资料_电路哥课件电机学2016_电动势_all_878606888

1、 15.1 交流电机的工作原理 电机截面图 定子 n 定子铁心 1if 定子绕组 转子 转子铁心 励磁绕组 气隙 凸极同步电机5.1 交流电机的工作原理交流电机的基本构成同步电机汽轮同步发电机（卧式） 水轮同步发电机（立式） 第五章交流绕组的绕组和电动势5.1 交流电机的工作原理, 对交流绕组的基本要求交流电机的共同问题w 同步电机和异步电机运行原理不同。 w 但是两者在定子结构、定子绕组以及绕组感应电动势和绕组产生磁动势等方面有很多共同的地方，将这些作为共同问题来一起进行研究。 交流电机的共同问题交流电机的分类凸极同步电机 同步电机 隐极同步电机 交流电机 鼠笼式异步电机 异步电机 绕线式异

2、步电机 可以作为发电机，也可以作为电动机。 第 2 篇 交流电机的共同问题 25.1 交流电机的工作原理交流电机的基本构成同步电机隐极转子 5.1 交流电机的工作原理交流电机的基本构成同步电机凸极转子及其磁极 5.1 交流电机的工作原理交流电机的基本构成同步电机嵌放绕组的定子铁芯 5.1 交流电机的工作原理交流电机的基本构成同步电机定子铁芯嵌放绕组的定子铁芯 5.1 交流电机的工作原理交流电机的基本构成同步电机定子铁心定子绕组转子主磁极 5.1 交流电机的工作原理1n1ifn12 34a凸极同步电机隐极同步电机 35.1 交流电机的工作原理同步发电机的工作原理感应电动势导体 A 励磁绕组中通入

3、直流电;磁力线 原动机拖动转子旋转,N 以恒定转速n1沿逆时针n1气隙 方向旋转;转子定子 定子铁心槽内的导体与S转子上的主磁极之间发 励磁绕组 生相对运动。 5.1 交流电机的工作原理交流电机的基本构成同步电机双层叠绕交流绕组 5.1 交流电机的工作原理交流电机的基本构成同步电机定子铁心和双层叠绕式交流绕组线圈图 5.1 交流电机的工作原理交流电机的基本构成同步电机单双层交流绕组 5.1 交流电机的工作原理交流电机的基本构成同步电机单层交流绕组 5.1 交流电机的工作原理交流电机的基本构成同步电机单层交流绕组 45.1 交流电机的工作原理交流电机的基本构成异步电机机座 定子铁芯 定子绕组 风

4、扇 端盖 转子铁芯转子绕组 （端环） 鼠笼型转子异步电动机 5.1 交流电机的工作原理同步电动机的工作原理 定子绕组中通入三 相对称交流电流时， 将形成旋转磁场， 其转向和转速取决 于交流电的相序和 频率； 旋转磁场等效为旋转的磁极。 5.1 交流电机的工作原理同步发电机的工作原理感应电动势 转子转速为n1（r/min），即转子每秒转了n1/60圈， 则定子导体中感应电动势的频率为： 重要结论：极对数p一定时，定子导体感应电动势 的频率f 与转子转速n1有严格的关系，称为同步关系。转子转速n1称为同步转速。 f = pn1 Hz605.1 交流电机的工作原理同步发电机的工作原理感应电动势 定子

5、导体每经过一对主磁极， 感应电动势就变化一个周期。导体 A 感应电动势每秒内变化的周期N 数即为频率f ，单位Hz。气隙 若转子有p对主磁极，则转子每S转子S 定 子 转一圈，就有p对主磁极经过定 子上的导体， 于是导体中感应N 的电动势就变化了p个周期。 5.1 交流电机的工作原理同步发电机的工作原理感应电动势导体 A导体 A 磁力线磁力线 NS n气隙n1气隙 1 转子定子转子定子 SN 励磁绕组励磁绕组 a 时刻b 时刻 带上负载则可以输出电能。 5.1 交流电机的工作原理同步发电机的工作原理感应电动势 由电磁感应定律可知，相对于 导体 A 磁极运动（即切割磁力线）的 导体中将e =产生

6、b 感lv应电动势：磁力线 dn气隙1 N 转子定子 与导体所在处的气隙磁通密 度、长度和相对运动速度有S 关。 励磁绕组 导体中感应电动势的方向可用右手定则判断。 55.1 交流电机的工作原理交流绕组 同步发电机和异步电动机中的定子绕组都是交流绕组， 异步电动机中的转子绕组也是交流绕组； 交流绕组是电机进行能量变换的关键部件，具有双重 作用： 交流绕组一般是多相绕组，例如三相绕组。 重要结论：定量分析交流绕组中产生的电动势和磁 动势，是交流电机理论的核心问题。 产生感应电动势产生磁动势 5.1 交流电机的工作原理异步电动机的工作原理 转子电流在磁场中受力，n1形成电磁转矩，拖动转子 旋转。f

7、 n 转子转速n是否会等于定 子磁场的转速n1 ？ 转子转速n与定子磁场转速f n1 之间没有严格的同步关系，所以称步电机。 n n1, 异步！ 5.1 交流电机的工作原理异步电动机的工作原理 向定子绕组中通入三相对n称交流电流时，将形成旋1转磁场，其转向和转速取 决于交流电的相序和频率； 转子相对于定子旋转磁场存在运动，转子导体切割磁力线产生感应电动势， 在闭合的转子绕组内产生感应电流； 5.1 交流电机的工作原理异步电机的绕线型转子绕线型转子引流装置5.1 交流电机的工作原理交流电机的基本构成异步电机定子绕组定子铁芯 转子绕组 风扇 滑环 电刷端盖 转子铁芯 绕线型转子异步电动机机座 5.

8、1 交流电机的工作原理异步电机的鼠笼型转子n1 6第五章交流绕组的电动势5.1 交流电机的工作原理5.2 三相单层集中整距绕组电动势5.1 交流电机的工作原理交流绕组的种类单层绕组双层绕组 单双层绕组 正弦绕组 分数槽绕组 变极绕组 其他 5.1 交流电机的工作原理交流绕组联结三原则 尽量充分利用导体 同样数目的导体产生尽量大的感应电动势。 电动势质量好 波形接近正弦，三相基波电动势对称。 节省材料 截面适当、端部连线短，损耗小。 5.1 交流电机的工作原理交流绕组的构成由简单到复杂！5.1 交流电机的工作原理交流绕组的构成交流电机的电枢绕组是由放置在铁心槽中的导体通过一定的方式联接而成的。

9、导体线匝 三相绕组相绕组线圈组 箭头顺序：由简单到复杂！线圈 5.1 交流电机的工作原理对交流绕组基本要求 导体数一定，能得到较大的基波电动势和磁动势； 电动势和磁动势的波形尽可能接近正弦； 各相绕组对称，即各相感应电动势对称且阻抗相等； 导体应有适当的截面积和绝缘强度； 运行中有较好的散热性能； 制造工艺简单、维护方便。 75.2 三相单层集中整距绕组电动势导体感应电动势 关于原点奇对称的磁密波形，经傅立叶级数分解后，只含有奇数次的正弦项： 分别研究各次谐波磁密产生的电动势，再合成！ bd = bd 1 + bd 3 + bd 5 +L= Bd1m sin a + Bd3m sin 3a +

10、 Bd5m sin 5a +L5.2 三相单层集中整距绕组电动势导体感应电动势分析方法： 利用叠加原理对磁密的空间分布波形进行谐波分解！ b空间分布特点： （1） 波形为平顶波 （2） 关于原点奇对称 5.2 三相单层集中整距绕组电动势 同步发电机空载运行时，磁场由转子主磁极磁动势产生。 Ff = N f I fa0 naI1f 空气隙中的磁通密度b分布为平顶波。 bbdap2p5.2 三相单层集中整距绕组电动势导体感应电动势 以同步发电机为例进行分析。 为了方便进行数学描述，首先建立直角坐标系： 转子表面坐标系na原点，横、纵坐标I1f“将转子表面圆周在0点切开，并展开成一条 直线！”+方向

11、与转子运动方向相反！ 5.2 三相单层集中整距绕组电动势导体感应电动势 以同步发电机为例进行分析。 导体 A 规定物理量的参考方向磁力线N 气隙磁通由转子进入n气隙 1 定子为正，相应的磁转子定子 密也为正 电动势以出纸面为正S 励磁绕组 5.2 三相单层集中整距绕组电动势导体感应电动势 以同步发电机为例进行分析。 导体感应电动势：e = bd lv 与导体所在处的气隙磁通密度bd 、导体长度 l 和相对运动速度v 有关。 对于确定的电机而言，长度确定，转速确定后， 关键在于空气隙中的磁密b的分布！ 85.2 三相单层集中整距绕组电动势导体感应电动势电角度与机械角度 将一对磁极在空间上占据的机

12、械角度定义为360， 称为空间电角度，用表示； 实际空间一周对应的360，称为空间机械角度， 用表示； 空间电角度与空间机械角度之间的关系为： p， p为极对数。 重要结论：转子在一段时间内转过的空间电角度和电动势在时间上经过的角度相等，即转子在空间上转过多少电角度，电动势就在时间上经过了多少电角度。 5.2 三相单层集中整距绕组电动势导体感应电动势时间相位对应的空间角度导体 A 转子每转过一对磁极，定N 子导体的感应电动势就交变气隙 一个周期，即经过了360 时 转子 间相位角度。SS 定 子 右图中感应电动势360 时 间相位角与转子的 180空间N 角相对应。 矛盾：时空不一致！5.2

13、三相单层集中整距绕组电动势导体感应电动势基波感应电动势的三种表述方法： 解析法：波形图法：e = 2E sin w teA11相量图法：+jp2p0wtwo E&A 15.2 三相单层集中整距绕组电动势导体感应电动势习惯上采用气隙每极磁通量计算电动势： = 2 B lt , v = pD n1 = 2 pt n1 , t 为 极 距1 p d 1m6060E = 1 B lv = 1 B l(2 pt n1 )12 d 1m2 d 1m60= p ( 2 B lt )( pn1 ) = 2.22 f2 p d 1m601重要结论： E = 2.22 f115.2 三相单层集中整距绕组电动势导体

14、感应电动势在任意时刻t，导体A中的基波感应电动势： e1 = bd 1lv = Bd 1mlv sin wt= E1m sin w t = 2E1 sin w tE1m = Bd1m lv 为导体中基波感应电动势的最大值。 E1 = E1m2为导体中基波感应电动势的有效值。 重要结论：空间上正弦分布的磁密波，通过转子旋转在导体中产生时间上正弦变化的感应电动势。 5.2 三相单层集中整距绕组电动势导体感应电动势导体中的基波感应电动势： e1 = bd 1lvbd 1 = Bd 1m sin a为导体在转子坐标系中的位置。从转子上看，导体以角速度向轴方向移动:a = w t, w = 2p n16

15、0 95.2 三相单层集中整距绕组电动势线匝的构成5.2 三相单层集中整距绕组电动势导体感应电动势导体中的谐波感应电动势： b3 = B3m sin 3a其中：E3 = 2.22 3 f32t = B l ,同理也可以得到5、7等各 3 p 3m 3次谐波电动势! e3 = bd 3lv= Bd 3mlv sin 3wt= 2 E3 sin 3wt5.2 三相单层集中整距绕组电动势导体感应电动势不同位置导体中的电动势 两条重要结论：（1） 两导体在空间上相差电 角度，它们的感应电动势 在时间上也相差电角度； （2） 顺着转子转动的方向看， 空间上超前，则感应电动势在时间上滞后。 5.2 三相单

16、层集中整距绕组电动势导体感应电动势同时表示导体A和B中的感应电动势 eA1 = 2E1 sin w t,eB1 = 2E1 sin(w t + a0 )e eeA1+j B1p2p0 w tE&a0B1a0E& A15.2 三相单层集中整距绕组电动势导体感应电动势不同位置导体中的电动势 导体B处的磁密为： bd 1 = Bd 1m sin(wt + a0 ) 导体B中的感应电动势为： eB1 = 2E1 sin(w t + a 0 ) 与导体A相比，导体B中感应电动势的有效值相同， 但相位领先了0 时间电角度！ 5.2 三相单层集中整距绕组电动势导体感应电动势不同位置导体中的电动势 导体B在空

17、间上与导体A差0 电角度。 以转子转动方向看，A在前 在t时刻，导体B的空间位置为： a = w t + a0w = 2pp n160 105.2 三相单层集中整距绕组电动势三相单层集中整距绕组三相单层集中整距绕组的构造方法： 使B相绕组导体的位置在空 间上超前A相120 电角度； 使C相绕组导体的位置在空 间上超前B相120 电角度； 理论依据：导 置在空间上领先，则其感应电动势在时间上滞后。 5.2 三相单层集中整距绕组电动势三相单层集中整距绕组问题：能否用多个线圈形成最简单的三相绕组， 发出三相对称的交流电动势？ 三相对称的交流电动势的含义： 三相电动势的有效值相同； 三相电动势的相位互

18、差120， A相领先B相，B相领先C相。 思考：设A相绕组（单线圈）布置如图，问B、C相绕组如何布置？ 5.2 三相单层集中整距绕组电动势整距线圈感应电动势 多匝线匝构成线圈 整距线圈就是多匝的整距线匝，各线匝之间相互绝缘，匝数为Nk 整距线圈的基波感应电动势有效值为： EK1 = NK ET1 = 4.44 fNK15.2 三相单层集中整距绕组电动势整距线匝感应电动势整距线匝的基波感应电动势有效值为 ET1 = 2 2.22 f1 = 4.44 f15.2 三相单层集中整距绕组电动势线匝感应电动势长距线匝的联结方式： 跨距可以不等于一个极距, 但合成的电动势有损失。 短距：端部连线较短 y1

19、 p短距5.2 三相单层集中整距绕组电动势线匝感应电动势线匝问题：将哪两个导体联结 构成线匝？端部 要使线匝的感应电动势(E& A1 - E& B1 ) 的模最大，应选跨距为一个极距的 两根导体联接成线匝； 跨距为一个极距，称为头 尾 整距，即： y1= p y 1铁心 11第五章交流绕组的电动势5.1 交流电机的工作原理5.2 三相单层集中整距绕组电动势5.3 三相单层分布整距绕组电动势5.2 三相单层集中整距绕组电动势小结特征： 单层：每个槽内只放置一个线圈边； 集中：每对极下每相只有一个线圈； Y C 整距：线圈的节距等于极距。N 优、缺点：气 隙 定 子 A转子X 结构简单； 发热集中

20、，散热困难；S 空间利用不充分；ZB 电动势的波形较差。 每对极6个槽 5.2 三相单层集中整距绕组电动势三相绕组连接三相绕组联结成三角形的作用U&AB3 ABCeA3 = eB 3 = eC 3 = 2E3 sin 3wtI& = 3E& 3 = E& 33 Z3ZZ33U& AB 3 = -E& A3 + Z 3 I& = 03重要结论：角接三相交流电枢绕组的线电压中不含有三次或三的倍数次谐波电压！但有循环电流， 产生损耗！ E&AXE& B3E&C3Y5.2 三相单层集中整距绕组电动势三相绕组连接E&A AB3 BC三相绕组连接成星形的作用 eA3 = 2E3 sin 3wtE&E&E&

21、A3B3C3eB 3 = 2E3 sin 3(wt - 120o )XYZ eAB 3 = eA3 - eB 3 = 0重要结论：星接三相交流电枢绕组的线电动势中不含有三次或三的倍数次谐波电动势！ 5.2 三相单层集中整距绕组电动势三相绕组连接三相绕组可以连接成星形或者三角形 A E&AB BCA E&ABE&ABCE&AE&BE&CZXYZ星形(Y接）三角形（D接） E&AXE&BE&CY5.2 三相单层集中整距绕组电动势三相单层集中整距绕组三相单层集中整距绕组示意图 125.3 三相单层分布整距绕组电动势三相单层分布整距绕组举例：A相线圈组（线圈线圈组p 对极下线圈组） 5.3 三相单层分

22、布整距绕组电动势三相单层分布整距绕组举例：A相线圈组（线圈线圈组p 对极下线圈组） ppppA2X 25.3 三相单层分布整距绕组电动势三相单层分布整距绕组如何画绕组展开图？ pppp5.3 三相单层分布整距绕组电动势利用电动势星形相量图安排绕组相带：将一对极下的导体分成6组， 同组导体属于同一相，称为 60相带。a每极每相槽数：相带内的槽数 m为相数 相带的相位顺序：A、Z、B、X、C、Y。 q =Q2 pm5.3 三相单层分布整距绕组电动势单层分布绕组的电动势星形相量图a槽距角：相邻槽之间的空间电角度, a = p 360oQ5.3 三相单层分布整距绕组电动势单层分布绕组问题：为充分利用空

23、间，圆周上布置多根导体，如何将这些导体联结成三相绕组？ 要求： 基波电动势尽可能大 谐波电动势尽可能小 三相对称 135.3 三相单层分布整距绕组电动势三相单层分布整距绕组电动势线圈组谐波电动势 Eqn = 4.44n fqNK kdn n每相绕组谐波电动势 Efn = p 4.44n fqN k n n = 4.44n fN k n n aK d1 d5.3 三相单层分布整距绕组电动势三相单层分布整距绕组电动势线圈基波电动势 EK1 = 4.44 fNK1线圈组基波电动势 Eq1 = qEK1kd1 = 4.44 fqNk kd11每相绕组基波电动势（p对极，a条并联支路） 每相每支路串联匝

24、数： N = pqNk 1aE = p E = 4.44 f ( pqNk )k = 4.44 fN k f1a q1ad1 11 d1 15.3 三相单层分布整距绕组电动势三相单层分布整距绕组例如： 4极电机，定子24槽。 则：Q=24，p=2，可知：30，q2 削弱了谐波！ 绕组基波分布因数: 绕组谐波分布因数: a30osin qsin(2 )qksdin1 a= 2 =22 =30 9659sin o22na5 30o sin qsin(2 )kd 5 = 2 = 2 o = 0.2588q sin na2 sin 5 30 22重要结论：分布绕组对基波电动势影响不大，但可明显削弱特定

25、次谐波电动势，改善了电动势波形！ 5.3 三相单层分布整距绕组电动势分布绕组的谐波分布因数E&Kn 2同相带内q个线圈中的E&E&第n次谐波电动势叠加后，Kn1Kn 3其总幅值也小于单个第nna次谐波电动势幅值的q倍， 幅值减小系数称为绕组的2p P第n次谐波分布因数：a = Q同一相带中的q个线圈第n次dn谐波电动势叠加。sin qnak =2q sin na25.3 三相单层分布整距绕组电动势分布绕组的分布因数E&K11E& E&K13 a = 2p PK12sin q aQEq1 = qEK1 2 = qEK1kd1同一相带q个线圈的q sin a&基波电动势叠加。2EK13 同相带内q

26、个线圈中的基波电动 E&E&q1势叠加后，总幅值小于单个电 K12动势幅值的q倍，幅值减小系数 称为绕组的基波分布因数： E&K11sin q akd 1 = 2q sin a25.3 三相单层分布整距绕组电动势三相单层分布整距绕组单层分布绕组的安排 一对极下正、反极性相带中的导体连成线匝、线圈； 一对极下每相有q个线圈，连成一个线圈组； p对极下每相可连成p个线圈组。 单层分布绕组的特点： 每相绕组含有p个线圈组，它们之间既可串联，也可并联。最大可能的并联支路数： a = p 145.4 三相双层分布短距绕组电动势短距绕组电动势短距线圈的基波电动势 bbd1eK1eA1 y = yeX1w2

27、1a nE&X1E&K11E&A1EK1 = 4.44 fNK k p11p 基波节距因数： k p1 = sin( y 2 )5.4 三相双层分布短距绕组电动势短距绕组进一步削减谐波电动势 短距 短距 y 1线圈的节距（pitch）： y1 = ypy为节距比，是线圈节距与极距之比。 5.4 三相双层分布短距绕组电动势三相双层分布短距绕组双层短距叠绕组 5.4 三相双层分布短距绕组电动势三相双层分布短距绕组双层短距绕组的安排 双层绕组在每个槽中放置两个线圈边，线圈的一个边在槽的上层，另一边则在下层； 双层绕组的节距就不受限制，可以取需要的值； 线圈数与槽数相等。 改善电动势波形 第五章交流绕

28、组的电动势5.1 交流电机的工作原理5.2 三相单层集中整距绕组电动势5.3 三相单层分布整距绕组电动势5.4 三相双层分布短距绕组电动势5.3 三相单层分布整距绕组电动势三相单层分布整距绕组（小结）优点： 可有效利用铁心表面空间； 单层分布绕组可以削弱绕组 的谐波电动势；a 每个槽内只有一个线圈边， 下线方便； 便于散热。 缺点： 单层分布绕组的节距不能任意选择，一般为整距！ 155.4 三相双层分布短距绕组电动势三相双层分布短距绕组双层短距绕组的安排 将每对极下的线圈划分为六个相带，每个相带占60空间电 角度；a 每个相带中的所有线圈串联， 数目为每极每相槽数： q = Q /( 2 pm

29、 ) 每对极下，每相可连成2个线圈组。每相最大并联支路数： a = 2 p5.4 三相双层分布短距绕组电动势三相双层分布短距绕组双层短距绕组的安排 举例：p2，Q36a槽距角： a = p 360o = 2360o = 20oQ36 画出电动势星形相量图， 每根相量表示一个线圈 的电动势相量; 线圈数等于槽数;线圈电动势星形相量图 5.4 三相双层分布短距绕组电动势短距绕组电动势短距线圈的谐波电动势 对于第n 次谐波，只要取y=(n-1)/n,其相应的谐波节距因数一定为0。例如：n=5，则y=4/5；若n=7，则y=6/7； 为了同时削弱5次和7次谐波电动势，可取y=5/6。 基波损失不大，谐

30、波大幅削弱！ k = sin(5 5 p ) = 0.2588 kp56 2= sin(7 5 p ) = 0.2588p76 2k = sin( 5 p ) = 0.9659p16 25.4 三相双层分布短距绕组电动势短距绕组节距的选择短1/3节距，可以完全消除3次谐波；短1/5节距，可以完全消除5次谐波。需要削弱的主要是5、7次谐波电动势； 5.4 三相双层分布短距绕组电动势短距绕组电动势短距线圈的谐波电动势 EKn = 4.44(nf )NK k pn n p谐波节距因数： k = sin(ny )pn25.4 三相双层分布短距绕组电动势短距绕组电动势短距线圈的基波电动势 EK1 = 4.44 fNK k p11w 短距时，基波短距因数kp1 总小于等于1，所以短距使线圈的基波电动势减小，在整距线圈电动势的基础上乘上kp