三相双层叠绕组

湖南农业大学工学院
课程设计说明书
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三相双层叠绕组
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目
录
1.1 三相异步电动机结构的各部件起什么作用
1.2 电机绕组种类 1.3 三相异步电动机的工作原理 1.4 嵌线工艺
2.交流电机绕组的基本理论 2.1 交流绕组的基本要求 2.2 三相双层绕组(适合 10kW 以上交流电机) 参考文献
1.三相异步电动机结构的各部件起什么作用


1.1 三相异步电动机结构的各部件起什么作用 步电动机的结构主要由两个基本部分组成，即定子（静止部分）和转子（旋转部分）。

1）定子 它由定子铁心、定子绕组和机座等部分组成。

（1）定子铁心。

它是电动机磁路的一部分，由0.35～0.5mm 厚表面涂有绝缘漆或氧化膜的 薄硅钢片叠压而成，固定在机座内。

定子铁心的内圆冲有均匀分布的槽口，用来嵌放三相定 子绕组。

绕组与铁心之间是互相绝缘的。

（2）定子绕组。

由于它是能量转换的“枢纽”，又称电枢绕组。

它是异步电动机的电路部分， 通入三相电源后，就会产生三相旋转磁场。

三相定子绕组是 3个彼此独立、按一定方式连 接的对称绕组，它们按一定的空间角度依次嵌在定子槽内。

为了便于变换接法，绕组6个端 头都引到接线盒内。

（3）机座。

它一般由铸铁或铸钢制成。

其作用是固定定子铁心和定子绕组。

机座两端的两 个端盖，以支承转子轴。

2）转子 它是异步电动机的旋转部分，电动机的工作转矩就是从转子轴上输出的。

它由转 子铁心、转子绕组和转轴3部分组成。

（1）转子铁心。

它是电动机磁路的一部分，是由圆形薄硅钢片叠装而成。

在硅钢片外圆上 冲有均匀分布的槽口，用来嵌放转子绕组。

转子铁心压装在轴上。

（2）转子绕组。

它又分为笼型和线绕式两种。

目前中小型异步电动机的笼型转子，一般都 用熔化的铝浇入转子铁心槽内，并将两个端环（短路环）与冷却用风扇浇铸在一起而成。

由 于转子绕组形状像鼠笼，故称为笼型异步电动机。

线绕式转子绕组和定子绕组相似，也是三 相对称绕组，一般都接成星形。

3个出线端通过转轴内孔分别接到与转轴固定的3个铜制互 相绝缘的滑环上（集电环），滑环靠电刷与外接变阻器电路相连接，接入变阻器主要是为了 改善电动机的起动性能或调节电动机的转速。

（3）转轴。

它主要是支承转子及传递转矩，并保证定、转子之间各处均匀的空气隙。

空气 隙也是电机磁路的一部分，空气隙越小，功率因数越高，空载电流越小。

一般中小型电动机 的气隙0.2～1.5mm。

1.2 电机绕组种类 直流电机的励磁绕组有好几种，有串励绕组，并励绕组，他励绕组。

转子上的绕组叫电枢
绕组。

换向极上有换向绕组（用于改善电机换向）。

大容量的直流电机上，极靴上可能还会 有补偿绕组（减小电枢反应带来的副作用）。

相单电机分主绕组和副绕组，也有的叫法是运行绕组和启动绕组。

三相异步电机一般就是定子绕组和转子绕组，一般的三相异步电机转子绕组是铸铝导条或都 铜条，绕线式同步电机分定子绕组和励磁绕组，有的同步电机有阻尼绕组，有的同步电动机 有启动绕组。

异步电机转子绕组也是嵌进去的漆包线。

同步电机分定子绕组和励磁绕组，有的同步电机有阻尼绕组，有的同步电动机有启动绕组。

1.3 三相异步电动机的工作原理
一、旋转磁场 （一）定子旋转磁场产生的原理 旋转磁场：指磁场的轴线位置随时间而旋转的磁场。

在三相异步电动机的定子铁心中放置三组结构完全相同的绕组 U1U2、V1V2、 W1W2，各相绕组在空间互差 120°电角度，向这三相绕组中通入对称的三相交 流电，则在定子与转子的空气隙中产生一个旋转磁场。

以两极电机即 2p=2 为例说明，对称的三相绕组 U1U2、V1V2、W1W2 假定为集 中绕组，三相绕组接成星形，并通以三相对称电流 iA、iB、iC。

如动画演示所 示。

假定电流的瞬时值为正时是从各绕组的首端流入，末端流出。

电流流入端用 “×”表示，电流流出端用“﹒”表示。

wt=0 时，iA=0； iB 为负值，即 iB 由末端 V2 流入，首端 V1 流出； iC 为正值，即 iC 由首端 W1 流入，末端 W2 流出。

电流流入端用“×”表示，电流流出端用“﹒” 表示。

利用右手螺旋定则可确定在 wt=0 瞬间由三相电流所产生的合成磁场方向，如动 画演示所示。

可见合成磁场是一对磁极，磁场方向与纵轴线方向一致，上方是北极，下方是南 极。

wt= π /2 时，iA 为正最大值，即 iA 由首端 U1 流入，末端 U2 流出；
iB 为负值，即 iB 由末端 V2 流入，首端 V1 流出； iC 为负值，即 iC 由 W2 流入，W1 流出。

可见合成磁场方向以较 wt=0 时按时针方向转过 90o。

同理可画出 wt= π ，wt=3π /2，wt= 2π 时的合成磁场，可看出磁场的方向 逐步按顺时针方向旋转，共转过 360o，即旋转一周。

综上所述，在三相交流电动机定子上布置有结构完全相同在空间位置各相差 120o 电角度的三相绕组，分别通入三相交流电，则在定子与转子的空气隙间所 产生的合成磁场是沿定子内圆旋转的，故称旋转磁场。

（二）旋转磁场的旋转方向 U 相、V 相、W 相绕组的电流分别为 iA、iB、iC。

三相交流电的相序 A —— B ——C。

旋转磁场的旋转方向为 U 相—— V 相—— W 相（顺时针旋转） 若 U 相、V 相、W 相绕组的电流分别为 iA、iC、iB（即任意调换电动机两相绕 组所接交流电源的相序） 旋转磁场的旋转方向为逆时针旋转。

综上所述，旋转磁场的旋转方向决定于通入定子绕组中的三相交流电源的相序。

只要任意调换电动机两相绕组所接交流电源的相序，旋转磁场即反转。

（三）旋转磁场的旋转速度 两极三相异步电动机（即 2P=2）定子绕组产生的旋转磁场，当三相交流电变化 一周后，其所产生的旋转磁场也正好旋转一周。

故在两极电动机中旋转磁场的转速等于三相交流电的变化速度，即 n1=60f1=3000 转\分。

四极三相异步电动机（即 2P=4）定子绕组产生的旋转磁场，当三相交流电变化 一周后，其所产生的旋转磁场只旋转了半圈。

故在四极电动机中旋转磁场的转速等于三相交流电的变化速度的一半，即 n1= 60 f1/2 =1500 转/分。

综上所述，当三相异步电动机定子绕组为 p 对磁极时，旋转磁场的转速为
n1 = 60f1/p 式中 n1:旋转磁场转速（又称同步转速），转/分 f1:三相交流电源的频率，赫； p:磁极对数。

二、三相异步电动机的转动原理


问题：为什么称“异步”电动机？ 正常情况下，转子转速 n 总是略低于旋转磁场转速即同步转速 n1，若 n= n1 ， 则旋转磁场和转子导体间将不存在相对运动，因而转子导体电动势为零 。

n 和 n1 总存在差异，异步电动机的名称由此而来。

异步电动机的转子绕组并不直接 与电源相接，而是依靠电磁感应的原理产生感应电动势和电流，故又可称为感应 电动机。

三、异步电动机的转差率 分析 n 和 n1 间的关系： 1、当 n=0，转子切割旋转磁场的相对转速 n1－n= n1 为最大，故转子中的感应 电动势和电流最大。

2、当转子转速 n 增加时，则 n1－n 开始下降，故转子中的感应电动势和电流下 降。

3、当 n= n1，则 n1－n=0，转子导体不切割定子旋转磁场，故转子中 没有感应电动势。

转差率：同步转速 n1 与转子转速 n 之差对同步转速之比值，用 S 表示。

S 是恒量异步电动机性能的一个重要参数，分析几个特定工作状态下的 S 值。

1、电动机静止或在启动的瞬间，n=0，S=1。

2、电动机空载时，需克服的阻力很小，故转速很高，S 很小。

3、电动机额定负载时的转差率 S 约为 0.01~0.07。

4、电机处于电动机状态运行时 0﹤S﹤1。

1.4 嵌线工艺 嵌线是电机绕组重绕工艺中十分重要的环节，同时又是一项细致工作，为了便于嵌线工
艺的叙述，首先介绍一些嵌线操作的专用术语。

一、嵌线操作的专用术语
(一)线圈(组)引出线
每个线圈(组)都有两根引出线，分别称为头、尾端。

嵌线时，线圈(组)引出线必须从定
子的出线孔一侧引出，通常出线孔的一侧应置于操作者右边。

（二）上层边与下层边
双层绕组中一个线圈的两个有效边，先嵌入的有效边处于槽内的下层，称为下层边或底
边；另一边则称为上层边。

（三）浮边与沉边
单层绕组在槽中没有层次之分，但先嵌入的有效边端部被后嵌入的有效边端部所叠压，
故先嵌入的有效边称之为沉边，而后嵌入的边浮现在表面，就称为浮边。

（四）交叠法
交叠法是指在嵌线中，一个线圈的某一有效边先嵌入，而另一有效边暂不能嵌入，当该
槽下层边(对双层绕组)或前槽沉边(对单层绕组)嵌入后，才方可将此边嵌入。

其绕组端部的
分布呈层次交叠状。

（五）整嵌法


整嵌法是指嵌线时，线圈的两有效边相继同批次嵌入相应两槽，其绕组端部的分布呈明 显的"两平面"或"三平面"状。

（六）吊边 在采用交叠法嵌线时，线圈一有效边先嵌入槽后，另一有效边要等该槽下层边或前槽沉 边嵌入后方能嵌线。

在未能嵌入之前，为了防止它与铁心摩擦损伤，故须将其垫起或吊起， 即称为吊边。

（七）退式嵌线 当嵌入某线圈边后，再嵌入下槽时，是采用后退式。

即单独嵌线时，电机定子是水平平 行于操作者面前放置的，线圈往前倒，嵌线进程是向人怀里退。

二、嵌线方法
（一）放置槽绝缘 将已裁剪好的槽绝缘纸纵向摺成"U"形插入槽中，绝缘纸光面向里，便于向槽内嵌线。

（二）线圈的整理
1．缩宽
用两手的拇指和食指分别拉压线圈直线转角部位，将线圈宽度压缩到能进入定子内膛而 不碰触铁心。

也可将线圈横立并垂直于台面，用双手扶着线圈向下压缩。

2．扭转
解开欲嵌放线圈有效边的扎线，左手拇指和食指捏住直线边靠转角处，同样用右手指捏 住上层边相应部位，将两边同向扭转，使线圈边导线扭向一面。

3．捏扁
将右手移到下层边与左手配合，
尽量将下层直线边靠转角处捏扁，
然后左手不动，右手指边捏边向下
搓，使下层边梳理成扁平的刀状，
见图 1-5-1 所示。

如扁平度不够
可多搓捏几次。

图 1-5-1 线圈的捏扁梳理示意
（三）沉边 (或下层边)的嵌入
右手将搓捏扁后的线圈有效边后端倾斜靠向铁心端面槽口，左手从定子另一端伸入接住
线圈，如图 1-5-2 所示。

双手把有效边靠左段尽量压入槽口内，然后左手慢慢向左拉动，右
手既要防止槽口导线滑出，又要梳理后边的导线，边推边压，双手来回扯动，使导线有


图 1-5-2 下层边的嵌线方法 效边全部嵌入槽内。

如果尚有未嵌入的导线有效边部分，可用划线片将该部分逐根划入槽内。

导线嵌入后，用划线片将槽内导线从槽的一端连续划到另一端，一定要划出头。

这种梳理方 式的目的，是为了槽内导线整齐平行，不交叉。

然后再把层间绝缘(对双层绕组)摺成"∩" 形，插入槽口包住槽内导线。

对线圈未嵌入的另一有效边则采取吊边。

（四）浮边(或上层边)的嵌入 嵌过若干槽的沉边（或下层边）后，由嵌线规律得知，就要嵌入浮边，当嵌入第一个浮 边后，以后再嵌入的线圈就能进行整嵌，而不用吊边。

在浮边嵌入前要把此边略提起，双手 拉直、捏扁理顺，并放置槽口。

再用左手在槽左端将导线定于槽口，右手用划线片反复顺槽 口边自左向右划动，逐一将导线劈入槽内。

在槽内导线将满时，可能影响嵌线的继续进行， 此时，只要用双拇指在两侧按压已入槽的线圈端部，接着划线片通划几下理顺槽内导线，把 余下的导线又可划入槽内。

也可将压线条从一侧捅入并出到另一侧，再用双拇指在两侧按压 压线条两端，按压后抽出压线条，接着余下的导线又可顺利地划入槽内。

上层边的嵌入与浮边雷同，只是在嵌线前先用压线块在层间绝缘上撬压一遍，将松散的 导线压实，并检查绝缘纸的位置，然后再开始嵌入上层边。

（五）封槽口 导线嵌入槽后，先用压线块或压线条将槽内的导线压实，方可进行封口操作。

其操作过 程为：
1．压线
用压线块从槽口一侧边进边撬压到另一侧，使整个槽内的导线被挤压，形成密实排列； 也可用压线条从槽口一端捅穿到另一端，让压线条嵌压在整个槽口上，再用双掌按压压线条 的两头，从而压实槽内导线。

保证导线不弹出槽口。

注意：压线块或压线条只能压线，不能压折绝缘纸。

见图 1-5-3（a）所示。

2．裁纸
保留嵌压在整个槽口内的压线条不动，用裁纸刀把凸出槽口的绝缘纸平槽口从一端推裁 到另一端，即裁去凸出部分。

然后再退出压线条。

3．包折绝缘纸
退出压线条后，用划线片把槽口左边的绝缘纸折入槽内右边，压线条同时跟进，划线片 在前折，压线条在后压，压到另一端为止；对槽口右边的绝缘纸也用此法操作。

见图 1-5-3 （b）所示。

4．封口 在退出压线条的同时，槽楔有倒角的一端从其退出侧顺势推入，完成封口操作。

见图 1-5-3（c）所示。

1-压线条
2-
划线片在前压折绝 3-压线条退出时，
边插边压
缘纸，压线条随后压进 槽楔顺势插进
图 1-5-3 封口操作
三、嵌线规律
（一）三相单层绕组
三相单层绕组常见型式有等宽度式、交叉式、同心式等，不同的型式有不同的嵌线规律， 但基本的嵌线规律是相同的。

1．嵌线的基本规律
规律一： 线圈嵌线后的分布为“一边倒”，呈多米诺骨牌推倒状；
规律二： 每次连续嵌线槽数 x  q （每极相槽数）； 规律三： 吊边数 y  q （每极相槽数）； 规律四： “嵌槽-空槽”为一个操作周期，而每个操作周期所占槽数 t  q (每极相槽
数)。

2．单层等宽度式绕组
以 3 相 4 极 24 槽 60°相带绕组为例，经计算 q  2 ,即一组为两个线圈。

由规律 二得知，每次连续嵌线槽数 x  2；由规律三反映出吊边数 y  2 ；从规律四获得每个
作周期 t  2 。

(a) x  1
(b) x  2
图 1-5-4 3 相 4 极 24 槽单层等宽式绕组嵌线顺序图
当 x  1时，其嵌线规律为:
嵌 1 槽，吊 1 边，空 1 槽；
嵌 1 槽，吊 1 边，空 1 槽；
嵌 1 槽，收 1 边，空 1 槽；
重复最后这个程序，直到嵌线结束。

当 x  2 时，其嵌线规律为:
嵌 2 槽，吊 2 边，空 2 槽；
嵌 2 槽，收 2 边，空 2 槽；
重复最后程序，直到嵌线结束。

通过图 1-5-4 所示，可直观地看出单层等宽度式绕组线圈，嵌线后的分布完全满足上述
规律，当 x  q 、 y  q 、 t  q 时，归纳单层等宽度式绕组嵌线规律： 嵌 x 槽，吊 x 边，空 x 槽； 嵌 x 槽，吊 y 边，空 q 槽； 嵌 x 槽，收 x 边,空 q 槽。

重复最后一个程序，直到嵌线结束。

3.单层交叉式绕组
以 3 相 4 极 36 槽 60°相带绕组为例，
得知 q  3 ,依照嵌线规律， x  3 (规律二)、
y  3 （规律三）、 t  3（规律四）,其具体
嵌线规律为:
嵌 2 槽，吊 2 边，空 1 槽；
嵌 1 槽，吊 1 边，空 2 槽；
嵌 2 槽，收 2 边，空 1 槽；
嵌 1 槽，收 1 边，空 2 槽。

重复后两个程序，直到嵌线结束，嵌线顺序
见图 1-5-5 所示。

归纳任意 q 值的交叉式绕组，当 x  3
的整数时，其一般嵌线规律是：
4 极 36 槽单层交叉式
嵌 x 槽，吊 x 边，空( q  x )槽；
图 1-5-5 3 相 绕组嵌线顺序图


嵌( q  x )槽,吊( q  x )边,空 x 槽； 嵌 x 槽，收 x 边，空( q  x )槽； 嵌( q  x )槽，收( q  x )边，空 x 槽；
重复后两个程序直到收完所有边，嵌线结束。

4.单层同心式绕组
同心式绕组同样可采用前述的空槽吊边法嵌线，但在实际操作中为了方便，通常采用整
嵌法，即分层嵌线。

当极对数 p 为偶数时,绕组线圈端部分成两层，构成“双平面”。

其中 每层有每一相的一个线圈组；当极对数 p 为奇数时，绕组线圈端部形成了“三平面”，三相
绕组各占一层。

虽然这种整嵌法工艺简单，但为了整形需要，各层端部长度不可能相等，因 而三相参数不均衡，影响了电气性能。

在对电气性能要求较高的场合，只能采用空槽吊边法，用交叉式绕组的嵌线规律，使三 相端部长度相等，保证了三相绕组参数均衡。

其实也就成交叉式绕组了。

（二）三相双层绕组
三相大中型电机通常采用双层绕组嵌线，线圈交叠，更加突出地反映了嵌线规律一的
内容。

按
y

5 6
算出双层线圈短节距
y
,它的嵌线规律为:
连嵌 y 个下层边，
连吊 y 个上层边；
从( y  1)槽起，
嵌 l 下层边， 收 l 上层边。

重复后两个程序直到最后连收( y  1)边结束。

以 3 相 4 极 36 槽双层叠式绕组为例，用嵌线顺序规律表 1-5-1 说明其嵌线规律。

表 1-5-1 双层叠式绕组嵌线顺序表
嵌线 次序
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
嵌下 入层
3
2
1 36 35 34 33 32
31
30
29
槽上 号层
3
2
1
36
嵌线 次序
16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
嵌 入
下 层
28
27
26
25
24
23
22
21


槽号上
层
35 34 33 32 31 30 29
嵌线
次序
31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45
嵌入槽号下
层
20 19 18 17 16 15 14
上
层
28 27 26 25 24 23 22 21
嵌线
次序
46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60
嵌入槽号下
层
13 12 11 10 9 8 7 6 上
层
20 19 18 17 16 15 14
嵌线次序61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72
总线
圈W
36
嵌入槽号
下
层
5 4
极相
槽数q
3 上
层
13 12 11 10 9 8 7 6 5 4
极相
组数u
12 线圈节距y 7 并联支路数a 1 3相4极36槽双层叠式
（三）三相单、双层绕组
三相单、双层绕组是由叠式短距绕组演变而来的一种性能较好的绕组型式。

它是将双层叠绕组的上下层同相有效边合并成一只单层大线圈边，所以，线圈总匝数比双层绕组少，嵌线方便省时。

而且线圈可采用短节距，保留了双层短距绕组能消除高次谐波，改善电磁性能等优点，是一种比较先进的绕组型式。

其嵌线规律为：
嵌入小圈向后退，
嵌、封大圈空1槽，
又嵌、封小圈向后退；
再嵌、封大圈空1槽，
大圈单层小圈双。

循此规律，直到结束。

（四）单相正弦绕组
一组嵌线小为先，
正弦主辅分层嵌，
主在底层辅在面，
同相双层嵌法异，
上下层间隔绝缘。

2.交流电机绕组的基本理论
2.1交流绕组的基本要求
1.电势和磁势波形接近正弦，各谐波分量要小。

2.三相绕组基波电势、基波磁势对称。

3.在导体数一定时，获得较大的基波电势和基波磁势。

4.节省有效材料，绝缘性能好，机械强度高，散热条件好。

5.制造工艺简单，检修方便。

a. 要获得正弦波电动势或磁动势，则根据e=blv, 只要磁场B 在空间按正弦规律分布，则
它在交流绕组中感应的电动势就是随着时间按正弦规律变化。

b. 用槽电势星形图保证三相绕组基波电势、基波磁势对称
槽电势星形图： 把电枢上各槽内导体感应电势用矢量表示，构成的图。

概念：槽距角----相邻两个槽之间的自然（机械）角度，Z
360=α
槽距电角----用电角度来表示的相邻两个槽之间的角度，Z
p 0
1360=α
电角度---是磁场所经历的角度。

c. 用600
相带的绕组获得较大的基波电动势
相带：（1）360度的星形图圆周分成三等分，每等分占1200，成为120度相带；这种
分法简单，但电势相量分散，其相量和较小，获得的电动势较小。

（2）若分成六等分，则称600相带；这种分法同样可以保证电势对称，且合成感
应电动势较大，是常用的方法。

表1：
按600相带分相 A （U1） Z(W1) B(V1) X(U2) C(W2) Y(V2) 第一对极
1,2,3
4,5,6
7,8,9
10,11,12
13,14,15
16,17,18
第二对极 19,20,21 22,23,24 25,26,27 28,29,30 31,32,33 34,35,36
2.2 三相双层绕组(适合10kW 以上交流电机) 三相双层叠绕组形式设计，Q=36,2P=4, 600相带
步骤1 绘制槽电势星形图 槽距电角Z
p 0
1360=α=200, 槽电势星形图如上图4-4（注意：
不是槽星形图，而是槽电势星形图）
步骤2 分相、构成线圈 每极每相槽数pm
Z
q 2=
=36/4/3=3；每相在每个极下所占有的槽数。

步骤3 极距p
Z
2=
τ=36/4=9 ；一个极在定子圆周上所跨的距离，用槽数计。

节距y 1=7<τ,短距;一个线圈的两边在定子圆周上所跨的距离，用槽数计。

交流绕组中，通常5次和7次谐波对电势、磁势波形影响比较大，为此选择双层短
距绕组，节距τ6
5
1=y 。

这里y 1=7说明线圈的一个边放在m 槽上层，另一边放在
m+y 1槽的下层。

步骤4 极相组划分（按上层边划分） 步骤5 确定并联支路数。

（一般双层绕组每相最大并联支路数等于极数）.a=1, a=2. 步骤6 展开图为图1和3.
步骤7 元件跨度用1y 表示（指同一元件两个有效边在电枢上的跨度，以槽数表示）。

一个元件的两个引出端所连接的两个换向片之间的距离用k y 表示（一般用换向片数计算）。

紧接着相串联的两个元件对应边之间在电枢上的跨度用y 来表示（y=k y ）。

某个元件的下层边和它相串联的下一个元件上层边所跨的槽数用2y 来表示（y=1y -2y ）。

单叠绕组所有相领元件一次串联,即后一个元件的末端连在一起，最终形成一个闭合的回路，这种绕组的任何两个相串联的后一个元件的端接部分叠压在前一个元件的端接部分上，同一元件两个出线端所连接的换向片之间的距离等于一个换向片宽度 嵌线顺序表如下图2和4：
步骤8 圆形简化接线图，如图5
参考文献：
《电机学》中国电力出版社瞿庆志，李艳军
《电机学》科学出版社李发海，朱东起
《图解电动机绕组嵌线技巧》电子工业出版社孙雅欣，姚俊琪。