三相交流电动机的工作原理

4.2交流电机的绕组
4.2.2 三相单层绕组
二、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。
4.6 三相异步电动机的负载运行
4.7三相异步电动机的等效电路和相量图. 4.8三相异步电动机的功率平衡、转矩平衡
4.1三相异步电动机的基本工作原理与结构
4.1.1三相异步电动机的基本结构 一、定子部分： 1、定子铁心：由导磁性能很好的硅钢片叠成——导磁部分。 2、定子绕组：放在定子铁心内圆槽内——导电部分。 3、机座：固定定子铁心及端盖，具有较强的机械强度和刚度。 二、转子部分：
Fcm
sin t
空间分布为矩形波如图,随时间按正弦规
律变化.变化频率为电流频率。
空间位置不变而幅值和方向随时间变化的磁动势称为脉动磁动势。
4.4交流电机绕组的磁动势
4.4.1 单相绕组的磁动势
一、整距集中绕组的磁动势
矩形波磁动势可能分解为基波和一系列高次谐波:
fc (x,t) Fc1 sint
基波磁动势为:
个极面下所占的范围，用电角度表示称为相带。
4.2交流电机的绕组
4.2.2 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。 一、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。
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。
Eq1(q1) 4.44 fqN ck y11
若q个线圈为分布绕组,放在q个槽内,各线圈电动势大小相同,相
位相差α电角度,电动势为:
Eq1(q1) 4.44 fqN cky1kq11 4.44 fqN ckw11
基波分布系数
kq1
Eq1(q1) Eq1(q1)
sin q 2
qsin
2
基波绕组系数：kw1 k k y1 q1
双层绕组分双层叠绕组（如图2a=1）和双层波绕组（略）。
4.2交流电机的绕组
4.2.3 三相双层绕组 双层绕组的特点：
1）线圈数等于槽数；
2）线圈数组数等于极数，也等于最大并联支路数；
3）每相绕组的电动势等于每条支路的电动势。
4）双层绕组的节距可以改变，可以选择合适的节距来改善电动 势或磁动势的波形，技术性能优于单层绕组。一般稍大容量的 电机均采用双层绕组。
y 的绕组为整距绕组 . y 的绕组为整距绕组 .
3、电角度
电角度 p 机械角度
4.2交流电机的绕组
4.2.1 交流绕组的基本知识 二、交流绕组的基本概念
4、槽距角
相邻两个槽之间的电角
度。
p 360 0
5、每极每相槽数 q
Z
每一个极面下每相所占的槽数为
6、相带
q Z 2 pm
每个极面下的导体平均分给各相，则每一相绕组在每
额定条件下转轴上 输出的机械功率。
二、额定值
额定运行状态时加在 定子绕组上的线电压.
额定转速nN (r / min) 额定运行时电 动机的转速.
额定功率因数c
额 额定 定效 频率 率fNN
os
N
额定值关系有： PN 3UN IN cosNN
4.2交流电机的绕组
4.2.1 交流绕组的基本知识 一、基本要求和分类 从设计制造和运行性能方面对交流绕组的要求: 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；
•
U2
W2 V1
4.1三相异步电动机的基本工作原理与结构
4.1.2三相异步电动机的基本工作原理 二、转差率
同步电机的转速n1转子转速n之差(n1 n)和同步转速n1的比值称
为转差率s : s n1 n n1
转差率是异步电机的一个基本物理量,它反映电机的各种运行情况.
转子未转动时，n 0, s 1; 电机理想空载时，n n1, s 0.
Fp1 2Fq1k y1 0.9(2qNc )k y1kq1Ic
4.4交流电机绕组的磁动势
4.4.1 单相绕组的磁动势 二、单相脉动磁动势 3、相绕组的磁动势
每个极下的磁动势和磁阻构成一条分支磁路。若电机有p
对磁极，就有p条并联的对称分支磁路，所以一相绕组的基波磁动
势就是该绕组在一对磁极下线圈所产生的基波磁动势，若每相电
电能转变为机 电能和机械能变 机械能转变为电
械能
成内能
能
4.1三相异步电动机的基本工作原理与结构
4.1.3 型号和额定值 一、型号 例:
4.1三相异步电动机的基本工作原理与结构
4.1.3 型号和额定值 额定电流 I N ( A) 在额定运行状态下流
额定功率 PN (kW) 入定子绕组的线电流. 额定电压 U N (kV或V )
os
x
1 2
Fp1 sin(t
x)
1 2
Fp1 sin(t
x)
f
p1
(
x,
t
)
f
p1
(
x,
t
)
即一个脉动磁动势可以分解成两个幅值大小相等的磁动势。
先分析
f
p1
(
x,
t
取幅值点分析
) t 12Fxp1
sin(t
x)
t
0时, x
2 ;
t
时,
x
2 0;
2
t
2
时,
x
;
22
f
p1
(x,
t)
4.3交流电机绕组的感应电动势
4.3.1 线圈的感应电动势及短距系数
一、一根导体的电动势 电动势频率: 电动势大小:
f pn 60
Ec1 2.22 f1
二、整距绕组的电动势
每个整距线匝的电动势: Et1 4.44 f1
每个整距线圈的电动势: Ey1( y ) 4.44 fN c1 三、短距线圈的电动势
c
os
x
Fc3
sin
t
c
os
3
x ... Fc
sint cos
x ...
f c1 ( x, t )
Fc1
sin
t
c
os
x
基波磁动势最大值为:
42
Fc1 2 Nc Ic 0.9Nc Ic 整距绕组基波磁动势在空间按余弦
分布，幅值位于绕组轴线，空间每
一点的磁动势大小按正弦规律变
化——仍然为脉动磁动势。
4）节省用铜量； 5）绕组的绝缘和机械强度可靠，散热条件好；
6）工艺简单、便于制造、安装和检修。
4.2交流电机的绕组
4.2.1 交流绕组的基本知识 二、交流绕组的基本概念
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。
4.4交流电机绕组的磁动势
4.4.1 单相绕组的磁动势
一、整距集中绕组的磁动势
一台两极气隙均匀的交流电机,一个整距绕组
通入交流电流,线圈磁动势在某瞬间的分布如
图,由全电流定律得:
Hdl i Nci
忽略铁心磁阻,磁动势完全降落在两个
气隙上.每个气隙的磁动势为:
fc
1 2
Nci
1 2
NcIc
sin t
流为Ip:
f p1(x, t)
Fp1
sin
t
cos
x 0.9 Nkw1 p
I
p
s
in
t
cos
x
单相绕组的磁动势是在空间按余弦规律分布，幅值大小 随时间按正弦规律变化的脉动磁动势。
4.4交流电机绕组的磁动势
4.4.1 单相绕组的磁动势
三、单相脉动磁动势的分解
f p1(x,t)
Fp1
sin
t
c
4.1.2三相异步电动机的基本工作原理 三、异步电机的三种运行状态
根据转差率的大小和正负,异步电机有三种运行状态
状态
实现
电动机
电磁制动
发电机
定子绕组接对 外力使电机沿磁 外力使电机快速
称电源
场反方向旋转
旋转
转速 转差率 电磁转矩 能量关系
0 n n1
n0
n n1
0 s 1
s 1
s0
驱动
制动
制动
4.4交流电机绕组的磁动势
4.4.1 单相绕组的磁动势 二、单相脉动磁动势 1、整距分布绕组的磁动势
每个绕组由q 个线圈串联构成，依次在定子圆周空间错开槽距 角α,绕组的基波磁动势为q个线圈基波磁动势的空间矢量和：
Fq1 qFc1kq1
2、一组双层短距分布绕组的基波磁动势 双层短距分布绕组的基波磁动势为两个等效绕组基波磁动势的 相量和，用短距系数计及绕组短距的影响：
三相异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械。结构 简单、制造、使用和维护方便，运行可靠，成本低，效率高，得以 广泛应用。但是，功率因数低、起动和调速性能差。
4.1 三相异步电动机的基本工作原理和结构
4.2 交流电机的绕组 4.3 交流电机绕组的感应电动势 4.4 交流电机绕组的磁动 势 4.5 三相异步电动机的空载运行
4.3交流电机绕组的感应电动势
4.3.3 一相绕组的基波感应电动 一势、一相绕组的基波电动势
一绕组有2a条支路，一条支路由若干个线圈组路串联组成。一相 绕组的基波电动势为一条支路的基波电动势
Ep1 4.44 fNk w11
对单层绕组： 对双层绕组：
N pqNc 2a
N 2 pqNc 2a
4.3交流电机绕组的感应电动势
作为电动机，转速在 0 ~ n1范围内变化，转差率在0~1范围内变。 负载越大，转速越低，转差率越大；反之，转差率越小。转差率 的大小能够反映电机的转速大小或负载大小。电机的转速为：
n (1 s)n1 正常运行时，转差率一般在0.01~0.06之间，即电机转速接近同步速。
4.1三相异步电动机的基本工作原理与结构
旋转速度n1
2 f 2 p
f (r / s) p
60 f p
(r / min)
f
p1(
x,
t)的性质与f
p1
(x,
t)性质基本一致,
只是旋转方向是x的负方向。
4.4交流电机绕组的磁动势
4.4.1 单相绕组的磁动势 三、单相脉动磁动势的分解
可见:
(1)单相绕组的基波磁动势为脉动,它可以分解为大小相等、 转速相同而转身相反的两个旋转磁场。
2
x
2
4.4交流电机绕组的磁动势
4.4.1 单相绕组的磁动势
三、单相脉动磁动势的分解
综上分析:
(1)随着时间推移f
p1
(
x,
t
)朝x轴正方向移动,
故f
p1
(
x,
t
)称为正向旋转
磁动势。
(2)
f
p1
(
x,
t
)的幅值为单相基波磁动势幅值的一半。
(3)线速度为v dx 2 f (m / s)
dt
4.3.3 一相绕组的基波感应电动 二势、短距绕组、分布绕组对电动势波形的影响
对V次谐波：
k y
sin(y 900 )、k
q
sin q 2 、E
q sin
p
4.44fNky kq
改善电动势波形的方法:
2
1.采用短距绕组 让ky 0或尽可能小 .
例如
采用y
1时,k
y
0,Ep
0
2.采用分布绕组 让kq 尽可能小.
每个短距线匝的电动势: Ey1( y ) 4.44 fN c1k y1
基波短距系数:
k y1
Ey1( y ) Ey1( y )
sin( y 900)
4.3交流电机绕组的感应电动势
4.3.2 线圈组的感应电动势及分布系数
一组线圈由q个线圈组成,若q个线圈为集中绕组时,各线圈电动势 大小相等、相位相同，线圈组电动势为:
2）单层绕组不适宜于大、中型电机；
3）单层绕组不存在线圈层间绝缘问题，不会在槽内发生层间或相 间绝缘击穿故障；
4）单层绕组线圈数等于槽数的一半，绕线和嵌线所费工时少、工 艺简单，广泛应用于10kW以下的异步电动机。
4.2交流电机的绕组
4.2.3 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。
4.2交流电机的绕组
4.2.2 三相单层绕组 三、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。
4.2交流电机的绕组
4.2.2 三相单层绕组 综上分析： 1）单层绕组为整距绕组；电动势波形不够理想。
1、转子铁心：由硅钢片叠成，也是磁路的一部分。 2、转子绕组： 1）笼型转子：转子铁心的每个槽内插入一根裸 导条，形成一个多相对称短路绕组。2）绕线转子：转子绕组为 三相对称绕组，嵌放在转子铁心槽内。 三、气隙：异步电动机的气隙是均匀的。大小为机械条件所能允 许达到的最小值。
4.1三相异步电动机的基本工作原理与结构
4.1.2三相异步电动机的基本工作原理 一、基本工作原理
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。
• V2
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n1 •
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