6.0第2篇 交流电机的共同理论问题

第 2篇
交流电机的共同理论问题
产生和使用交流电能的旋转电机统称为交流电机。 交流电机包括同步电机和异步电机（感应电机）两 大类。
虽然同步电机和异步电机在运行原理和结构上有很 多不同，但在电机的绕组构成及其感应电动势和磁 动势也有很多相同之处，也被称为交流电机理论的 共同问题。
第6章 交流电机的电枢绕组及其电动势
缺点：槽漏电抗大，不利于削弱电动势和磁动势中的高次谐波 用途：多用于10kw以下的小型交流异步电动机中
绘制电机定子槽数Z＝24，极数2p＝4，并联支路数 a＝1的三相单层绕组的展开图
步骤一：计算有关参数
p 3600 2 3600 0 30 槽距角α： Z 24 Z 24 2 每极每相槽数q： q 2 pm 2 2 3 Z 24 6 2p 4
6 7 8 9 10 11 12 13 14 5 4 3 2
α
1
24 23
N1 S1 N2
15 16 17
18 19
S2
22
21
20
假设磁极磁场的磁密沿气隙 圆周按正弦规律分布，则槽 内电势将随时间按正弦规律 变化。
ω
14
15
16
3
4
5
17
2
30 0
6
18
13 1
7 19
8
20
各槽在空间相差α电角度， 因此各导体电势在时间相位 上彼此相差α电角度。
B
789 25 26 27
X
10 11 12 28 28 30
C
13 14 15 31 32 33
Y
16 17 18 34 35 36
步骤四：绘制绕组展开图




1 2 3
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36
6.1 交流绕组的基本要求和分类
录像
绕组：按一定规律排列和连 接的线圈的总称。它是电机 的重要组成部分。它的作用 是感应电势，流过电流产生 电磁转矩，从而完成电机的 机电能量转换。
它是电机能量转换的中枢，又称电枢绕组。
6.1.1
基本要求
交流电机绕组的基本要求：
（1）在一定的导体数下，有较大的绕组合成电动势和磁 动势 （2）各相的电动势和磁动势波形力求接近正弦波，即要 求尽量减少高次谐波分量
相带
极对
Z 4 3
16
5
17
B
6
18
7 19
X
8 20
20
21 10 22 C
9
A
1 13 2 14 3 15
Z
4 16 5 17
B
6 18 7 19
X
8 20 9 21
C
10 22 11 23
Y
12 24
第一对极 第二对极
步骤四：绘制绕组展开图 将电机定子或转子沿轴向切开并平摊。并将槽画为等距的平行 线，并按一定顺序对槽及槽内的导体进行编号，并把槽内的导 体构成线圈、线圈组和相绕组的原则进行谅解，得到绕组展开 图。
24
12
p 3600 2 3600 0 30 槽距角 Z 24
23
11
10 22
9
21
2号槽电势比1号槽电势滞后α＝300的电角度，依次类推。
6.3
三相单层绕组
单层绕组
6.3.1
三相单层绕组：定子或转子每槽中只有一个线圈边的三相交 流绕组
特点:每一槽中只有一个线圈边，所以线圈数只有槽数的一 半，即为 Z/2 优点：线圈数量少、制造方便、槽内无层间绝缘、槽利用率高
异步极绕组模型
多匝线圈
线圈的节距y1：一线圈两边的距离， 一般用线圈所跨的槽数表示。 一般为了获得较大的感应 电势，线圈的节距y1和极 距τ比较接近。 若 y1＝τ称为整距线圈 y1>τ称为长距线圈 y1<τ称为短距线圈
端部 线圈边 或元件边
y1
6.2.2
槽电动势星形图
槽电势星形图——将电枢上各槽内导体按正弦规律变 化的电动势分别用相量表示，构成的辐射星形图 一台三相同步发电机的 定子槽内导体分布图， 极数2p＝4，电枢槽数 Z ＝24，转子逆时针方向 旋转，绘制槽电势星形 图
Z 步骤三：分相 A 按600相带分相
21 20 2 22 4 3 23 5 24 6 25 7 8 26
B
9 27 10 28 11 29 12 15 33 13 14 31 32 16 34 30
19 1 36 18
Y
A
第一对极 第二对极 123 19 20 21
35
17
X
C
Z
456 22 23 24
度
极距τ：指电机一个主磁极在电枢表面所占的长度 D D－电机电枢直径 用空间长度表示： 2p 2p－电机极数
用所占槽数表示：
Z 2p
1800 或
Z－电枢铁心槽数
π
用电角度表示：
注：在电机理论中常用槽数表示
每极每相槽数q：是指每极每相所占有的平均槽数
它与电机槽数Z，极对数p，相数m的关系：
Z q 2 pm
绘制电机定子槽数Z＝24，极数2p＝4，并联支路数a＝2的三 相双层叠绕组的展开图 步骤一：计算有关参数
槽距角α：
Z 24 每极每相槽数q： q 2 2 pm 2 2 3 Z 24 极距τ： 6 2p 4
p 3600 2 3600 300 Z 24
为改善电势和磁势波形及节省端接线材料，双层绕组采 用线圈节距y1接近极距τ的短距绕组，可取y1＝5
步骤二：画槽电势星形图
14
16 Z 15 4 3
5
17
B
6
18Hale Waihona Puke Baidu
步骤三：分相 注：此时划分到每一 相带的是线圈的编号， 而不是槽内导体的编 号了
A
13 1
2
30 0
7 19 X
8
20
12 24 Y
23
相带
A
X 三相单层交叉式绕组A相绕组展开图
从A绕组展开图中可以看出，每个线圈也从A和 X相带各 选择一槽，采用了“两大一小、两大一小”的交叉布置， 故称交叉式绕组
1～30，12～19连接为两个小线圈，节距y1＝7；其他四 个大线圈y1＝8，都小于极距τ＝9，故也是短距绕组。 节省了端部铜线。 交叉式绕组比较适用于q＝3的小型交流电机的定子绕组 中
q＝1的绕组称为集中绕组，q>1的绕组称为分布绕组 q为整数的绕组称为整数槽绕组，q不为整数的绕组称为 分数槽绕组
槽距角α：相邻的两槽之间用电角度表示的距离。
p 360 计算公式： Z
其中： p－电机极对数
0
α
N1 S2 N2 S1
Z－电枢铁心槽数
线圈（也称元件）——构 成绕组的基本元件，一般 由Nc根线匝串联而成，包 括线圈边和端部。
步骤二：画槽电势星形图
步骤三：分相
15
将各槽导体分成三相原则： 14 使每相电势最大，并且三相 2 A 的电动势要对称。 30 0 13 1 通常采用600分相法：即把3600 的槽电势星形图6等份，每一相 12 0 24 60 称为一个相带 Y 11 其中A和X两个相带构成A相；B和 23 Y构成B相；C和Z构成C相。
绘制电机定子槽数Z＝36，极数2p＝4，并联支路 数a＝1的三相单层绕组的展开图
步骤一：计算有关参数 p 3600 2 3600 槽距角α： 200 Z 36
Z 36 3 每极每相槽数q： q 2 pm 2 2 3
Z 36 9 2p 4
步骤二：画槽电势星形图
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
τ
N
τ
S
τ
N
τ
S
v
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
A
X
三相单层整距绕组A相绕组展开图
τ
N
τ
S
τ
N
τ
S
v
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 1
A 三相单层链式绕组A相绕组展开图
X
τ
τ
τ
τ
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 1
Y
A
Z
B
C
X
三相单层链式绕组A、B、C相绕组展开图
动画2 动画1
pn f 60
N
Y
p 1, n 3000r / min p 2, n 1500r / min p 30, n 100r / min
注：此绕组为集中槽绕组， 结构不合理，一般采用分布 槽绕组。
S
C X 2p=2
6.2槽电动势星形图
6.2.1 极对数、电角度、极距和每极每相槽数 极对数：指电机主磁极的对数，通常用p表示
从A绕组展开图中可以看出，每个线圈从A和 X相 带各选择一槽，象链条一样连接，故这种绕组称 单层链式绕组
绕组每个线圈的节距y1（y1＝5）相同，且小于极距 τ，即采用了短距绕组。其端部连线距离较短，能 节省材料，同时其端部布线均匀，便于制造。 链式绕组比较适用于q＝2，p>1的小型交流电机 的定子绕组中
（3）对三相绕组，各相的电动势和磁动势要求对称（大 小相等且相位上互差1200）并且三相阻抗也要求相等 （4）用铜量少，绝缘性能和机械强度可靠，散热条件好， 工艺简单，安装和检修要方便（运行和制造)
6.1.2
主要分类方法
绕组分类
按槽内层数分 链式绕组的 单层绕组 交叉式绕组 同心式绕组 双层绕组
叠绕组 波绕组
步骤四：绘制绕组展开图
τ
τ
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
1
2
A
X
三相单层同心式绕组A相绕组展开图
从A绕组展开图中可以看出，每个线圈也从A和 X相带 各选择一槽，采用了“大线圈套小线圈”的同心式布 置，故称同心式绕组 1～16，3～13连接为两个小线圈，节距y1＝9；2～15， 3～14两个大线圈的y1＝11，都小于极距τ＝12，故 也是短距绕组。节省了端部铜线。 同心式绕组适用于p＝1的小型交流电机的定子绕组中
N1 S2 N2
2p=4
N S1 S
2p=2
电角度：一对磁极所对应的空间角度为3600电角度
注意区别空间电角度和一般的空间几何角度。在电机学理论 中通常将几何角度称为机械角度，一个圆周的机械角度是 3600 电角度＝极对数×机械角度
动画2
一圆周为 3600机械 角度 7200电角
一圆周为 3600机械角度 3600电角度
极对 第一对极 1
绘制电机定子槽数Z＝24，极数2p＝2，并联支路数a＝1的三 相单层绕组的展开图 步骤一：计算有关参数
p 3600 1 3600 0 15 槽距角α： Z 24 Z 24 极距： 12 2p 2 Z 24 4 每极每相槽数q： q 2 pm 2 1 3
按相数分 单相绕组 两相绕组 三相绕组 多相绕组 按每极每相槽数分 整数槽绕组 分数槽绕组 注：三相双层绕组能较好的满足交流绕组的基本 要求，所以现代电力交流电机一般多采用三相双 层绕组
以一同步发电机为例，说明交流绕组的基本概念
三相绕组对称，三相电势也 是对称的 。
感应电势的频率 A Z n B
步骤二：画槽电势星形图
Z
步骤三：分相
A
3 2 1 24
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15
B
按600相带分相
Y
23 22
X
17 21 20 19 18
16
C
A
第一对极
Z
2 4 5 6 7 8 9 11
B
10 12 13 15
X
14 16 17 19
C
18 20 21 23
Y
22 24
1 3
总
结
三相单层链式、交叉式、同心式绕组，同整距绕组相比较， 缩短了端部连接，节省了铜线。但从电气角度看，每相绕 组都是将互差1800电角度的两个相带内的导体串联而成， 只是组合的方式有所不同，实际上都相当与整距分布绕组。 因为在电气上相当于整距绕组，不能有效削弱高次电势和 磁势的谐波，故一般只被用在小型电机中。大中型电机均 不采用。 每相的最大并联支路数等于极对数，即amax＝p。
6.4
三相双层绕组
三相双层绕组是指电机每一槽分为上下两层，线圈 （元件）的一个边嵌在某一槽的上层，另一边放在相 隔一定槽数的另一槽的下层的一种绕组。 优点：双层绕组的元件节距y1可以调节，便于削弱电 势和磁势中的高次谐波。 三相双层绕组分类：
波绕组
叠绕组
6.4.1 叠绕组 叠绕组 在绕组绕制中，任何相邻的线圈都是后一 个“紧叠”在前一个上面 双层叠绕组的主要优点 1.可以灵活的地选择线圈的节距y1来改善电势和磁 势的波形 2.各线圈节距、形状相同，便于制造 3.可以得到较多的并联支路数 4.可以采用短距线圈以节约端部用铜 1.嵌线困难，特别是最后几个 双层叠绕组的主 线圈 要缺点 2.线圈组间连线较多，极多时 耗铜量大