第二篇交流電機的共同理論問題1

1、第第2篇篇 交流電機的共同問題交流電機的共同問題第六章第六章 交流電機的電樞繞組及其電動勢交流電機的電樞繞組及其電動勢 6.1 交流電機的基本要求和分類交流電機的基本要求和分類6.1.1基本要求基本要求: 前面我們已經(jīng)講過電機的分類前面我們已經(jīng)講過電機的分類,其中有很大一部其中有很大一部分由交流電機構(gòu)成分由交流電機構(gòu)成.交流電機包括同步電機和異交流電機包括同步電機和異步電機兩大類。雖然同步電機和異步電機在運行步電機兩大類。雖然同步電機和異步電機在運行原理和結(jié)構(gòu)上有很多不同，但它們之間也有許多原理和結(jié)構(gòu)上有很多不同，但它們之間也有許多相同之處，例如交流繞組構(gòu)成及其感應電動勢和相同之處，例如交流繞

2、組構(gòu)成及其感應電動勢和磁動勢。因此，在這一章里磁動勢。因此，在這一章里,我們將著重對交流我們將著重對交流電機的共同問題給予講解電機的共同問題給予講解. 和變壓器相仿，在交流電機中要進行能量的轉(zhuǎn)換和變壓器相仿，在交流電機中要進行能量的轉(zhuǎn)換必須要有繞組。交流繞組盡管形式多樣，但其基必須要有繞組。交流繞組盡管形式多樣，但其基本功能相同，即感應電動勢、導通電流和產(chǎn)生電本功能相同，即感應電動勢、導通電流和產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，所以其構(gòu)成原則也基本相同。一般來說，磁轉(zhuǎn)矩，所以其構(gòu)成原則也基本相同。一般來說，對交流繞組有以下一些基本要求對交流繞組有以下一些基本要求:n（1）在一定的導體數(shù)下，有合理的最大繞組合）在一

3、定的導體數(shù)下，有合理的最大繞組合成電動勢和磁動勢。成電動勢和磁動勢。n（2）各相的相電動勢和相磁動勢波形力求接近）各相的相電動勢和相磁動勢波形力求接近正弦波，即要求盡量減少它們的高次諧波分量。正弦波，即要求盡量減少它們的高次諧波分量。n（3）對三相繞組，各相的電動勢和磁動勢要求）對三相繞組，各相的電動勢和磁動勢要求對稱（大小相等且相位上互差對稱（大小相等且相位上互差120），并且三），并且三相阻抗也要求相等。相阻抗也要求相等。n（4）繞組用銅量少，絕緣性能和機械強度可靠，）繞組用銅量少，絕緣性能和機械強度可靠，散熱條件散熱條件 n（5）繞組的制造、安裝和檢修要方便。）繞組的制造、安裝和檢修要方

4、便。6.1.2 繞組的分類繞組的分類:n由于交流電機應用范圍非常廣，不同類型的交流由于交流電機應用范圍非常廣，不同類型的交流電機對繞組的要求也各不相同，因此交流繞組的電機對繞組的要求也各不相同，因此交流繞組的種類也非常多。其主要分類方法有：種類也非常多。其主要分類方法有：n（1）按槽內(nèi)層數(shù)分，可分為單層和雙層繞組。）按槽內(nèi)層數(shù)分，可分為單層和雙層繞組。其中，單層繞組又可分為鏈式、交叉式和同心式其中，單層繞組又可分為鏈式、交叉式和同心式繞組；雙層繞組又可分為疊繞組和波繞組。繞組；雙層繞組又可分為疊繞組和波繞組。n（2）按相數(shù)分，可分為單相、兩相、三相及多）按相數(shù)分，可分為單相、兩相、三相及多相繞

5、組。相繞組。n（3）按每極每相槽數(shù)，可分為整數(shù)槽和分數(shù)槽）按每極每相槽數(shù)，可分為整數(shù)槽和分數(shù)槽繞組。繞組。n盡管交流繞組種類很多，但由于三相雙層繞組能盡管交流繞組種類很多，但由于三相雙層繞組能較好地滿足對交流繞組的基本要求較好地滿足對交流繞組的基本要求 ，所以現(xiàn)代動，所以現(xiàn)代動力用交流電機一般多采用三相雙層繞組。力用交流電機一般多采用三相雙層繞組。6.2 槽電動勢星形圖槽電動勢星形圖6.2.1 相關概念的介紹相關概念的介紹:（1）極對數(shù)：指電機主磁極的對數(shù)，通常用）極對數(shù)：指電機主磁極的對數(shù)，通常用p表示。表示。（2）電角度：在電機理論中，我們把一對主磁極所）電角度：在電機理論中，我們把一對主

6、磁極所占的空間距離，稱為占的空間距離，稱為360的空間電角度。的空間電角度。 （3）機械角度：一個圓周真正的空間角度為機械角）機械角度：一個圓周真正的空間角度為機械角度度360。很明顯，電角度。很明顯，電角度=極對數(shù)極對數(shù)機械角度。機械角度。（4）槽距角：相鄰兩槽間的距離用電角度表示，叫）槽距角：相鄰兩槽間的距離用電角度表示，叫做槽距角，用做槽距角，用 表示。表示。Zp360（5）極距：極距指電機一個主磁極在電樞表面所）極距：極距指電機一個主磁極在電樞表面所占的長度。其表示方法很多，可用槽數(shù)：占的長度。其表示方法很多，可用槽數(shù)： 空間長度空間長度（6）每極每相槽數(shù)：在交流電機中，每極每相占）每

7、極每相槽數(shù)：在交流電機中，每極每相占有的平均槽數(shù)有的平均槽數(shù)q是一個重要的參數(shù)，如電機槽數(shù)是一個重要的參數(shù)，如電機槽數(shù)為為Z，極對數(shù)為，極對數(shù)為p，相數(shù)為，相數(shù)為m。則得：。則得： q=1的繞組稱為集中繞組，的繞組稱為集中繞組，q1的繞組稱為分布的繞組稱為分布繞組。繞組。pZ2pD2 pmZq26.2.2 槽電動勢星形圖：槽電動勢星形圖： 槽電動勢星形圖：槽電動勢星形圖：當把電樞上各槽內(nèi)導體當把電樞上各槽內(nèi)導體按正弦規(guī)律變化的電動勢分別用相量表示按正弦規(guī)律變化的電動勢分別用相量表示時，這些相量構(gòu)成一個輻射星形圖，槽電時，這些相量構(gòu)成一個輻射星形圖，槽電動勢星形圖是分析交流繞組的有效方法，動勢星

8、形圖是分析交流繞組的有效方法，下面我們用具體例子來說明。下面我們用具體例子來說明。 例：下圖是一臺三相同步發(fā)電機的定子槽例：下圖是一臺三相同步發(fā)電機的定子槽內(nèi)導體沿電樞內(nèi)圓周的分布情況，已知內(nèi)導體沿電樞內(nèi)圓周的分布情況，已知2p=4,電樞槽數(shù)電樞槽數(shù)Z=24,轉(zhuǎn)子磁極逆時針方轉(zhuǎn)子磁極逆時針方向旋轉(zhuǎn)，試繪出槽電動勢星形圖。向旋轉(zhuǎn)，試繪出槽電動勢星形圖。解：先計算槽距角：解：先計算槽距角： 設同步電機的轉(zhuǎn)子磁極磁場的磁通密度沿電機氣設同步電機的轉(zhuǎn)子磁極磁場的磁通密度沿電機氣隙按正弦規(guī)律分布，則當電機轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)時，隙按正弦規(guī)律分布，則當電機轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)時，均勻分布在定子圓周上的導體切割磁力線，

9、感應均勻分布在定子圓周上的導體切割磁力線，感應出電動勢。由于各槽導體在空間電角度上彼此相出電動勢。由于各槽導體在空間電角度上彼此相差一個槽距角差一個槽距角，因此導體切割磁場有先有后，因此導體切割磁場有先有后，各槽導體感應電動勢彼此之間存在著相位差，其各槽導體感應電動勢彼此之間存在著相位差，其大小等于槽距角大小等于槽距角。 00030243602360Zp 從槽電動勢星形圖上我們可以看出：從槽電動勢星形圖上我們可以看出： 槽電動勢星形圖的一個圓周的距離使用電槽電動勢星形圖的一個圓周的距離使用電角度角度3600，即一對磁極的距離。所以，即一對磁極的距離。所以，112號相量和號相量和1324重合。重

10、合。一般來說一般來說,當用相量表示各槽的導體的感應電當用相量表示各槽的導體的感應電動勢時動勢時,由于一對磁極下有由于一對磁極下有Z/P個槽個槽,因此一因此一對磁極下的對磁極下的Z/P個槽電動勢相量均勻分布個槽電動勢相量均勻分布在在3600的范圍內(nèi)的范圍內(nèi),構(gòu)成一個電動勢星形圖構(gòu)成一個電動勢星形圖.6.3 三相單層繞組和雙層繞組三相單層繞組和雙層繞組 定義定義:定子或轉(zhuǎn)子每槽中只有一個線圈邊的三相交定子或轉(zhuǎn)子每槽中只有一個線圈邊的三相交流繞組稱為三相單層繞組。流繞組稱為三相單層繞組。一、相關概念一、相關概念: 1、 線圈（元件）：是構(gòu)成繞組的基本元件，線圈（元件）：是構(gòu)成繞組的基本元件，它由它由

11、Nc根線匝串聯(lián)而成，線圈中嵌放在槽內(nèi)的根線匝串聯(lián)而成，線圈中嵌放在槽內(nèi)的部分稱為有效線圈邊，線圈邊之間的連接部分部分稱為有效線圈邊，線圈邊之間的連接部分稱為端部。如圖：稱為端部。如圖： Y1：線圈的第一節(jié)距，常用槽數(shù)來進行表示。：線圈的第一節(jié)距，常用槽數(shù)來進行表示。 y1 =，則稱線圈為整距線圈，則稱線圈為整距線圈，y1為長距。為長距。2、單層繞組：、單層繞組： 三相交流繞組由于每槽中只包含一個線圈三相交流繞組由于每槽中只包含一個線圈邊，所以其線圈數(shù)為槽數(shù)的一半。三相單層邊，所以其線圈數(shù)為槽數(shù)的一半。三相單層繞組比較適合于繞組比較適合于10KW以下的小型交流異以下的小型交流異步電機中，很少在大

12、、中型電機中采用。步電機中，很少在大、中型電機中采用。3、 分類：按照線圈的形狀和端部連接方法分類：按照線圈的形狀和端部連接方法的不同，三相單層繞組主要可分為鏈式、同的不同，三相單層繞組主要可分為鏈式、同心式和交叉式等型式。心式和交叉式等型式。 介紹一個相關概念：介紹一個相關概念： 分相：由于繞組為三相繞組，因此還需把分相：由于繞組為三相繞組，因此還需把各槽導體分為三相，在槽電動勢星形圖上各槽導體分為三相，在槽電動勢星形圖上劃分各相所屬槽號。分相的原則是使每相劃分各相所屬槽號。分相的原則是使每相電動勢最大，并且三相的電動勢相互對稱。電動勢最大，并且三相的電動勢相互對稱。通常三相繞組使用通常三相

13、繞組使用60分相法，即把槽電分相法，即把槽電動勢星形圖動勢星形圖6等分，每一等分稱為一個相帶，等分，每一等分稱為一個相帶，依次分別為依次分別為A、Z、B、X、C、Y相帶，如相帶，如 下所示：下所示： 相帶極數(shù) A Z B X C Y第一極數(shù) 1 23 45 67 89 1011 12第二極數(shù) 13 1415 16 17 18 19 20 21 22 23 24 雙層繞組：雙層繞組：指電機每一槽分為上下兩層，指電機每一槽分為上下兩層，線圈（元件）的一個邊嵌在某槽的上層，線圈（元件）的一個邊嵌在某槽的上層，另一邊安放在相隔一定槽數(shù)的另一槽的下另一邊安放在相隔一定槽數(shù)的另一槽的下層的一種繞組結(jié)構(gòu)。雙

14、層繞組的線圈結(jié)構(gòu)層的一種繞組結(jié)構(gòu)。雙層繞組的線圈結(jié)構(gòu)和單層繞組相似，但由于其一槽可安放兩和單層繞組相似，但由于其一槽可安放兩個線圈邊，所以雙層繞組的線圈數(shù)和槽數(shù)個線圈邊，所以雙層繞組的線圈數(shù)和槽數(shù)正好相等。根據(jù)雙層繞組線圈形狀和連接正好相等。根據(jù)雙層繞組線圈形狀和連接規(guī)律，三相雙層繞組可分為疊繞組和波繞規(guī)律，三相雙層繞組可分為疊繞組和波繞組兩大類。下面僅介紹疊繞組。組兩大類。下面僅介紹疊繞組。 疊繞式：任何兩個相鄰的線圈都是后一個疊繞式：任何兩個相鄰的線圈都是后一個“緊疊緊疊”在另一個上面，故稱為疊繞組。在另一個上面，故稱為疊繞組。 雙層疊繞組的主要優(yōu)點在于：雙層疊繞組的主要優(yōu)點在于：1）可以

15、靈活地選擇線圈節(jié)距來改善電動勢）可以靈活地選擇線圈節(jié)距來改善電動勢和磁和磁 動勢波形；動勢波形；2）各線圈節(jié)距、形狀相同，便于制造；）各線圈節(jié)距、形狀相同，便于制造；3）可以得到較多的并聯(lián)支路數(shù)；）可以得到較多的并聯(lián)支路數(shù)；4）可采用短距線圈以節(jié)約端部用銅。）可采用短距線圈以節(jié)約端部用銅。主要缺點在于：主要缺點在于：1）嵌線較困難，特別是一臺電機的最后幾）嵌線較困難，特別是一臺電機的最后幾個線圈；個線圈；2）線圈組間連線較多，極數(shù)多時耗銅量較）線圈組間連線較多，極數(shù)多時耗銅量較大。一般大。一般10KW以上的中、小型同步電機以上的中、小型同步電機和異步電機及大型同步電機的定子繞組采和異步電機及大

16、型同步電機的定子繞組采用雙層疊繞組。下面我們通過具體例子來用雙層疊繞組。下面我們通過具體例子來說明疊繞組的繞制方法。說明疊繞組的繞制方法。三相交流電機三相交流電機Z=24，2p=4，試繪制，試繪制a=2的三相雙層疊繞組展開圖。的三相雙層疊繞組展開圖。解：先計算：解：先計算：（2）畫出電動勢星形圖）畫出電動勢星形圖（3）分相）分相30243602360Zp234242pmZq5642421ypZ，?。?）繪制繞組展開圖）繪制繞組展開圖: 將同一磁極下屬于同一相帶的線圈依次連將同一磁極下屬于同一相帶的線圈依次連成一個線圈組則成一個線圈組則A相可得四個線圈組，分相可得四個線圈組，分別為別為1-2，7

17、-8，13-14，19-20。同理。同理B、C兩相也各有兩相也各有4個線圈組。四個線圈組個線圈組。四個線圈組的電動勢的大小相等，但同一相的兩個相的電動勢的大小相等，但同一相的兩個相帶中的線圈組電動勢相位相反帶中的線圈組電動勢相位相反 .6.5 正弦分布磁場下繞組的電動勢正弦分布磁場下繞組的電動勢n在交流電機中，一般要求電機繞組中的感應電動在交流電機中，一般要求電機繞組中的感應電動勢隨時間作正弦變化，這就要求電機氣隙中磁場勢隨時間作正弦變化，這就要求電機氣隙中磁場沿空間為正弦分布。要得到完全嚴格的正弦波磁沿空間為正弦分布。要得到完全嚴格的正弦波磁場很難實現(xiàn)，但是可以采取各種結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸使場很難實

18、現(xiàn)，但是可以采取各種結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸使磁場盡可能接近正弦波，例如從磁極形狀、氣隙磁場盡可能接近正弦波，例如從磁極形狀、氣隙大小等方面進行考慮。在國家標準中，常用波形大小等方面進行考慮。在國家標準中，常用波形正弦性畸變率來控制電動勢波形的近似程度。正弦性畸變率來控制電動勢波形的近似程度。n本節(jié)首先研究在正弦分布磁場下定子繞組中感應本節(jié)首先研究在正弦分布磁場下定子繞組中感應出的電動勢，我們先看一個導體內(nèi)的電動勢的大出的電動勢，我們先看一個導體內(nèi)的電動勢的大小，在看線圈內(nèi)的。小，在看線圈內(nèi)的。一、一、 導體電動勢：導體電動勢： 當氣隙磁場的磁通密度當氣隙磁場的磁通密度B在空間按正弦波分布時，在空間按正弦

19、波分布時，設其最大磁密為設其最大磁密為Bm1，則：，則： B= Bm1sin 當導體切割氣隙磁場時：當導體切割氣隙磁場時：其中：其中：所以導體電動勢的有效值為：所以導體電動勢的有效值為：tEtlvBlvBeclmmclsinsin1fnpv2602lfBlvBEEmmmc111c1222又因為正弦波磁通密度的平均值為：又因為正弦波磁通密度的平均值為：每極磁通為：每極磁通為：都帶入上式：都帶入上式： 這是一個導體內(nèi)的電動勢，這是一個導體內(nèi)的電動勢， 下面我們展開看線圈下面我們展開看線圈內(nèi)的。內(nèi)的。1012sin1mmavBxdxBB lBav11122.2221ffEc二、線圈電動勢和短距系數(shù)：

20、二、線圈電動勢和短距系數(shù)： 線圈一般由線圈一般由Nc匝構(gòu)成，當匝構(gòu)成，當Nc=1時，為單匝線圈。時，為單匝線圈。1、單匝時：、單匝時： 稱為整距線圈。如圖所示：稱為整距線圈。如圖所示：由于整距線匝兩有效邊感應電動勢的瞬時值大小由于整距線匝兩有效邊感應電動勢的瞬時值大小相等而方向相反，故整距線匝的感應電動勢為：相等而方向相反，故整距線匝的感應電動勢為：y1= n其有效值為：其有效值為：n而對于而對于 的短距線圈，其有效邊的感的短距線圈，其有效邊的感應電動勢相量相位差應電動勢相量相位差 所所n以短距線匝的電動勢為：以短距線匝的電動勢為：111)(121cccytEEEE111)(144. 4222

21、1ffEEcyt y1 IBNBkN1,則則A、B兩相的磁動勢兩相的磁動勢分別為分別為:n其中其中:)90sin(2sin2tIitIiBBAA)90sin()90cos(sincos11tFftFfBBAA119.0,9.0NBBBNAAAkpNIFkpNIF 可見可見,此時的此時的A,B相繞組所產(chǎn)生相繞組所產(chǎn)生 的磁動勢的大小的磁動勢的大小并不相等并不相等,下面我們用空間矢量法來進行分析下面我們用空間矢量法來進行分析: 在在t=90瞬間，仍將兩相磁動勢的基波各自瞬間，仍將兩相磁動勢的基波各自分解為正、反向的兩個旋轉(zhuǎn)磁動勢，然后將每個分解為正、反向的兩個旋轉(zhuǎn)磁動勢，然后將每個旋轉(zhuǎn)磁動勢用一個旋轉(zhuǎn)的空間矢量來表示。旋轉(zhuǎn)磁動勢用一個旋轉(zhuǎn)的空間矢量來表示。BAFFF1n顯然，正轉(zhuǎn)合成基波磁動勢是一個圓形旋轉(zhuǎn)磁動顯然，正轉(zhuǎn)合成基波磁動勢是一個圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢。而反轉(zhuǎn)合成基波磁動勢等于勢。而反轉(zhuǎn)合成基波磁動勢等于 :n反轉(zhuǎn)合成基波磁動勢仍為圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢。與前反轉(zhuǎn)合成基波磁動勢仍為圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢。與前面對稱情況下不同的是這時反轉(zhuǎn)合成基波磁動勢面對稱情況下不同的是這時反轉(zhuǎn)合成基波磁動勢的幅值不為零。的幅值不為零。BAFFF1 既然在電機里同時存在著正、反轉(zhuǎn)合成基波磁動既然在電機里同時存在著正、反轉(zhuǎn)合成基波磁動勢，就應該把它們相加起來，從而得出勢，就應該把它們相加起來，從而得出 總磁動