電機學(xué)-交流繞組

（1）交流繞組基本概念和構(gòu)成原理

（2）交流繞組的感應(yīng)電動勢的波形、頻率、大小（3）交流繞組磁動勢的時空概念（1）電角度概念（2）交流繞組磁勢的時空概念難點內(nèi)容：第四章交流繞組重點內(nèi)容：4.1交流繞組的構(gòu)成原則和分類4.2三相雙層繞組4.4交流繞組的感應(yīng)電動勢4.6單相繞組的磁動勢4.7三相繞組的磁動勢第四章交流繞組4.3三相單層繞組3第四章交流繞組及其電動勢和磁動勢主要內(nèi)容：交流繞組的構(gòu)成，繞組連接規(guī)律及電動勢和磁動勢。交流電機

同步電機：主要作為發(fā)電機，也可作為電動機和補償機。感應(yīng)電機：主要作為電動機，有時也作發(fā)電機。同步電機和異步電機雖然激磁方式和運行特性有很大差別，但電機定子中發(fā)生的電磁現(xiàn)象和機電能轉(zhuǎn)換的原理卻基本上是相同的，因此存在許多共性問題，可統(tǒng)一進行研究。本章就是研究交流電機的繞組、電動勢、磁動勢問題。這些問題對于分別研究異步電機和同步電機的運行性能有著重要意義。4.1交流繞組的構(gòu)成原則和分類一、構(gòu)成原則(1)合成電動勢和合成磁動勢的波形要接近于正弦形、幅值要大；(2)對三相繞組，各相的電動勢和磁動勢要對稱，電阻、電抗要平衡；(3)繞組的銅耗要小，用銅量要?。?4)絕緣要可靠，機械強度、散熱條件要好，制造要方便。5本章主要介紹三相整數(shù)槽繞組。二、交流繞組的分類按相數(shù)分單相三相按每極每相槽數(shù)分整數(shù)槽分?jǐn)?shù)槽按槽內(nèi)層數(shù)分單層

雙層同心式交叉式鏈?zhǔn)蒋B繞波繞定子鐵心定子繞組定子鐵心和繞組交流電機的簡單工作原理同步發(fā)電機原理結(jié)構(gòu)示意圖導(dǎo)體感應(yīng)電動勢大小波形頻率三相對稱性導(dǎo)體交流繞組4.2交流三相繞組一、基本術(shù)語二、三相單層繞組（6）單層繞組的不同端接方式例：三相四極36槽定子，繪制交叉式繞組展開圖三、三相雙層繞組

波繞組

4.4交流繞組的感應(yīng)電動勢一、空間坐標(biāo)的建立及氣隙磁密的分布二、導(dǎo)體中的電動勢三、線圈的電動勢及節(jié)距因數(shù)四、線圈組的電動勢及分布因數(shù)五、相電動勢及線電動勢六、基波電動勢與磁通鏈間的相位關(guān)系54

本節(jié)討論主極磁場非正弦分布時所引起的諧波電動勢。

以上我們假定主極磁場在氣隙內(nèi)為正弦分布，實際上，主極磁場并非完全按正弦規(guī)律分布，此時將磁場波進行諧波分析，可得基波和一系列高次諧波，相應(yīng)的交流繞組中感應(yīng)電動勢除基波外還有一系列高次諧波電動勢。本節(jié)討論非正弦磁場分布所引起的諧波電動勢及其削弱的方法。

4.5感應(yīng)電動勢中的高次諧波

55一、高次諧波電動勢交流電機中氣隙磁場分布一般呈平頂波如右圖所示，應(yīng)用富氏級數(shù)可將其分解為基波和一系列諧波的合成。因主極磁場分布與磁極中心線相對稱，故偶次諧波為零，所以磁場中僅存在奇次諧波（1，3，5…7），為清楚起見，圖中只畫出1，3，5，次諧波，且次數(shù)越高，幅值越小。56二、齒諧波電動勢

在高次諧波中，有一種次數(shù)為的諧波，稱為齒諧波，由該次諧波感應(yīng)的電動勢稱為齒諧波電動勢。齒諧波的特點：1、諧波次數(shù)與一對極下的齒數(shù)（槽數(shù)）之間具有特定關(guān)系。2、諧波的繞組因數(shù)與基波相等。57結(jié)論：1、齒諧波繞組因數(shù)與基波繞組因數(shù)相等；

2、除齒諧波外，ν越高，分布因數(shù)及節(jié)距因數(shù)越小。

因齒諧波的繞組因數(shù)等于基波的繞組因數(shù)，使齒諧波電動勢較強，而其他高次諧波如5、7次分布因數(shù)較基波小得多，所以采用分布和短距繞組可消弱這些高次諧波。為一對極下的電角度58

由于齒諧波較強，致使電動勢波形出現(xiàn)明顯的諧波波紋。

齒諧波電動勢比較強的原因，主要是由于電機定子有齒和槽，使得沿電樞圓周各點氣隙的磁導(dǎo)不相等，齒下氣隙較小，磁導(dǎo)較大，而槽口處氣隙較大，磁導(dǎo)較小。若不開槽時氣隙中主極磁場為近于正弦分布的曲線，如右圖曲線1。開槽以后在正弦曲線上疊加一個與定子齒數(shù)相對應(yīng)的附加周期性磁導(dǎo)分量，導(dǎo)致氣隙磁場的分布發(fā)生改變。可以看出：齒諧波繞組因數(shù)與基波繞組因數(shù)相等；其他諧波繞組因數(shù)較小。59三、考慮諧波時相電動勢和線電動勢的有效值

考慮諧波電動勢時，

相電動勢的有效值應(yīng)為：線電動勢：（星接法）

（角接法）對于線電動勢無論是角接還是星接，均無3及3的倍數(shù)次諧波。在星形接法的三相系統(tǒng)中，因各相的三次諧波大小相等，相位相同，互相抵消，所以線電動勢中不存在三次諧波電動勢。注：60在角接的三相系統(tǒng)中，同相的三次諧波電動勢將在閉合的三角中形成環(huán)流。

由于完全降落在繞組阻抗Z3上，所以線端不會出現(xiàn)三次諧波電動勢。但是三次諧波環(huán)流所產(chǎn)生的雜散損耗，會使電機效率下降，溫升增高，所以一般采用星形連接。61四、諧波的危害電動勢中如存在高次諧波，將使電動勢波形變壞，產(chǎn)生很多不良影響：

1、

電機損耗增大，效率下降，溫升增加。

2、

高次諧波產(chǎn)生的電磁場對鄰近的通訊線路產(chǎn)生干擾。

3、

產(chǎn)生有害附加轉(zhuǎn)距，造成電機運行性能變壞。利用諧波：1、諧波勵磁發(fā)電機。

2、利用諧波起動的感應(yīng)電動機。62五、削弱諧波電動勢的方法在設(shè)計電機時，應(yīng)盡可能削弱電動勢中的高次諧波分量，國標(biāo)規(guī)定（GB755-81電機基本技術(shù)要求）對300kVA以上的同步發(fā)電機，線電壓波形的正弦波畸變率不應(yīng)超過5%。正弦波畸變率下面分別介紹減小諧波電動勢和齒諧波電動勢的方法。

1、減少諧波電動勢的方法

可通過減小KWV和削弱。63適當(dāng)?shù)剡x擇線圈的節(jié)距，可使某次諧波的節(jié)距因數(shù)接近或等于零，以達到削弱或消除某次諧波的目的。（1）選用短距繞組

如要消除v次諧波，只要使

即盡可能接近整距的短距則上式表明，要消除v次諧波，只要選用比整距短的短距線圈即可。

64如要消除5次諧波取比整距短右圖所示采用可將5次諧波完全消除。65線圈節(jié)距變化時，基波和諧波節(jié)距因數(shù)如何變化？由于三相繞組采用了星形或角形的連接，線電壓中已不存在3及3的倍數(shù)次諧波，所以選節(jié)距時主要考慮削弱5、7次諧波。通常選66（2）采用分布繞組

當(dāng)q增加時，基波的分布因數(shù)減小不多，但諧波的分布因數(shù)顯著減小。所以就分布繞組來說，每極每相槽數(shù)q越多，抑制諧波電動勢的效果越好。但q增多，必增加電機槽數(shù)，使電機成本提高?？紤]到q>6時，分布因數(shù)的下降已不明顯，所以一般選6≥q≥2，圖4-20表示不同q值時，諧波分布因數(shù)的變化情況。67（3）削弱諧波磁場凸極同步電機改善磁極極靴外型，隱極同步電機勵磁繞組合理的分布，使磁極磁場沿電樞表面分布接近于正弦波。（4）三次和三的倍數(shù)次諧波的消除

三相繞組可接成三角形或星形。

凸極電機以上方法均不能削弱齒諧波電動勢。682、齒諧波電動勢減小的方法

對于齒諧波，由于其繞組因數(shù)與基波繞組因數(shù)相同，不能采用短距和分布的方法削弱它。目前采用以下幾種方法削弱齒諧波電動勢：（1）采用斜槽

采用斜槽后，同一根導(dǎo)體內(nèi)的各個小段在磁場中的位置互不相同，所以同一導(dǎo)體各段感應(yīng)電動勢不同，與直槽相比，導(dǎo)體中的感應(yīng)電動勢有所變化，理論分析證明采用斜槽可有效削弱齒諧波電動勢，但對基波和其他諧波也有削弱作用，為計及這一影響，在計算電動勢時，除了考慮節(jié)距因數(shù)和分布因數(shù)外，還應(yīng)考慮斜槽因數(shù)。69為了推導(dǎo)斜槽因數(shù)，把斜槽內(nèi)導(dǎo)體看為無限多根短直導(dǎo)體的串聯(lián)。相鄰直導(dǎo)體間有一微小的相位差α（α→0）短直導(dǎo)體數(shù)q→∞，而qα=β，β為整根導(dǎo)體斜過的電弧度，仿照分布因數(shù)的推導(dǎo)方法，可導(dǎo)出斜槽因數(shù)?；ǖ男辈垡驍?shù)為：70若導(dǎo)體斜過的距離用c來表示時，

次諧波的斜槽因數(shù)為：從以上可見，如用斜槽消除次諧波，應(yīng)使即71取

為了使，這兩個齒諧波都得到削弱。2mq：為一對極下的槽數(shù)，tZ：齒距。即斜過的距離等于一個齒距。

只要使斜過的距離等于該次空間諧波的波長，諧波電動勢相互抵消。所以，要消除齒諧波電動勢應(yīng)取采用斜槽后，可使齒諧波大大削弱。斜槽主要用于中、小型電機中。

72(2)采用分?jǐn)?shù)槽

在多極同步發(fā)電機（例如水輪發(fā)電機）中，常常采用分?jǐn)?shù)槽繞組來削弱齒諧波。由于每極每相槽數(shù)q=分?jǐn)?shù)，所以齒諧波次數(shù)一般為分?jǐn)?shù)或偶數(shù)，而主極磁極中僅含有奇次諧波，即不存在齒諧波磁場，也就不存在齒諧波電動勢。(3)采用半閉口槽和磁性槽楔

在小型電機中采用半閉口槽，中型電機中采用磁性槽楔來減小由于槽開口而引起的氣隙磁導(dǎo)變化和齒諧波。但采用半閉口槽工藝復(fù)雜。

4.4單相繞組的磁動勢一、整距線圈的磁動勢一個線圈