电机绕组理论

第五章 交流电机的绕组和电动势 第一节 交流电机的工作原理 一、工作原理 Key words:同步旋转，切割磁力线 ，失步，
感应，异步，旋转磁场
二、旋转磁场
A
Y Z
C
B
X
iA Im sin t
iB Im sin t 120 iC Im sin t 240
n1
60 f p
机械角度与电角度
Kp1
短距线匝电动势 整距线匝电动势
sin
90
1
短距线圈虽然对基波电动势的大小稍有影响，但当主 极磁场中含有谐波时，它能有效抑制谐波电动势，故 一般的交流绕组大多采用短距绕组。
（四）线圈组感应电动势
•
Ec1 •
Ec2 • Ec3
(a)
•
Ec3
•
Ec2
•
2
Ec1
•பைடு நூலகம்
Eq
q 2
(b)
Kd1
q个分布线圈的合成电势 q个集中线圈的合成电势
（三）端部形状排列整齐，有利于散热和增强机械强 度。
（四）一般为短距线圈，既节省线圈端部用铜，又改 善了电磁性能。采用短距线圈改变了导体电流的分 布，有效地抑制了谐波，电动势和磁动势波形比单 层绕组好。所以现代10kW以上的三相交流电机，其 定子绕组一般均采用双层绕组。
（五）有的槽内导体不属同一相，因此槽漏抗比单层 绕组小。
外一个边则放在相隔y1槽的下层。
例：槽数Z=36、极数2p=4
Z 36 9
2p 22
p 360 2360 20
Z
36
q Z 36 3 2 pm 2 23
二、双层绕组的特点
（一）槽内上、下层线圈边之间要加强层间绝缘，用 料多，槽的利用率较低。
（二）整个绕组的线圈数等于总槽数，绕线和嵌线的 工时较长，但所有线圈具有同样的尺寸，便于制造。
相绕组中，3k次谐波的合成磁动势等于零， 6k 1
次谐波是正向（与基波转向相同）旋转磁动势， 6k 1 次谐波是反向（与基波转向相反）旋转磁动势。
2
⒈圆形旋转磁动势。
⒉转向由相序定，转速恒定。
⒊某相电流达到最大值时，三相合成基波磁动势正幅值 在该相绕组轴线上。
可以证明，当在空间互差90°电角度的两相对称绕组中
通有时间互差90°电角度的对称两相电流时，仍然可
得到圆形旋转磁动势。可以推论，在m相对称绕组中 通有对称m相电流时，可得到圆形旋转磁动势，幅值 为单相磁动势幅值的m/2倍，转速为同步转速，转向
E 4.44 f Nkw
1.ν次谐波的频率
f
p n 60
f
2.ν次谐波磁场的每极磁通
2
Bm l
3.ν次谐波电动势的绕组因数
k p
sin
y1 90
sin q
kd
2
q sin
2
（二）削弱谐波电动势的方法
E E21 E23 E25
E1
1 ( E3 )2 ( E5 )2
E1
E1
1.使气隙中磁场分布尽可能接近正弦波
sin q
Kd
2
q sin
2
k p
sin
y1 90
双层短距分布绕组的磁动势的特点是：
1.相绕组磁动势包含基波和奇次谐波。基波磁动势占主
要成份，采用短距和分布绕组可以削弱高次谐波。
2.单相双层短距分布绕组产生的基波磁动势和幅值为：
f1 F1 cos cost
F1
4
2 2
IN p
kw1
3.某相电流达到最大值时，基波磁动势正幅值在该相绕
2
而：fc 1 4 2 NcIc cos cost 2
F 1 4 2 NcIc 1 F1
2
整距线圈产生的磁动势的特点是：
1.矩形波磁动势可分解为基波及一系列奇次谐 波，不存在=2、4、6...等偶数次谐波。当电 流随时间按余弦规律变化时，各次谐波磁动 势的幅值都随时间按电流的余弦变化规律变 化，即在时间上均为同频率的脉振波。
3.采用短距绕组
y1
(1 1
)
4.采用分布绕组
当每极每相槽数q越大时，谐波电动势的分布因数的
总趋势变小，从而抑制谐波电动势的效果越好。一
般交流电机选择2≤q≤6。采用分布绕组时，基波
分布因数略小于1，而5、7次谐波分布因数就小很
多，因此可以改善电动势波形。
小结
1. 交流绕组是同步电机和感应电机的共同理论之一， 本章虽以同步电机为例来进行分析，但其结论完全适 用于感应电机。
第五节 交流绕组的感应电动势 一、正弦分布磁场下的绕组电动势
Bx Bm sin e1 Bxlv Bmlv sint 2E1 sint
t 时空转换
f pn 电频率与机械转速 60
E1
2 2
f
(2
Bml
)
2.22
f
1
（二）整距线圈感应电动势
Ec1 4.44 fNc1
（三）短距线圈的电动势
由超前相的绕组轴线移向滞后相的绕组轴线。
出现三相绕组或三相电流不对称的情况时，可以证明三 相基波合成磁动势将成为一个正弦分布、幅值变化、 非恒速推移的椭圆形旋转磁动势。
二、三相绕组的高次谐波合成磁动势 （一）3次谐波
f A3 fB3
F 3 F 3
cos 3 cost
cos 3 120 cos
安排每极每相占60度空间电角度，称为60度相带法。 据此，每个360度空间电角度范围内，可均匀分成6个 相带，若依次命名为：A、Z、B、X、C、Y，且匝数、 线径绕制形式均相同，则可构成三相对称绕组。
第三节 三相单层绕组
三相单层绕组每槽只嵌放一个 线圈边，因此线圈数等于槽 数的一半。一般的单层绕组 都是整距绕组。
（三）由于不能采用短距的方法来有效地抑制谐波， 电动势和磁动势波形比双层短距绕组稍差，故一般 用在7～10kW以下的小型异步电动机中。
（四）同一槽内导体均属同一相，因此槽漏抗比双层 短距绕组大。
（五）每相最大并联支路数等于极对数。
第四节 三相双层叠绕组
双层绕组的线圈数等于槽数。每个槽上下放两个线 圈边，每个线圈的一个边放在一个槽的上层，另
二、交流绕组的分类
从相数上看，交流绕组可分单相和多相绕组。
按每一极下每一相所占的槽数等于整数或分数，则 分为整数槽和分数槽绕组。
按槽内层数，可分为双层绕组和单层绕组两大类。 按绕法双层绕组又分为叠绕组和波绕组两种。
现代电力用交流电机的定子绕组大多为三相绕组， 本章将着重介绍三相绕组。三相电机的绕组均采 用分布结合短距绕组。
7
F7
cos t
7
本章小结 1.单相和三相绕组磁动势的性质、大小和波形，必须牢
固掌握。单相绕组通以单相交流电时产生的磁动势是 脉振磁动势；对称的三相绕组通以对称的三相交流电 时产生的基波合成磁动势是圆形旋转磁动势；多相绕 组中，如出现绕组不对称或电流不对称时，该多相基 波合成磁动势将成为一个正弦分布、幅值变化、非恒 速推移的椭圆形旋转磁动势。 2.磁动势的波幅与谐波次数成反比，所以谐波次数愈高， 幅值愈小。脉振磁动势的频率和旋转磁动势的转速都 决定于电流的频率。 3.磁动势既是时间的函数又是空间的函数。在对称的三
sin q
2
q sin
1
2
Eq1 q 4.44 fNckp11kd1 4.44 f (qNc )kw11
kw1 k p1kd1
（五）相绕组感应电动势
E1
2p a
Eq1
4.44 f
2p a
qN
c k w11
4.44 fNkw11
二、非正弦分布磁场下电动势中的高次谐波及其削弱方法 （一）感应电动势中的高次谐波
5. 当磁极磁场沿空间不按正弦规律分布时，磁场中 的高次谐波将在定子绕组内感应出相应的谐波电动 势。为了削弱谐波，可用改善凸极极靴外形或隐极 励磁绕组的分布，以及采用短距和分布绕组等措施。 由于三相绕组采用星形和三角形联结时线电压中已 经消除了3次及3的倍数次谐波电动势，所以选择节 距时主要考虑削弱5、7次等低次谐波电动势。
2. 三相绕组构成原则是力求获得较大的基波电动势而 尽量削减谐波电动势，并保证三相电动势对称，同时 还应考虑节省材料和工艺方便。
3. 各种绕组的应用范围并无绝对界限，一般来说，大、 中型电机多采用双层绕组，10kW以下的感应电机多采 用单层绕组。
4. 在正弦分布磁场下相绕组电动势的计算公式和变压 器电动势的计算公式类似，只不过旋转电机由于采用 短距和分布绕组，计算公式中多乘了一个绕组因数而 已。
第二篇 交流电机的绕组、电动势和磁动势 产生或使用交流电能的旋转电机称为交流电机，
主要分为同步电机和异步电机两类,结构上分定子和 转子二部分。
同步电机 异步电机
定子
含直流励磁绕组的转子 含三或多相闭合绕组的转子
虽然同步电机与异步电机在原理、性 能、励磁等方面差异很大，但在定子的铁 心结构、绕组特点、感应电势、产生旋转 磁场等方面是相同的。
2.基波的幅值最大。谐波次数越高，即值越大， 该谐波磁动势的最大幅值越小。
3.基波的极对数就是电机的极对数p， 次谐波
的极对数为
p
p ，极距为
。
4.基波和谐波的波幅都在线圈的轴线上。
二、单相绕组的磁动势
f
(
,
t
)
4
2 2
IN p
(kw1 cos
kw3 3
cos 3
kw cos ) cost
组轴线上。
单相基波脉振磁动势的分解
一个脉振磁动势
二个旋转磁动势
第二节 三相绕组的合成磁动势
一、三相绕组的基波合成磁动势
iiBA
iC
2I cost
2I cos t 120 2I cos t 240
f A1 f B1
F1 F1
cos cost
cos 120
cos
t
120
fC1
F1
cos
240
cos
t
240
三相绕组空间 互差１２０°
三相电流时间 互差１２０°
f A1
F1 2
cos(
t )
F1 2
cos(
t)
f B1
F1 2
cos
t
F1 2
cos
t
240
fC1
F1 2
cos
t
F1 2
cos
t
120
三相基波磁势合成： 基本特点：
f 1 fA1 fB1 fC1 3 F1cos(t )
一、三相单层集中整距绕组
每相只有一个集中整距线圈， 定子上每个槽里只放一个线 圈边
二、三相单层分布整距绕组
所有的线圈是同一节距又是整 距的。
A
Y Z
C
B
X
三、单层绕组的特点
（一）每个槽内只有一个线圈边，没有层间绝缘，槽 利用率较高。
（二）整个绕组的线圈个数等于总槽数的一半。节省 绕线和嵌线的工时，并且嵌线比较方便。
习题 5-5，5-6
第六章 交流电机绕组的磁动势 交流旋转电机气隙磁场是电机机电能量转换的枢纽 三相绕组空间位置不同,三相电流时间有相位差 假设:气隙均匀,铁心磁导率无穷大,槽内电流集中在槽 中心 第一节 单相交流绕组的磁动势——脉振磁动势 一、整距线圈的磁动势
设：ic 2Ic cost,则：fc 1 Ncic 2 IcNc cost
由设计制造实现
2.采用对称的三相绕组 Y接时，线电压中三倍数次谐波电动势互相抵消，发电
机出线端不存在三倍数次谐波电动势 三角形连接时，三相绕组中3K次谐波电动势在闭合的三
角形回路中产生环流，相当于短路
3 E3 3 I 3 Z3 可见，三次谐波电动势正好等于三次谐波环流所引起的
阻抗压降，在线电动势中仍然没有3次谐波。但3次谐 波环流在回路中会引起附加损耗。 在对称三相绕组中，三相绕组的联结消除了线电动势中 的3次及其倍数次奇次谐波。
2
2
2
A
fc ( )
1 2 Ncic
×X
2
3
2A
fc具有驻波性质，称为脉振磁动势，由傅氏分解得：
fc( ,t) 4 2 NcIccos cos3 cos5 cos 7 cost
2
其中：fc1 4 2 NcIc cos cost F1cos cost 2
F1 4 2 NcIc 0.9NcIc
三、交流绕组的基本量
（一）线圈（绕组元件）线圈的两个线圈边放在电 机铁心的两个槽里。线圈由一匝或几匝组成，它 有两个引出端，一个叫首端，另一个叫末端。
（二）极距
Z
2p
（三）节距 一个线圈的两边在定子圆周上所跨的距
离，一般以槽数计
（四）槽距电角 相邻两槽之间的电角度
p 360
Z
（五）每极每相槽数 q Z 2 pm
t
120
fC3
F 3
cos 3
240cos t
240
f 3 fA3 fB3 fC3 0
（二）5次谐波
f5 ( , t )
f A5
fB5
fC5
3 2
4
2 2
Nkw5 5p
I
cos t
5
F5
cos t
5
（三）7次谐波
f7 (,t)
f A7
fB7
fC7
34
2
2 2
Nkw7 7p
I
cos t
p机械角度 空间电角度
区分旋转电机中机械周期与 电周期的不同。
第二节 交流绕组的基本概念 一、交流绕组的构成原则 （一）合成电动势和合成磁动势的波形力求是正弦波， 尽量削弱谐波； （二）三相绕组各相电动势和磁动势要对称，电阻、 电抗要平衡； （三）绕组铜耗小，用铜量要节省； （四）绝缘可靠、机械强度、散热条件要好，制造简 单、维修方便。