1、第四章第四章 交流绕组及其电动势交流绕组及其电动势和磁动势和磁动势 交流电机分为两大类：同步电机和感应电机。二者虽然转子结构、工作原理、励磁方式和性能有所不同，但定子绕组、电磁过程、机电能量转化的原理是相同的，故将交流绕组，定子中产生的电动势，磁动势放在一起考虑。河北科技大学电气信息学院4.1 交流绕组的构成原则和分类 一、构成原则：1、合成电动势和磁动势的波形要接近正弦波，数量上力求获得较大的基波电动势和磁动势。2、对三相绕组各相的电动势、磁动势要对称，电阻、电抗要平衡。3、铜耗要少，用铜量要少。4、绝缘可靠，机械强度，散热条件要好。二、交流绕组的分类1、按相数分：单相，多相绕组2、按槽内层
2、数分：单层，双层绕组河北科技大学电气信息学院4.2 三相双层绕组用于10KW三相交流电机特点：绕组的线圈数等于槽数优点：1、可选择不同的节距，分布绕组，来改善电动势和磁动势的波形。2、线圈的尺寸相同，便于制作3、端部排列整齐，便于散热，机械强度高。河北科技大学电气信息学院一、槽电动势星形图和相带划分以2p=4，Q=36，m=3为例说明：1、定子每极每相槽数：2、计算槽距角：3、槽号分配36324 3Qqpm3602 3602036pQ 相带槽号AZBXCY第一对极1,2,34,5,67,8,910,11,1213,14,1516,17,18第二对极19,20,2122,23,2425,26,2
3、728,29,3031,32,3334,35,36河北科技大学电气信息学院也可以用槽电势星形图来表示，4、在槽内放置线圈线圈分为：叠绕组和波绕组三、叠绕组特点:后一个线圈压着前一个线圈，故称磁极的极距为：选取线圈的节距：y=8,则线圈的放置为：36924Qp河北科技大学电气信息学院，河北科技大学电气信息学院，河北科技大学电气信息学院5、绕组连接方式 当给绕组通电时，应能产生2p=4个磁极，为达到此目的，连接方法有两种：河北科技大学电气信息学院4.3 三相单层绕组 单层绕组的每个槽内只有一个线圈边，故整个绕组的线圈数为总槽数的1/2，中间没有绝缘，下线方便，槽利用率高，但产生的电动势和磁动势的波
4、形比双层短距绕组较差，主要用于10KW的小型电机中。1、同心式绕组 定义：由节距不同的同心式绕组组成。以三相两级24槽为例：河北科技大学电气信息学院244223Qqpm按电动势最大原则，将定子绕组分成6个相带，每个相带的槽号如下：相带AZBXCY槽号23,24,1,23,4,5,67,8,9,1011,12,13,1415,16,17,1819,20,21,22对A相而言，将1-12连在一起组成大圈，2-11连在一起组成小圈，再将13-24，14-23连在一起组成另一个线圈，最后将两个线圈反向联接即可。河北科技大学电气信息学院主要用于2极的小型异步电动机河北科技大学电气信息学院2、链式绕组 链
5、式绕组的线圈具有相同的节距，就整个绕组的外形来看，犹如一环套一环的长链。现以三相六极36槽的定子为例说明。36226 3Qqpm将定子分成63=18个相带，每个相带内有两个槽。见下表：AZBXCYN1,S1N2,S2N3,S336,112,1324,252.314,1526,274.516,1728,296.718,1930,318.920,2132,3310.1122,2334,35绕组线圈的节距恒为奇数，主要用于q=偶数的小型四、六极异步电动机。河北科技大学电气信息学院3、交叉绕组 主要用于q=奇数的四、六极感应电动机中。由于采用了不等距线圈，其端部短，便于布线。现以三相四极36槽定子绕组
6、为例：36324 3QqpmAZBXCYN1,S1N2,S235.36.117,18,192,3,420,21,225,6,723,24,258,9,1026,27,2811,12,1329,30,3114,15,1632,33,34将36-8相连，1-9相连，组成节距为8的大圈，把10-17相连组成节距为7的小圈。4.4 4.4 正弦磁场下交流绕组的感应电动势正弦磁场下交流绕组的感应电动势一、导体的感应电动势一、导体的感应电动势1、感应电动势的波形如图为两极发电机的示意图设磁场为正弦波1sinbB设：t=0时导体位于极间，并进入N极，转子以的速度旋转，当时间为t时，t河北科技大学电气信息学院
7、11sin2sineblvBlvtEt2、正弦电动势的频率正弦电动势的频率设p=1,故机械角度等于电角度，转子每分钟转n圈，则60nf 若极对数为p，则转子转一圈电动势将变化p个周期，故60pnf 在我国因f=50Hz，当p=1时,n=3000r/min,当p=2时,n=1500r/min 以此类推3、导体感应电动势的有效值河北科技大学电气信息学院,将260nvDf代入E1中111222B lEffBl又因12avBB12avB lB l所以11222.222EfB lf二、整距线圈的电动势如图所示，当y1=时11112cEEEE河北科技大学电气信息学院其有效值为若线圈有Nc匝1(1)14.4
8、4ccNEf114.44ccEfN三、短距线圈的电动势，节距因数(4-1)河北科技大学电气信息学院短距线圈的节距y,所对应的角度为若导线为单匝,其线圈电动势为:1180y111110cEEEEE单匝线圈电动势的有效值为11(1)11802cos2sin904.442ccNccpyEEEfk若线圈为Nc匝:114.44ccpEfN k111()111()sin90cypcyEykE称为基波节距系数Kp1的含义是线圈由于短距所产生的感应电动势比整距小而打的折扣河北科技大学电气信息学院表示线圈短距后，感应电动势比整距时应打的折扣四、分布绕组的电动势，分布因数和绕组系数实际电机中，每相绕组是由放在不同
9、槽内的q个线圈串联起来的，称为极相组，由于每个线圈的位置不同，就形成了分布绕组。极相组电动势的计算：（以3个线圈串联为例）1123qcccEEEE12 sin2qqER其幅值为：河北科技大学电气信息学院因 代入上式11111sinsin22sinsin22qcccdqqEEqEqE kq12sin2cERKd1的含义是：由于绕组分布在不同的槽内，使q个分布线圈的合成电动势Eq1小于q个集中线圈的合成电动势qEc1，由此而打的折扣。将式4-1代入得：1114.44()qcwEf qN k111wpdkkk-称为绕组系数河北科技大学电气信息学院五、相电动势和线电动势 整个电机有2p个磁极，凡属于同
10、一相磁极下的线圈即可串联，也可并联，设一相绕组总的串联匝数为N，则相电动势为：1114.44wEfNk对单层绕组：对双层绕组：cpNqNa2cpNqNa相电动势求出后，可根据连接方法求出线电动势的大小河北科技大学电气信息学院4.5 4.5 感应电动势中的高次谐波感应电动势中的高次谐波 前面我们假设气隙磁场为正弦波，但由于种种原因，并非为正弦波。一、高次谐波电动势 1、谐波电动势 由于主磁极外形设计不合理，加之铁芯饱和造成主磁场的分布与磁极的中心线对称，故高次谐波中仅有奇次谐波，其性质为：ppnn河北科技大学电气信息学院因此4.44wEf Nk16060sp npnff2Bl wpdkk k1s
11、in90pyksin2sin2dqkq2、齿谐波电动势 定子铁芯中是开槽的，其目的是：1）固定绕组；2）减小气隙长度，以减小励磁电流。但开槽后会使气隙分布不均匀，产生齿谐波磁场河北科技大学电气信息学院3、计及谐波时的相电动势和线电动势22222351351111EEEEEEEEE三相绕组既可以接成Y形连接，也可以接成连接。注意到3（及倍数）次谐波是同相的，当接成Y型时：当接成型时：环流2221573LEEEE33333EIZ4、谐波的弊害 损耗增大，效率下降，温升增高，故应想办法减小二、削弱齿谐波的方法1、采用短距绕组短1/5可以消除5次谐波短1/7可以消除7次谐波，为兼顾两个方面，常采用短1
12、/62、采用分布绕组 q越多，抑制谐波电动势的效果就越好，但也不能太多，一般选：26河北科技大学电气信息学院3、改善主极磁场分布 在凸极同步电机中，可设法改变主磁极的形状，以改善气隙磁场分布。通常采用;极靴宽度/极距=0.70.75，最大气隙/最小气隙=1.5 在隐极电机中，励磁绕组的下线部分/极距=0.70.8以上三种方法都是用来削弱齿谐波以外的高次谐波。4、采用斜槽主要是用来削弱齿谐波5、采用分数槽绕组6、其他措施 如采用半闭口槽，磁性槽楔等河北科技大学电气信息学院4.64.6通有正弦电流时单相绕组的磁动势通有正弦电流时单相绕组的磁动势 绕组连接时，应是它所形成的定、转子磁场极数相等，这样
13、才能使绕组合成的电动势不为零，电磁转矩也不为零。本节主要讨论当给单相绕组通以正弦电流时的磁动势的变化规律。为分析方便，设：1）定、转子铁芯的磁导率2）定、转子之间的气隙均匀3）槽内的电流集中在槽中心处2cosciItFe河北科技大学电气信息学院一、整距线圈的磁动势一、整距线圈的磁动势整距线圈磁动势分布整距线圈磁动势分布曲线曲线整距线圈所建立的磁整距线圈所建立的磁场分布场分布河北科技大学电气信息学院t=0,i=Imt=90,i=0t=180,i=-Im1,2cc cfN i 整距线圈所形成的整距线圈所形成的磁动势在任何瞬时，空磁动势在任何瞬时，空间的分布总是一个矩形间的分布总是一个矩形波。波。这
14、种从空间上看位这种从空间上看位置固定，从时间上看大置固定，从时间上看大小在正负最大值之间变小在正负最大值之间变化的磁动势，称为脉振化的磁动势，称为脉振磁动势。脉振的频率就磁动势。脉振的频率就是交流电流的频率。是交流电流的频率。22当13,222cc cfN i 当四极整距线圈的磁动势四极整距线圈的磁动势磁场分布磁场分布磁动势分布磁动势分布若电机为四极时二、分布绕组的磁动势二、分布绕组的磁动势河北科技大学电气信息学院各线圈磁各线圈磁动势波动势波合成磁动合成磁动势的基波势的基波基波磁动势矢基波磁动势矢量相加量相加 线圈组的合成线圈组的合成基波磁动势为基波磁动势为114cos2c cqdsqN if
15、k1 1、整距分布绕、整距分布绕组磁动势组磁动势河北科技大学电气信息学院2、短距分布绕组的磁动势、短距分布绕组的磁动势q q=2,=2,=6,6,y y1 1=5=5的双的双层短距叠绕组层短距叠绕组短距线圈节距缩短的角度短距线圈节距缩短的角度111801180yy1q14cos2wsNkfip河北科技大学电气信息学院三、单相绕组的磁动势、脉振磁动势三、单相绕组的磁动势、脉振磁动势 1、单相绕组的基波磁动势一相绕组的磁动势就等于一个极相组的磁动势。11q14cos2wsNkffip 上式表明：单相绕组的基波磁动势在空间上随s按余弦规律分布，其幅值正比于每极下每相的有效串联匝数 和相电流i.1/2
16、wNkp若2cosiIt则11124(,)coscoscoscos2wsssNkftItFtp河北科技大学电气信息学院上式表明：单相绕组的基波磁动势在空间上随s角按余弦规律分布，在时间上随t按余弦规律脉振。这种从空间上看轴线固定不动，从时间上看其大小不断地随电流的交变而在正、负幅值之间脉振的磁动势（磁场），称为脉振磁动势（磁场）。2、单相绕组的谐波磁动势 由傅氏级数对单相脉振磁动势进行分解可得：次谐波分量为：1 42coscoscoscos2wssNkfItFtp 说明谐波磁动势从空间上看，是一个按次谐波分布，从时间上看，仍按t的余弦规律脉振的脉振磁场。4.7通有对称三相电流时三相绕组的磁动势
17、 上面分析了单相绕组的磁动势，在这一基础上，将A、B、C三相绕组的磁动势相加即可得到三相的合成磁动势。一、三相绕组的基波合成磁动势设三相绕组中的电流为2cos2cos(120)2cos(240)ABCiItiItiIt河北科技大学电气信息学院 取A相绕组的轴线处作为空间坐标的原点，并且以正相序方向作为x的正方向，同时选择A相电流达到最大值的瞬间为时间的起始点，则三相的基波磁动势为：11coscosAsfFt11cos120cos120BsfFt11cos240cos240CsfFt1、解析法则1111(,)sABCftfff利用利用)cos()cos(21coscos可得河北科技大学电气信息学
18、院1111cos()cos(240)22sFtFts11111(,)cos()cos()22sssftFtFt1111cos()cos(120)22ssFtFt将三相基波磁势相加，基波合成磁动势将三相基波磁势相加，基波合成磁动势11(,)cos()ssftFt式式中中1111330.91.3522WWNkNkFFIIpp 分析：分析：三相绕组合成磁动势是一个大小三相绕组合成磁动势是一个大小（幅值（幅值F1F1）不变、旋不变、旋转的行波，转的行波，即沿着气隙圆周连续推移的旋转磁动势波。即沿着气隙圆周连续推移的旋转磁动势波。当当f f1 1(s s,t)=F,t)=F1 1时：时：tt-s s=0
19、=0，tt=s s，旋转速度为：旋转速度为：ddsst 河北科技大学电气信息学院（4-48）0t0t三相绕组基波磁势合成三相绕组基波磁势合成圆形旋转磁动势圆形旋转磁动势6060 26022ssffnppp旋转磁旋转磁场转速场转速河北科技大学电气信息学院三相基波合成磁动势具有以下特性：1）是一个旋转磁动势，转速均为同步转速速 旋转方向决定于电流的相序。2）幅值F1不变，为各相脉振磁动势幅值的3/2倍，旋转幅值轨迹是一个圆。3）三相电流中任意一相电流瞬时值达到最大值时，三相基波合成磁动势的幅值，恰好在这一组绕组的轴线上。160/snf p2、图解法河北科技大学电气信息学院t=0,iA=Imt=12
20、0,iB=Imt=240,iC=Imt=360,iA=Im可见在三相对称绕组中通以三相对称正序电流，就可以产生正向旋转磁场，电机就可以正方向转动；同样，若在三相对称绕组中通以三相对称逆序电流，则会产生逆序旋转磁场，电机就会逆序转动。3、旋转磁动势与脉振磁动势的关系 从式（4-48）可知，1）每相绕组的基波磁动势都可以分解成两个幅值相等，转动方向相反的两个旋转磁场，如对A相有：A111111Fcoscos()cos()22sssftFtFt其中，第一项为正向旋转的旋转磁动势，第二项为逆向旋转地旋转磁动势。2）若电流为正序，则分解出来的三个逆序旋转磁动势相互抵消，使基波合成磁动势正方向旋转，反之，
21、若电流为逆序，三个正向旋转磁动势相互抵消，三个逆序合成磁动势相加，使基波磁动势反向旋转。3）若三相电流不对称，则正序电流和逆序电流同时存在，正反向旋转磁动势也同时存在，在任何时刻合成磁动势就应为二者之和，从而产生一个幅值变化，非恒速旋转地旋转磁动势，即椭圆形磁动势。在长轴处，为二者磁动势之和在短轴处，为二者相减。4）若两个磁动势的幅值相等，合成磁动势即为脉振磁动势。1 1）当当v=3K,(K=1、2、3、)（即：即：v=3、9、），谐波合成磁动势等于零。说明在三相对称绕组中不存在3次及3的倍数次合成磁动势。0f二、三相合成磁动势中的高次谐波二、三相合成磁动势中的高次谐波用同样方法可以分析各次谐
22、波磁动势。用同样方法可以分析各次谐波磁动势。(,)(,)(,)(,)sAsBsCsftftftftcoscoscos(120)cos(120)ssFt Ft cos(240)cos(240)sFt 河北科技大学电气信息学院3 3）当v=6K-1,(K=1、2、3、)（即即：v=5、11、）谐波合成磁动势的旋转方向与基波合成磁动势的方向相反；3cos()2sfFt2 2）当v=6K+1,(K=1、2、3、)（即：即：v=7、13、19、时），谐波合成磁动势的旋转方向与基波合成磁动势的方向相同；即为正向旋转，转速为n0v=ns/；3cos()2sfFt河北科技大学电气信息学院4.8 交流电机的电磁转矩 省略推导过程，只给出结果。11 11coseessPmTE I该公式不但适用于感应电动机，也适用于同步电动机。产生恒定电磁转矩的条件是;电机必须产生圆形磁动势，至于其他方面的影响见电机设计。第四章第四章 结结 束束
