流，所产生的基波合成磁动势也是一个旋转行波，其幅值为每相脉振幅值的m/2倍。 2）根据旋转磁场的行波性质，旋转磁场的电角速度和机械转速为,上式表明，旋转磁场的转速n1仅与电源频率f1和电机极对数np有关，称为同步转速。,第8章 交流电机的共性问题,-38-,3）从图8-15可见，旋转磁场的旋转方向

18、是从电流超前的相转向电流滞后的相，即合成磁动势的轴线是从A相转到B相，再从B相转到C相。因此要改变旋转磁场的方向，只要改变电枢绕组的相序即可，也就是将连接到电源的三相绕组的3根接线中的任意2根对调就可以了； 4）从图8-15还可以看出，当某相电流达到最大时，旋转磁动势的波幅刚好转到该相绕组的中心线上。,第8章 交流电机的共性问题,-39-,8.4 交流电机的磁场分析 8.4.1 交流电机的主磁通 当交流电机的定子绕组通入三相对称电流时， 便在气隙中建立基波旋转磁动势，同时产生相应的基波旋转磁场。 与基波旋转磁场相对应的磁通称为主磁通，用m表示。由于旋转磁场是沿气隙圆周的行波，而气隙的长度是非常

19、小的， 所以相应的主磁通实际上是与定、转子绕组同时相交链的， 这也是判断主磁通的重要依据。 主磁通又称为气隙磁通， 交流电机就是依靠气隙磁通来实现定、转子之间的能量转换的。,第8章 交流电机的共性问题,-40-,电机的磁场分布可以用计算机仿真的方法来模拟，目前有一些专用的磁场分析软件，如ANSYS，也可以利用MATLAB软件。图8-16所示就是采用MATLAB的有限元工具箱建立的一个交流凸极电机的磁场仿真模型，当电机转子通以励磁电流，并假定定子电流为0时，其磁场分布如图8-17所示。,第8章 交流电机的共性问题,-41-,交流电机主磁通经过的路径为：气隙定子齿定子轭定子齿气隙转子齿转子轭转子齿气隙，这与直流电机相类似。,第8章 交流电机的共性问题,-42-,8.4.2 交流电机的漏磁通 交流电机定子绕组除产生主磁通外，还产生与定子绕组相交链而不与转子绕组相交链的磁