交流电机的绕组和电动势课件

10-1交流电机的工作原理，对绕组的基本要求交流电机的工作原理，对绕组的基本要求10-2三相单层分布绕组三相单层分布绕组10-3三相双层绕组三相双层绕组10-4交流绕组的感应电动势交流绕组的感应电动势第十章 交流电机的绕组和电动势10-1交流电机的工作原理，对绕组的基本要求第十章1第十章 交流电机的绕组和电动势基本要求：基本要求：1.了解交流绕组的基本概念了解交流绕组的基本概念2.掌握利用电动势星形相量图分析三相绕组的方法掌握利用电动势星形相量图分析三相绕组的方法3.掌握三相单层分布绕组和掌握三相单层分布绕组和三相双层叠绕组三相双层叠绕组的连接规律的连接规律4.理理解解基基波波绕绕组组因因数数的的物物理理意意义义，掌掌握握交交流流绕绕组组基基波波电电动动势势的计算的计算第十章交流电机的绕组和电动势基本要求：21.交流电机的基本工作原理交流电机交流电机同步电机：同步电机：n=n1异步电机：异步电机：n n11）同步电机的基本工作原理）同步电机的基本工作原理结构结构定子：定子铁心和三相对称交流绕组定子：定子铁心和三相对称交流绕组转子：转子铁心和励磁绕组转子：转子铁心和励磁绕组CAXBYZ定子定子转子转子NSn110-1 交流电机的工作原理，对绕组的基本要求同同步步发发电电机机的的工工作作原原理理：给给励励磁磁绕绕组组通通以以直直流流电电流流，电电机机中中产产生生磁磁场场；原原动动机机拖拖动动转转子子以以恒恒速速旋旋转转，磁磁场场与与定定子子导导体之间存在相对运动，定子绕组中感应产生交流电动势。体之间存在相对运动，定子绕组中感应产生交流电动势。1.交流电机的基本工作原理交流电机同步电机：n=n11）同步3频率：频率：波形：波形：取决于气隙磁密的波形取决于气隙磁密的波形同步电机的转速同步电机的转速n1称为同步转速。称为同步转速。三相电动势波形三相电动势波形CAXBYZNSn1导体感应电动势导体感应电动势大小：大小：方向：方向：用右手定则确定用右手定则确定频率：波形：取决于气隙磁密的波形同步电机的转速n1称为同步42）异步电机的基本工作原理）异步电机的基本工作原理结构结构定子：定子铁心和三相对称交流绕组定子：定子铁心和三相对称交流绕组转子：转子铁心和闭合的交流绕组转子：转子铁心和闭合的交流绕组鼠笼型异步电动机鼠笼型异步电动机2）异步电机的基本工作原理结构鼠笼型异步电动机5三相异步电动机的基本工作原理：三相异步电动机的基本工作原理：异步电机：异步电机：n n1NS定定子子三三相相绕绕组组接接三三相相对对称称交交流流电电源源，产产生生旋旋转转磁磁场场，产产生生转转速速为为n1的的气气隙隙旋转磁场旋转磁场;旋旋转转磁磁场场切切割割转转子子导导体体，产产生生感感应应电电动势动势；转子绕组中有电流流过；转子绕组中有电流流过；转转子子载载流流导导体体和和旋旋转转磁磁场场作作用用产产生生电电磁转矩，驱动转子以转速磁转矩，驱动转子以转速n转动转动。三相异步电动机的基本工作原理：异步电机：nn1NS定子62.对交流绕组的基本要求（1）在在导导体体数数一一定定的的条条件件下下，能能得得到到较较大大的的基基波波电电动动势势和和基波磁动势。基波磁动势。（2）电电动动势势和和磁磁动动势势波波形形应应尽尽量量接接近近正正弦弦波波，即即谐谐波波分分量量较小较小。（3）在在三三相相电电机机中中，三三相相绕绕组组的的电电动动势势和和磁磁动动势势要要对对称称，电阻、电抗要彼此相等。电阻、电抗要彼此相等。（4）用铜量少。）用铜量少。（5）具有足够的绝缘强度和机械强度，）具有足够的绝缘强度和机械强度，（6）运行中有较好的散热性能。）运行中有较好的散热性能。（7）制造工艺简单，维修方便。）制造工艺简单，维修方便。2.对交流绕组的基本要求（1）在导体数一定的条件下，能得到较73.交流绕组的分类按相数：按相数：单相绕组、两相绕组、三相绕组、多相绕组单相绕组、两相绕组、三相绕组、多相绕组按按槽槽内内层层数数：单单层层绕绕组组（等等元元件件式式、链链式式、同同心心式式和和交交叉叉式）、双层绕组（叠绕组、波绕组）式）、双层绕组（叠绕组、波绕组）按每极每相槽数：按每极每相槽数：整数槽、分数槽整数槽、分数槽单层绕组单层绕组上层边上层边下层边下层边双层绕组双层绕组下层边下层边上层边上层边3.交流绕组的分类按相数：单相绕组、两相绕组、三相绕组、多相84.交流绕组的基本概念1）线圈线圈线圈是构成交流绕组的基本单元，它由一匝或多匝串联而成。线圈是构成交流绕组的基本单元，它由一匝或多匝串联而成。端部端部端部端部有效边有效边单匝线圈单匝线圈多匝线圈多匝线圈多匝线圈简图多匝线圈简图4.交流绕组的基本概念1）线圈端部端部有效边单匝线圈多匝线圈92）电角度）电角度计量电磁关系的角度称为电角度。从电计量电磁关系的角度称为电角度。从电磁观点看，一对磁极占有的空间电角度磁观点看，一对磁极占有的空间电角度为为360。空间电角度空间电角度=极对数极对数p 空间机械角度空间机械角度3）极距）极距 一一个个磁磁极极在在定定子子铁铁心心内内圆圆表表面面所所占占的的距距离离，通通常常用用槽槽数数或或长度表示。长度表示。式中，式中，Q为定子总槽数，为定子总槽数，D为定子内圆的直径。为定子内圆的直径。或或2）电角度计量电磁关系的角度称为电角度。从电磁观点看，一对磁104）线圈节距）线圈节距y1一一个个线线圈圈的的两两个个有有效效边边在在定定子子内内圆圆所所跨跨的的距离距离，用所占槽数表示。用所占槽数表示。y1 长距绕组长距绕组5）槽距角）槽距角 相邻两槽之间相邻两槽之间相距相距的空间电角度的空间电角度。Q=36，2p=44）线圈节距y1y11分布绕组分布绕组q为整数为整数整数槽绕组整数槽绕组q为分数为分数分数槽绕组分数槽绕组6）相带）相带每相绕组在每个极面下连续占有的空间地带。每相绕组在每个极面下连续占有的空间地带。60 相带：相带：将一个极面分成将一个极面分成3等份，每份占有等份，每份占有60 电角度。电角度。120 相带：相带：将一对极面分成将一对极面分成3等份，每份占有等份，每份占有120 电角度。电角度。7）每极每相槽数qq1分布绕组6）相带60相带：将一1210-2 三相单层分布绕组单单层层绕绕组组：每每个个槽槽内内只只放放置置一一个个线线圈圈边边，线线圈圈数数等等于于槽槽数数的一半。的一半。例例10-1一一台台三三相相交交流流电电机机，定定子子绕绕组组为为三三相相单单层层分分布布绕绕组组，已已知知电电机机的的极极对对数数p=2，槽槽数数Q=24，每每相相并并联联支支路路数数a=1，试绘出其绕组展开图。试绘出其绕组展开图。1.计算参数槽距角槽距角极距极距10-2三相单层分布绕组单层绕组：每个槽内只放置一个线132.绘制电动势星形相量图每极每相槽数每极每相槽数46789101112513131618192021222324141715槽导体电动势星形图槽导体电动势星形图（p=2，m=3，Q=24）22.绘制电动势星形相量图每极每相槽数467891011125143.按60相带法分相分分相相的的原原则则：每每相相电电动动势势最最大，且三相电动势对称。大，且三相电动势对称。A相相带：1、2；13、14X相带：相带：7、8；19、20AXBYCZ4678910111251313161819202122232414171523.按60相带法分相分相的原则：每相电动势最大，且三相电动151234567891011121314151617181920212223244.绘制绕组展开图磁极转向磁极转向 单单层层绕绕组组：每每对对极极下下属属于于一一相相的的q个个线线圈圈按按电电动动势势相相加加的的原则串联成一个线圈组。每相共有原则串联成一个线圈组。每相共有p个线圈组。个线圈组。A相带：相带：1、2；13、14X相带：相带：7、8；19、20123456161）单层等元件式绕组）单层等元件式绕组每每相相并并联联支支路路数数a=1，属属于于A相相的的p个个线线圈圈组组按按电电动动势势相相加加的原则串联，即按的原则串联，即按“尾接头尾接头”的方法相连。的方法相连。123456789101112131415161718192021222324磁极转向磁极转向1）单层等元件式绕组每相并联支路数a=1，属于A相的p个线圈17每相并联支路数每相并联支路数a=p，属于，属于A相的相的p个线圈组按个线圈组按“头接头、尾头接头、尾接尾接尾”的方法并联。的方法并联。最大并联支路数最大并联支路数amax=p每相并联支路数每相并联支路数a=21）单层等元件式绕组）单层等元件式绕组123456789101112131415161718192021222324磁极转向磁极转向每相并联支路数a=p，属于A相的p个线圈组按“头接头、尾接尾182）单层链式绕组）单层链式绕组单单层层链链式式绕绕组组由由形形状状、几几何何尺尺寸寸和和节节距距都都相相同同的的线线圈圈连连接接而成，适用于而成，适用于q=2、极数较多的小型异步电动机。、极数较多的小型异步电动机。磁极转向磁极转向1234567891011121314151617181920212223242）单层链式绕组单层链式绕组由形状、几何尺寸和节距都相同的线195.单层分布绕组的特点每每个个槽槽内内只只有有一一个个线线圈圈边边，线线圈圈数数等等于于Q/2。每每相相有有p个个线线圈圈组组，每每个个线线圈圈组组由由q个个线圈串联而成。线圈串联而成。每相串联匝数为每相串联匝数为。6.单层分布绕组的优缺点槽内只有一个线圈边，嵌线方便。槽内只有一个线圈边，嵌线方便。无层间绝缘，槽的利用率高。无层间绝缘，槽的利用率高。不能利用短矩来削弱电动势和磁动势中的高次谐波。不能利用短矩来削弱电动势和磁动势中的高次谐波。5.单层分布绕组的特点每个槽内只有一个线圈边，线圈数等于Q/2010-3 三相双层绕组双双层层绕绕组组：每每槽槽中中有有两两个个线线圈圈边边，分分为为上上下下两两层层放放置置。线圈数等于槽数。线圈数等于槽数。双层绕组的优点：双层绕组的优点：（1）可采用短距，改善电动势、磁动势的波形；）可采用短距，改善电动势、磁动势的波形；（2）线圈尺寸相同，便于制造；）线圈尺寸相同，便于制造；（3）端部排列整齐，有利于散热和增加机械强度。）端部排列整齐，有利于散热和增加机械强度。双层绕组的分类：双层绕组的分类：叠绕组、波绕组叠绕组、波绕组双层绕组的应用场合：双层绕组的应用场合：10kW以上交流电机的定子绕组以上交流电机的定子绕组10-3三相双层绕组双层绕组：每槽中有两个线圈边，分21例例10-2一一台台三三相相交交流流电电机机，定定子子绕绕组组为为双双层层叠叠绕绕组组，定定子子槽槽数数Q=36，极极对对数数p=2，节节距距y1=7，并并联联支支路路数数a=1，试试绘绘制电动势星形图和绕组展开图。制电动势星形图和绕组展开图。1.计算参数极距极距槽距角槽距角每极每相槽数每极每相槽数例10-2一台三相交流电机，定子绕组为双层叠绕组，定子槽222.绘制电动势星形图对于对于双层绕组，基波电动势双层绕组，基波电动势星形相量图中的每一个相量星形相量图中的每一个相量代表各短距线圈的基波电动代表各短距线圈的基波电动势相量。势相量。Q=36，p=2，q=3，=20 3.按60相带法分相A相带：相带：线圈线圈1,2,3；线圈线圈19,20,21X相带：相带：线圈线圈10,11,12；线圈线圈28,29,30123456109871112131418171615192021222324252627282930313233343536AXBYCZ2.绘制电动势星形图对于双层绕组，基波电动势星形相量图中的每234.绘制绕组展开图A相带：线圈相带：线圈1,2,3；19,20,21X相带：线圈相带：线圈10,11,12；28,29,30磁极转向磁极转向y1=7双双层层绕绕组组：每每相相在在每每个个极极下下属属于于同同一一相相带带的的q个个线线圈圈串串联联起来组成一个线圈组。每相共有起来组成一个线圈组。每相共有2p个线圈组。个线圈组。1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435364.绘制绕组展开图A相带：线圈1,2,3；19,20244.绘制绕组展开图最大并联支路数最大并联支路数amax=2p每每相相并并联联支支路路数数a=1，属属于于A相相的的2p个个线线圈圈组组按按电电动动势势相相加加的原则串联，即按的原则串联，即按“头接头、尾接尾头接头、尾接尾”的方法相连。的方法相连。磁极转向磁极转向1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435364.绘制绕组展开图最大并联支路数amax=2p每相并联支路255.双层叠绕组的特点每个槽内放置上下两个线圈边，线圈数等于槽数每个槽内放置上下两个线圈边，线圈数等于槽数Q；每相有每相有2p个线圈组，每个线圈组由个线圈组，每个线圈组由q个线圈串联而成；个线圈串联而成；最大并联支路数最大并联支路数amax=2p；每相串联匝数每相串联匝数。5.双层叠绕组的特点每个槽内放置上下两个线圈边，线圈数等于槽2610-4 交流绕组的感应电动势1.导体的基波电动势导体的基波电动势2.整距线圈的基波电动势整距线圈的基波电动势3.短距线圈的基波电动势和基波节距因数短距线圈的基波电动势和基波节距因数4.线圈组的基波电动势和基波分布因数线圈组的基波电动势和基波分布因数5.相电动势和线电动势相电动势和线电动势6.感应电动势中的高次谐波感应电动势中的高次谐波10-4交流绕组的感应电动势1.导体的基波电动势27ANSCAXBYZNSn11.导体的基波电动势1）电动势的波形电动势的波形取原点在转子上取原点在转子上b=0处，则处，则基波气隙磁密基波气隙磁密假假设设t=0时时，导导体体A位位于于=0处处，则则当当时时间间为为t时时，导导体体A位位于于=t处，处，ANSCAXBYZNSn11.导体的基波电动势1）电动势的波282）电动势的频率电动势的频率3）电动势的有效值电动势的有效值ANS2）电动势的频率3）电动势的有效值ANS29NS2.整距线圈的基波电动势整距整距线匝的基波匝的基波电动势相量相量为整距线匝基波整距线匝基波电动势的有效的有效值为线圈圈有有NK匝匝，则整整距距线线圈圈基基波波电电动动势势的有效值的有效值为NS2.整距线圈的基波电动势整距线匝的基波电动势相量为整距线303.短距线圈的基波电动势及基波节距因数短距线圈的节距用电角度短距线圈的节距用电角度 表示时，为表示时，为短距线匝的基波电动势为短距线匝的基波电动势为短距线匝基波电动势的有效值为短距线匝基波电动势的有效值为NS3.短距线圈的基波电动势及基波节距因数短距线圈的节距用电角度31线圈有线圈有NK 匝，则线圈的匝，则线圈的基波基波电动势为电动势为kp1的的物物理理意意义义：线线圈圈采采用用短短距距时时，基基波波电电动动势势比比整整距距时时应应打的折扣。打的折扣。式中，式中，称为基波节距因数。称为基波节距因数。线圈有NK匝，则线圈的基波电动势为kp1的物理意义：线圈324.线圈组的基波电动势及基波分布因数每每个个线线圈圈组组都都由由q个个在在空空间间互互差差一一个个槽槽距距角角 的的线线圈圈串串联联组组成，成，线圈组的基波电动势为线圈组的基波电动势为123式中，式中，r为外接圆的半径。为外接圆的半径。4.线圈组的基波电动势及基波分布因数每个线圈组都由q个在空间33线圈的基波电动势为线圈的基波电动势为式中，式中，称为基波分布因数。称为基波分布因数。kd1的的物物理理意意义义：绕绕组组采采用用分分布布线线圈圈时时，基基波波电电动动势势比比采采用用集中线圈时应打的折扣。集中线圈时应打的折扣。线圈的基波电动势为式中，34线圈组的基波电动势为线圈组的基波电动势为式中，式中，qNK q个线圈的总匝数；个线圈的总匝数；基波绕组因数。基波绕组因数。kdp1的的物物理理意意义义：考考虑虑绕绕组组的的短短距距和和分分布布影影响响时时，绕绕组组的的基基波电动势与整距集中绕组比较应打的总折扣。波电动势与整距集中绕组比较应打的总折扣。线圈组的基波电动势为式中，qNKq个线圈的总匝数；355.相电动势和线电动势1）单层绕组）单层绕组每每相相有有p个个线线圈圈组组，每每个个线线圈圈组组由由q个个线线圈圈串串联联而而成成，若若并并联支路数为联支路数为a，则，则一相绕组基波电动势的有效值为一相绕组基波电动势的有效值为式中，式中，为单层绕组的每相串联匝数。为单层绕组的每相串联匝数。5.相电动势和线电动势1）单层绕组每相有p个线圈组，每个线圈362）双层绕组）双层绕组每每相相有有2p个个线线圈圈组组，每每个个线线圈圈组组由由q个个线线圈圈串串联联而而成成，若若并联支路数为并联支路数为a，则，则一相绕组基波电动势的有效值为一相绕组基波电动势的有效值为式中，式中，为双层绕组的每相串联匝数。为双层绕组的每相串联匝数。2）双层绕组每相有2p个线圈组，每个线圈组由q个线圈串联而成37一相绕组基波电动势的有效值为一相绕组基波电动势的有效值为星形连接：星形连接：三角形连接：三角形连接：3）线电动势）线电动势式中，式中，N1为绕组的每相串联匝数。为绕组的每相串联匝数。一相绕组基波电动势的有效值为星形连接：三角形连接：3）线电动386.感应电动势中的高次谐波1）高次谐波电动势）高次谐波电动势谐波磁场的性质谐波磁场的性质极距极距极对数极对数转速转速谐波电动势的频率谐波电动势的频率槽距角槽距角NSA凸极同步电机的主极磁场凸极同步电机的主极磁场6.感应电动势中的高次谐波1）高次谐波电动势极距极对数转速谐39谐波电动势的有效值谐波电动势的有效值式中，式中，为为v次谐波绕组因数；次谐波绕组因数；v为为v次谐波每极次谐波每极磁通量。磁通量。2）考虑谐波电动势时相电动势的有效值）考虑谐波电动势时相电动势的有效值计算表明：计算表明：谐波电动势的有效值式中，403）谐波电动势的危害）谐波电动势的危害电电动动势势中中如如存存在在高高次次谐谐波波，将将使使电电动动势势波波形形变变坏坏，产产生生很很多多不良影响：不良影响：电机的附加损耗增大，效率下降，温升增加。电机的附加损耗增大，效率下降，温升增加。高次谐波产生的电磁场对邻近的通讯线路产生干扰。高次谐波产生的电磁场对邻近的通讯线路产生干扰。产生有害附加转距，造成电机运行性能变坏。产生有害附加转距，造成电机运行性能变坏。4）谐波电动势的削弱方法）谐波电动势的削弱方法通过减小通过减小kdpv或或 v可降低可降低E v。3）谐波电动势的危害4）谐波电动势的削弱方法通过减小kdpv414）谐波电动势的削弱方法）谐波电动势的削弱方法采用短距绕组采用短距绕组取取2K=v 1，则则采用节距采用节距可消除可消除v次谐波。次谐波。采用分布绕组采用分布绕组一般取一般取2 q 6。当当q=6时，kq1=0.9561，kq3=0.6440，kq5=0.1927。4）谐波电动势的削弱方法采用短距绕组取2K=v1，则采用42 改善主磁场的分布改善主磁场的分布利用利用三相绕组的联结来消除线电动势中的三相绕组的联结来消除线电动势中的3次及其倍数次次及其倍数次谐波谐波改善主磁场的分布利用三相绕组的联结来消除线电动势中的3次43 改善主磁场的分布改善主磁场的分布利利用用三三相相绕绕组组的的联联结结来来消消除除线线电电动动势势中中的的3次次及及其其奇奇次次倍倍谐波谐波三三相相绕绕组组采采用用Y接接，可可以以消消除除线线电电动动势势中中的的3次次及及其其奇奇次次倍倍谐波。谐波。三三相相绕绕组组采采用用 接接，可可以以消消除除线线电电动动势势中中的的3次次及及其其奇奇次次倍倍谐谐波波。但但在在闭闭合合的的三三角角形形内内部部会会产产生生3次次及及其其奇奇次次倍倍谐谐波波环环流，引起附加损耗，导致温升增加和效率降低流，引起附加损耗，导致温升增加和效率降低。改善主磁场的分布利用三相绕组的联结来消除线电动势中的3次44小 结1.对对交交流流绕绕组组的的基基本本要要求求是是在在导导体体数数一一定定时时能能获获得得较较大大的的基基波波电电动动势势(磁磁动动势势)，电电动动势势（磁磁动动势势）接接近近正正弦弦波波，三三相相绕绕组的组的电动势电动势（磁动势）（磁动势）对称。对称。2.电电动动势势星星形形相相量量图图是是分分析析交交流流绕绕组组最最基基本本的的一一种种方方法法，先先利用它分相，然后按电动势相加的原则连接绕组。利用它分相，然后按电动势相加的原则连接绕组。绕组的基本参数：绕组的基本参数：极距极距每极每相槽数每极每相槽数槽距角槽距角小结1.对交流绕组的基本要求是在导体数一定时能获得较大的453.交交流流绕绕组组的的形形式式很很多多，通通常常小小功功率率交交流流电电机机多多采采用用单单层层绕绕组组，功功率率较较大大的的交交流流电电机机多多采采用用双双层层短短距距绕绕组组，以以削削弱弱高高次次谐波，改善电动势和磁动势的波形。谐波，改善电动势和磁动势的波形。双层分布绕组的特点：双层分布绕组的特点：每个槽内有两个线圈边，线圈数等每个槽内有两个线圈边，线圈数等于槽数；每相有于槽数；每相有2p个线圈组，每个线圈组由个线圈组，每个线圈组由q个线圈串联而成；个线圈串联而成；最大并联支路数最大并联支路数amax=2p；每相串联匝数每相串联匝数。单单层层分分布布绕绕组组的的特特点点：每每个个槽槽内内只只有有一一个个线线圈圈边边，线线圈圈数数等等于于槽槽数数的的一一半半；每每相相有有p个个线线圈圈组组，每每个个线线圈圈组组由由q个个线线圈圈串串 联联 而而 成成；最最 大大 并并 联联 支支 路路 数数 amax=p；每每 相相 串串 联联 匝匝 数数。3.交流绕组的形式很多，通常小功率交流电机多采用单层绕组，功464.在正弦分布磁场下交流绕组的相电动势为在正弦分布磁场下交流绕组的相电动势为式中，式中，N1为绕组的每相串联匝数。为绕组的每相串联匝数。双层绕组双层绕组单层绕组单层绕组基波绕组因数基波绕组因数4.在正弦分布磁场下交流绕组的相电动势为式中，N1为绕组的47