第6章 交流电机电枢绕组的电动势与磁通势

(3)采用Ｙ、 奇次谐波
接线消除线电动势中的三及其倍数的
【例】 一台频率为50Hz、14极的三相异步电动机，每极每相槽数为 3，绕组的节距y1=7，每个绕组的匝数为1匝，并联支路数为1，在某 一负载条件下，气隙基波每极磁通量Φ1=0.15Wb，求此时每相绕组 的基波电动势。 Z1 2 pmq 14 3 3 126 解：定子槽子数
气隙 定子
导体切割磁感应线，产 生感应电动势
e b lv
用右手定则判断；图中所 示时刻电动势的方向为出 纸面。
励磁 绕组
转子转过一周，定子导 体感应电动势正负交变 一个周期。带上负载则 可以输出电能。
同步电机的基本工作原理
p
气隙 转子
导体 A
N
S
S
定子
对于p对极的电 机而言，转子每 转过一周，定子 导体感应电动势 正负交变p个周 期。 f pn1
端部
p
导体 A
有 效 边
线圈节距
N
气隙 转子
y
端部
S
S
定子
N
单匝线圈 线圈（多匝） 多匝线圈简图
3、电角度
电角度 P× 机械角度
电角度：一对磁极所占的角度为3600 机械角度：一个圆周的机械角度为3600 若电机只有一对主磁极，电角度和机械角度相等
4、每极每相槽数 q 每一个极面下每相所占的槽数为: q =
ea Em sin t
eb Em sin(t 120 ) ec Em sin(t 120 )
随转子旋转 电枢感应 电动势 角速度ω
n
If
S
2f
eb 三相对称负 载运行时
60 f n1 p
ec
pn f 60 三相对称电 枢电流 iabc
旋转基波 磁动势 Fa
q sin 分布系数： k 2 q q sin 2
短距系数：
k y sin 2
四、一相绕组的感应电动势
对单层绕组而言，每个相绕组有p个线圈组，并 联支路数为a，每个线圈的匝数为Ny，则每个相绕 组串联匝数为 p N qN y a
对双层绕组而言，每个相绕组有2p个线圈组，每 个相绕组串联匝数为 2p
链式绕组的每个线 圈节距相等并且制造方 便；线圈端部连线较短 并且省铜。主要用于 q=2的4、6、8极小型三 相异步电动机。
2.单层交叉式绕组
单层交叉式绕组由线圈数和节距不相同的两种 线圈组构成，同一组线圈的形状、几何尺寸和节 距均相同，各线圈组的端部互相交叉。
交叉式绕组由 两大一小线圈交叉 布置。线圈端部连 线较短，有利于节 省材料，并且省铜。 广泛用于q>1的且为 奇数的小型三相异 步电动机。
同步电机的基本工作原理
pn1 f 60
极对数p一定时，定子导体感应电动 势的频率f 与转子转速n1有严格的关 系，称为同步关系。转子转速n1称 为同步转速。 这种电机称为同步电机。
同步电机的工作原理
同步电机与异步电机的根本区别是旋转的转子通入直流电流励磁 直流电流 If ea
N
励磁磁场Bf
基波绕组系数
kN1 ky1kq1 0.9397 0.9598 0.9019
E 1 4.44 f1 N11k N 1 (4.44 50 42 0.15 0.9019)V 1261.4(V)
每相绕组的基波电动势
kdp kd kp
E 4.44 fN1kdp Φ
电动势和磁动 势波形较差
起动性 能较差
缺点
铁损和噪 声较大
不适宜于大 中型电机
四、三相双层绕组
所谓双层绕组是指沿槽深方向有上、下两 层线圈边的绕组。双层绕组又分为叠绕组和波 绕组。 由于一个线圈有两个圈边，因此对于双层 绕组来说，电机线圈总数等于定子槽数。
四、三相双层绕组
双层绕组每个槽内放上、下两层线圈的有效边， 线圈的每一个有效边放在某一槽的上层，另一个有 效边则放置在相隔为y 的另一槽的下层。
60
N
转速n1的单位为r/min。
同步电机的基本工作原理 • 同步电动机的基本原理
导体 A
S n1 n1 N
气隙 转子
定子通电形成旋转 磁场，等效为旋转 的磁极。定子绕组磁
S N
势产生的气隙圆形旋 定子 转磁场与转子励磁产 生的磁场有相同的极 对数，磁极相互吸引， 励磁 驱 动 转 子 旋 转 —— 同 绕组 步电动机
n n1 (同步电机)
同步补偿机运行
• 电机不带任何机械负载，靠调节转 子中的励磁电流向电网发出所需的 感性或者容性无功功率，以达到改 善电网功率因数或者调节电网电压 的目的。
异步电机的工作原理
• 笼型异步电 机
n1
N
气隙
f
n
A
转子 定子
B S
f
(1)电生磁：三相对称绕 组通往三相对称电流产 生圆形旋转磁场。 (2)磁生电：旋转磁场 切割转子导体感应电 动势和电流。 (3)电磁力：转子载流 （有功分量电流）体在 磁场作用下受电磁力作 用，形成电磁转矩，驱 动电动机旋转，将电能 转化为机械能。
Ny
N
a
5.1 交流电机电枢绕组的电动势 一、一根导体的电动势
电动势瞬时值: e Blv 电动势频率: f pn
60
电动势有效值: E 2.22 fΦ 1 1
A Y Z
C X
B
二、线圈的感应电动势
1、整距线圈的电动势 瞬时值的表达式： ey ( y ) N y1 sin t 有效值的表达式： E y1( y ) 4.44 f1 N y 1
3.单层同心式绕组
同心式绕组由几个几何尺寸和节距不等的线圈 连成同心形状的线圈组构成。
同心式绕组端 部连线较长，适用 于q=4、6、8等偶 数的2极小型三相 异步电动机。
三相 单层 绕组 的优 缺点
元件少，结构简 单，嵌线方便， 槽内无层间绝缘
优点
单层绕组为 整距绕组
广泛应用于10kW以下的 异步电动机定子绕组
第 4、5、6 章 交流电机电枢绕 组的电动势与磁通势
4.1 交流电机电枢绕组 5.1 交流电机电枢绕组的电动势 6.1 交流电机电枢单相绕组产生的磁通势 6.2 三相电枢绕组产生的磁通势
(1)同步电机的基本工作原理
导体 A
原动机拖动转子旋转。 励磁绕组中通入直流电。
磁感应线 N
n1
转子 S
N
a
qN y
一相绕组的感应电动势：
E1 4.44 f1 NkW 11
五、绕组的感应电势的高次谐波问题
1.谐波的产生： 电机中由于磁路或工艺的原因，气隙磁场磁 密分布不是正弦波，而是平顶波。 2.谐波的危害： 增加电机损耗； 使输电线发生LC谐振； 对通信产生干扰； 对异步电机产生危害转矩。
Z 2p m
5、槽距角 a
相邻两个槽之间的电角度：
P 3600 1800 = Z mq
6、相带 每个极面下的导体平均分给各相，则每一相绕 组在每个极面下所占的范围，用电角度表示称为相 带。
7.槽电势星形图 将所有槽内的导体电势相量依次画出来，便 获得槽电势星形图。
2p 交流绕组的槽电势星形( Z 1 24 ，
绕组
二、有关交流绕组的基本概念、名词
1、极距 两个相邻磁极轴线之间沿定子铁心内表面的距 离。若定子的槽数为Z，磁极对数为p，则极距： 2、线圈节距 y
Z = 2p
一个线圈的两个有效边之间所跨的距离称为线 圈的节距。 y :整距绕组
y :长距绕组 y :短距绕组
元件(线圈)
• 分相 相带——每极下每 60相带 相占有的区域。
• 每极每相槽数q m为相数 Q 24 q 2 2mp 2 3 2
60°相带法
C

X
30 12 29 11 28 10 27 9 26 8
31 13
32 14
33 15
34 16 17 35 18 36
Y
20°
1 19
2 20 3 21
分布 系数
Eq1 4.44 f1 (qN y )k y1kq11 4.44 f1 (qN y )kw11
q sin 2 基波分布系数： k q1 q sin 2
基波绕组系数：k w1 k y1 k q1
y 基波短距系数： k y sin sin 90 1 2
k y sin

2
三、线圈组的感应电动势
q Eq1 2 R sin 2 E y1 2 R sin 2 q sin 2 Eq1 E y1 sin 2 基波 qE y1kq1
E E E E q1 y1 y2 yq
Eq1 4.44 f1 (qN y )k y1kq11 4.44 f1 (qN y )kw11
3.改善电动势波形的方法:
(1)改善主磁极磁场的分布
(2)改善交流绕组的构成，削弱谐波电动势
*采用短距绕组来削弱高次谐波
让k y 0尽可能小. 1 采用y 时 , k y 0 , E p 0
*采用分布绕组来削弱高次谐波
让kq 0尽可能小.
4 y 时 , k y 5 0 , E p 5 0 5
极距
mq 3 3 9
y

y1

7 9
槽距角 基波分布系数
p
ky1
sin q q sin
360° 360° 7 20° Z1 126 20°

2 2 sin 3 2 0.9598 20° 3 sin 2
基波短距系数
ky1 sin y
7 sin 90° 0.9397 2 9
• 交流电机：同步电机和异步电机运行原理 不同。 • 但是两者在定子结构、定子绕组以及绕组 感应电动势和绕组产生磁动势等方面有很 多共同的地方，将这些作为共同问题来一 起进行研究。
1.1 交流电机电枢绕组 一、构成电枢绕组的基本要求
(1)三相绕组对称；
(2)力求获得最大的电动势和磁动势；
(3)绕组的电动势和磁动势的波形力求接近正弦； (4)节省用铜量； (5)绕组的绝缘和机械强度可靠，散热条件好； (7)工艺简单、便于制造、安装和检修。
结论： 由于交流绕组采用了短距和分布绕组, 线圈组 的有效匝数减少，由qN y 减少为 qN y k w1 匝，故基波电 势有所降低。
次谐波：
Eq 4.44 f (qN y )k y kq 4.44 f (qN y )kw
绕组系数： k k k w y q
第6章 交流绕组的磁动势
磁动势是电机内部能量转换的关键 问题。 交流电机的磁动势有
双层绕组分双层叠绕组（如图2a=1）和双层波绕组（略）。
一般而言，对于双层绕组有以下关系成立：
绕组最大并联支路数 = 极数 = 线圈组数
三相双层叠绕组具有如下特点： 1. 线圈总数 = 定子槽数 = Z；假设每个线圈有 个线匝，线匝总数 = ZN C ； 2. 每相线圈组数 = 2 p ； 3. 并联支路数 a 最小为1，最大为2 p ； 4. 每相绕组每条支路串联匝数。 2 pqNC
4)
三相单层分布绕组及其电动势
为充分利用空间，沿圆周均布多根导体。
• 电动势尽可能大 • 三相对称
（定子槽数Q＝24）
三相单层分布绕组
• 电动势星形相量 槽距角 —— p 360 Q 相 邻 两 个 槽 图
之 间 相 距 的 2 360 30 空 间 电 角 度 。 24
A
B
7 25
6 24
5 23
4 22
Z
源自文库
三相单层分布绕组
• 绕组展开图
三、三相单层绕组
所谓单层绕组是指沿槽深方向只有一层线圈 边的绕组。单层绕组又分为等元件式、同心式 和交叉式绕组等。 单层绕组每槽只有一个线圈边，所以电机 线圈总数等于槽数的一半。
三、三相单层绕组
单层绕组的每个槽内只放一个线圈边，电机 的线圈总数等于定子槽数的一半。单层绕组分为 链式、交叉式和同心式绕组。 1.单层链式绕组 单层链式绕组由形状、几何尺寸和节距相同 的线圈连接而成，整个外形如长链。
次谐波： E y ( y ) 4.44 f1 N y , ( 3,5, 7,)
2、短距线圈的电动势
有效值的表达式： E y1( y ) 4.44 f1 N y k y11 基波短距系数：k y sin
1

2
sin

y1
90
次谐波： E y ( y ) 4.44 f N y k y , ( 3,5, 7,)