汽車(chē)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)技術(shù) 課件 第5章 交流電機(jī)繞組和磁場(chǎng)

交流電機(jī)繞組和磁場(chǎng)第5章5.1汽車(chē)交流電機(jī)的原理和結(jié)構(gòu)5.1.1電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生5.1.2交流電機(jī)結(jié)構(gòu)l.轉(zhuǎn)子通電的勵(lì)磁繞組5產(chǎn)生磁場(chǎng)，通過(guò)兩塊爪極3和轉(zhuǎn)子鐵心4把軸向的磁場(chǎng)引導(dǎo)到定子所在的徑向上。轉(zhuǎn)子鐵心也稱(chēng)為磁軛，磁軛和兩塊爪極壓裝在帶有滾花工藝的轉(zhuǎn)子軸上。磁場(chǎng)繞組的兩引出線(xiàn)分別焊接在與軸絕緣的兩個(gè)銅制滑環(huán)上，兩個(gè)電刷與滑環(huán)接觸，將直流電源引入磁場(chǎng)繞組。2．定子發(fā)電機(jī)的定子是發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能的關(guān)鍵部分，又稱(chēng)為電樞，其作用是發(fā)電，它由定子鐵心和對(duì)稱(chēng)的三相電樞繞組組成。定子鐵心由沖壓的內(nèi)側(cè)帶槽的環(huán)狀硅鋼片疊加后焊接或者鉚接而成，各硅鋼片之間用絕緣漆絕緣。3.整流器交流發(fā)電機(jī)的整流器也可稱(chēng)為整流橋，作用是把發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電變?yōu)橹绷麟?。整流器?只硅二極管和組成。整流橋由上橋板、下橋板、上整流管、下整流管和連線(xiàn)、螺栓等附件組成，正負(fù)極板之間有絕緣材料絕緣。4.端蓋端蓋的作用是固定電機(jī)本身和電機(jī)零部件的位置。交流發(fā)電機(jī)的前后端蓋由鋁合金鑄成，鋁合金為非導(dǎo)磁材料，可減少漏磁，并具有重聲量輕、散熱性好的優(yōu)點(diǎn)。5．電刷組件在后端蓋內(nèi)裝有電刷組件，電刷組件包括電刷、電刷架和電刷彈簧。電刷架有兩種形式，一種是外裝式，從發(fā)電機(jī)的外部拆下電刷彈簧蓋板即可拆下電刷；另一種是內(nèi)裝式，需拆開(kāi)發(fā)電機(jī)后才能拆下電刷。6．風(fēng)扇、皮帶輪為提高發(fā)電機(jī)的效率、減小發(fā)電機(jī)的體積，現(xiàn)在的發(fā)電機(jī)多在轉(zhuǎn)子爪極兩側(cè)安裝兩個(gè)風(fēng)扇葉片，這樣空氣由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的兩側(cè)進(jìn)入，從發(fā)電機(jī)定子繞組外側(cè)流出，擁有兩個(gè)通風(fēng)道，冷卻效果好，又稱(chēng)為雙風(fēng)道內(nèi)風(fēng)扇發(fā)電機(jī)。5.2交流電機(jī)的繞組5.2.1交流繞組基本理論交流繞組有多種分類(lèi)方法。按相數(shù)可分為單相、兩相、三相和多相繞組；按槽內(nèi)層數(shù)可分單層、雙層繞組、單雙層繞組和混合繞組，雙層繞組又分為疊繞組和波繞組，單層繞組又分為交叉式、同心式和鏈?zhǔn)降龋话疵繕O每相槽數(shù)可分為整數(shù)槽和分?jǐn)?shù)槽繞組。雖然交流繞組種類(lèi)較多，但它們的構(gòu)成原則基本相同，基本要求是：1）電動(dòng)勢(shì)和磁動(dòng)勢(shì)波形要接近正弦波，在一定導(dǎo)體數(shù)下力求獲得較大基波電動(dòng)勢(shì)和基波磁動(dòng)勢(shì)。2）三相繞組的電動(dòng)勢(shì)和磁動(dòng)勢(shì)必須對(duì)稱(chēng)，電阻和電抗要平衡。3）繞組銅耗小，用銅量少。4）絕緣可靠，機(jī)械強(qiáng)度高，散熱條件要好，制造和嵌線(xiàn)方便。1.電角度與機(jī)械角度

電機(jī)中，若磁場(chǎng)在空間按正弦波分布，則經(jīng)過(guò)一對(duì)極后磁場(chǎng)變化一個(gè)周期。電路理論中認(rèn)為一個(gè)周期為360°電角度，因此電機(jī)理論中將一對(duì)極所對(duì)應(yīng)的空間角度定義為360°電角度。電角度=p×機(jī)械角度2.節(jié)距一個(gè)線(xiàn)圈的兩個(gè)邊所跨的定子槽數(shù)稱(chēng)為節(jié)距，用y1表示，y1

應(yīng)接近極距τ

。用槽數(shù)表示時(shí)，極距τ定義為3.槽距角用電角度表示的相鄰兩槽之間的距離稱(chēng)為槽距角，用α表示.4.相帶

為保證電樞三相繞組產(chǎn)生大小相等、相位差120°的對(duì)稱(chēng)電動(dòng)勢(shì)。為了使繞組對(duì)稱(chēng)，通常令每個(gè)極面下每相繞組所占的范圍相等，這個(gè)范圍稱(chēng)為相帶。由于一個(gè)極對(duì)應(yīng)180°電角度，若電機(jī)相數(shù)為m，則每個(gè)相帶的寬度為180°/m，通常三相電機(jī)的相帶為60°電角度，按60°相帶排列的繞組稱(chēng)為60°相帶繞組。5.每極每相槽數(shù)

每相在每極下占有相等的槽數(shù)，即每個(gè)相帶所占有的槽數(shù)，稱(chēng)為每極每相槽數(shù)，用q表示5.2.2三相單層繞組

1.同心式

同心式繞組由不同節(jié)距的同心線(xiàn)圈組成，下面以2極、三相、24槽電機(jī)為例說(shuō)明。每極每相槽數(shù)為相帶AZBXCY一對(duì)極23，24，1，23，4，5，67，8，9，1011，12，13，1415，16，17，1819，20，21，222.鏈?zhǔn)嚼@組鏈?zhǔn)嚼@組的各個(gè)線(xiàn)圈具有相同的節(jié)距，各個(gè)線(xiàn)圈之間的連接是一環(huán)套一環(huán)，從外形看如同鐵索鏈，因此被稱(chēng)為鏈?zhǔn)嚼@組。鏈?zhǔn)嚼@組的節(jié)距恒為奇數(shù)。下面以6極、三相、36槽電機(jī)為例說(shuō)明。其每極每相槽數(shù)為相帶AZBXCY第一對(duì)極36，12，34，56，78，910，11第二對(duì)極12，1314，1516，1718，1920，2122，23第三對(duì)極24，2526，2728，2930，3132，3334，353.交叉式繞組

交叉式繞組是從鏈?zhǔn)嚼@組演變而來(lái)的，采用不等距線(xiàn)圈。下面以4極、三相、36槽電機(jī)為例說(shuō)明，每極每相槽數(shù)為相帶AZBXCY第一對(duì)極35，36，12，3，45，6，78，9，1011，12，1314，15，16第二對(duì)極17，18，1920，21，2223，34，2526，27，2829，30，3132，33，345.2.3三相雙層繞組1．雙層繞組的特點(diǎn)雙層繞組在每一個(gè)槽內(nèi)有上、下兩個(gè)線(xiàn)圈邊，每個(gè)線(xiàn)圈的一個(gè)邊嵌放在某一個(gè)槽的上層，另一個(gè)邊則嵌放在另一個(gè)槽的下層，兩者之間相隔y1個(gè)槽。1）線(xiàn)圈尺寸和形狀相同，便于制造。2）端部形狀排列整齊，有利于散熱和增加機(jī)械強(qiáng)度。3）可以利用短距繞組節(jié)約銅材。4）合理選擇節(jié)距和采用分布的方法，可以改善電動(dòng)勢(shì)和磁動(dòng)勢(shì)波形。2.槽電動(dòng)勢(shì)星形圖和相帶劃分交流電機(jī)的分析可以借助于槽電動(dòng)勢(shì)星形圖。相鄰兩槽在空間上相距α

電角度，因而對(duì)應(yīng)的導(dǎo)體內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相差α電角度。當(dāng)把各槽內(nèi)導(dǎo)體按正弦規(guī)律變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)用相量表示時(shí)，這些相量構(gòu)成一個(gè)輻射星形圖，稱(chēng)為槽電動(dòng)勢(shì)星形圖可以清晰地表示各槽內(nèi)導(dǎo)體電動(dòng)勢(shì)之間的相位關(guān)系，據(jù)此可劃分相帶和繪制繞組展開(kāi)圖。3.槽電動(dòng)勢(shì)星形圖的繪制

根據(jù)已知數(shù)據(jù)，求得每極每相槽數(shù)q和槽距角α分別為因各槽在空間互差20°電角度，所以相鄰槽中導(dǎo)體的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在時(shí)間上相差20°電角度。將1號(hào)槽內(nèi)電動(dòng)勢(shì)的相位設(shè)為0°，則2號(hào)槽內(nèi)電動(dòng)勢(shì)滯后于1號(hào)槽內(nèi)電動(dòng)勢(shì)20°。依此類(lèi)推，一直到18號(hào)槽滯后1號(hào)槽360°，經(jīng)過(guò)了一對(duì)極，在槽電動(dòng)勢(shì)星形圖上正好轉(zhuǎn)過(guò)一周。19號(hào)槽與1號(hào)槽完全重合，因?yàn)樗鼈冊(cè)诖艠O下處于對(duì)應(yīng)的位置，所以它們的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)同相位。從19號(hào)至36號(hào)槽，又經(jīng)過(guò)了一對(duì)極，在電動(dòng)勢(shì)星形圖上又轉(zhuǎn)過(guò)一周。一般來(lái)講，對(duì)于每極每相整數(shù)槽繞組，如電機(jī)有

對(duì)極，則有

個(gè)重疊的槽電動(dòng)勢(shì)星形。

相帶AZBXCY第一對(duì)極1，2，34，5，67，8，910，11，1213，14，1516，17，18第二對(duì)極19，20，2122，23，2425，26，2728，29，3031，32，3334，35，363.繞組展開(kāi)圖的繪制

繞組展開(kāi)圖的繪制是根據(jù)分相的結(jié)果，把屬于各相的導(dǎo)體按一定規(guī)律連接起來(lái)，組成對(duì)稱(chēng)三相繞組。根據(jù)線(xiàn)圈的形狀和連接規(guī)律的不同，雙層繞組也可分為疊繞組和波繞組兩類(lèi)。疊繞組的優(yōu)點(diǎn)是短距時(shí)能節(jié)省端部用銅及得到較多的并聯(lián)支路，缺點(diǎn)是線(xiàn)圈組間連接線(xiàn)較長(zhǎng)，在線(xiàn)圈組較多時(shí)浪費(fèi)銅材，主要用于10kW以上的交流電機(jī)定子繞組。5.2.4發(fā)卡繞組即使圓線(xiàn)繞組在定子槽內(nèi)排列非常緊密，兩根繞組之間的接觸面從剖面圖來(lái)看也僅為點(diǎn)接觸，而發(fā)卡繞組中繞組橫截面為長(zhǎng)方形，繞組之間的接觸為面接觸，面積比較大。因此發(fā)卡繞組的槽滿(mǎn)率較高，進(jìn)而它具有更大的電負(fù)荷和功率密度。5.3正弦磁場(chǎng)下交流繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)5.3.1導(dǎo)體的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)導(dǎo)體的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)主極磁場(chǎng)在氣隙空間內(nèi)按正弦分布，可以近似為2.感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率導(dǎo)體中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和磁極的極數(shù)有關(guān)，若電機(jī)為2極電機(jī)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一周為一個(gè)周期，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)交變一次，設(shè)轉(zhuǎn)子每分鐘轉(zhuǎn)n轉(zhuǎn)(即每秒

轉(zhuǎn))，則導(dǎo)體中電動(dòng)勢(shì)交變的頻率應(yīng)為

，若電機(jī)有p對(duì)極，則轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將交變p次，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率為3.導(dǎo)體感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值5.3.2整距線(xiàn)圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)5.3.3短距線(xiàn)圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)當(dāng)線(xiàn)圈采用短距時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)應(yīng)為5.3.4線(xiàn)圈組的電動(dòng)勢(shì)因每極下（雙層繞組）或每對(duì)極下（單層繞組）每相有一個(gè)線(xiàn)圈組，每個(gè)線(xiàn)圈組由q個(gè)線(xiàn)圈串聯(lián)組成，相鄰線(xiàn)圈在空間相差α電角度。5.3.5相電動(dòng)勢(shì)和線(xiàn)電動(dòng)勢(shì)電機(jī)有2p個(gè)極，這些極下屬于一相的線(xiàn)圈組根據(jù)需要串聯(lián)或并聯(lián)起來(lái)組成一相繞組。由電路理論可知，把一相中所串聯(lián)的線(xiàn)圈組電動(dòng)勢(shì)相加即為一相的電動(dòng)勢(shì)，將每相串聯(lián)總匝數(shù)簡(jiǎn)寫(xiě)為N，則一相繞組的電動(dòng)勢(shì)為5.4交流發(fā)電機(jī)工作特性l.空載特性空載特性是指發(fā)電機(jī)空載時(shí)，發(fā)電機(jī)端電壓U與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系。即：負(fù)載電流

時(shí)，

曲線(xiàn)。2．外特性外特性是指發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，發(fā)電機(jī)的端電壓與輸出電流之間的關(guān)系。即：n=C時(shí)，

的曲線(xiàn)。發(fā)電機(jī)在某一穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速下的Rz為一定值，如果E是穩(wěn)定的，則發(fā)電機(jī)的端電壓U將隨輸出電流增大而呈直線(xiàn)下降。