电机学第六章课件

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m
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电机学
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电机学
槽导体电势星形图：各槽导体电势组成的相量 图。 例：Z = 24，p = 2， m = 3 的电机，q = 2， α = 30º，相邻两槽导 体电势相差30º，槽 导体电势星形图如右 图所示。
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电机学
二、三相单层绕组
特点：
每槽只有一个线圈边。 线圈数等于二分之一槽数；通常是整距绕组
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电机学
第二节 交流绕组
交流绕组：同步电机的电枢绕组和异步电机的定、 转子绕组 交流绕组的基本要求
1、三相基波电动势和磁动势要对称，即大小相等， 相位互差120º（电角度）。 2、力求获得较大的基波电动势和磁动势，波形要接 近正弦波，尽量减少或消除谐波分量。 3、提高导线的利用率，提高制造的工艺性（绝缘可 靠、机械强度高、散热条件好、制造方便）。
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• 3. 连相绕组
▪ 将属于同一相的2p个线圈组连成一相绕组， 并标记首末端； ▪ 串联或并联，符合电势相加原则。
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电机学
按照以上规律联接，每相有8个线圈，可组成4个线圈 组，它们之间可以并联、串联或串并联。联接方式不 同，每相并联支路数 a 不同，对应的每相电势和每相 电流也不同。
优点：
嵌线方便；无层间绝缘；槽利用率高
缺点：
电势、磁势波形比双层绕组差。 一般用于小型（10kW以下）交流电机Exit第19页电机学
• 交流绕组的构成原则
▪ 1. 均匀原则
• 每个极面下的槽数（线圈数）要相等，各 相绕组在每个极面下所占的槽数应相等
– 每极槽数用极距τ表示 – 每极每相槽数
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• 2. 连线圈和线圈组
▪ 根据给定的线圈节距连线圈（上层边与下层 边合一个线圈）； ▪ 以上层边所在槽号标记线圈编号； ▪ 将同一极面下属于同一相的某两个圈边连成 一个线圈（共有q个线圈） ； ▪ 将同一极面下属于同一相的 q 个线圈连成一 个线圈组（每相2p个线圈组） 。 ▪ 以上连接应符合电势相加原则
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定子铁芯 正在嵌入线圈的定子
正在安装转子的同步发电机
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电机学
感应电动势波形：正弦波 三相绕组感应电动势之间的相位关系：互差120º。 注意时空量的对应关系，在转子恒速的情况下： 气隙磁场在空间上按正弦规律分布 → 绕组感应 电动势随时间按正弦规律变化 三相绕组在空间上互差120º → 三相绕组的感应 电动势在时间相位上互差120º
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如此，可得到单个线圈边感应电势为：
对整距绕组来说，一个元件的两个线圈边感应电势正好 反相，这样整个元件感应电势为：
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Nc 匝短距线圈电动势
对短距绕组来说，一个元件的两个线圈边感应电势相差π-β
Ec N c 2 Ea cos

2
4.44 fN c cos
Z q 2 pm
Z 2p
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电机学
• 2. 对称原则
▪ 三相绕组的结构完全一样，在电机圆周空间互相 错开120º电角度。 ▪ 如槽距角为 α ，则相邻两相错开的槽数为 120º/α 。
• 3. 电势相加原则
▪ 线圈两个圈边的感应电势应该相加；线圈与线圈 之间的连接也应符合这一原则。 ▪ 如线圈的一个边在N极下，另一个应在S极下。
方法1：
有效值
即为 Nc 匝整距线圈电动势
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方法2：更易用的推导方式，即用左手定则表达式：
磁场为在空间正弦分布的波形，但从线圈边这个位置点 看出去，经过其上的磁场强度随时间变化关系记录下来 就是一个通常意义上的时间相量——随时间按正弦规律 变化的波形。注意：这个简单的关系是旋转电机时空联 系的基础。
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相带：每个极面下每相绕组占有的范围，单位为电 角度。 60º相带：将一个磁极所占范围等分给3相，每相 占60º电角度（六分之一周期）。 120º相带：将一对磁极所占范围等分给3相，每 相占120º电角度（三分之一周期）。
p=2
p=1
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Z 每极每相槽数：q 2 pm
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电机学
二、异步电机的基本作用原理
异步机定子结构与同步机相同，转子绕组是一个闭合 绕组。定子三相对称绕组通入三相对称交流电时，会在 空间产生一个旋转磁场，该磁场的转速称为同步速。由 于旋转磁场与转子之间有相对运动， 该磁场会在转子绕组内感应电势。由 于转子绕组是一个闭合绕组，有电流 流通，转子的感应电流与气隙旋转磁 场相互作用产生电磁转矩，电动机状 态下，该转矩将驱动转子旋转。如果 电机轴上带有机械负载，则电机将带 动负载旋转，输出机械能。
适用于 q 较大的场合。一大一小组成一个同心式 线圈组
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电机学
注意： 虽然三相单层绕组有不同的绕组型式，但是各 种绕组的电磁性质是一样的，因为属于某相的导 体并没有改变，这些导体的电动势和电流方向也 都没有改变。由于所有绕组都是由相差180º电角 度相带内的导体组成的，所以从每相电势的角度 来看，单层绕组都是整距绕组。
▪ 2. 链式绕组
特点：所有线圈都是短距 优点：端接部分较短，可以节省铜线 适用于 q = 2，p > 1 的小型交流电机
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电机学
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电机学
3. 交叉式绕组
适用于q = 3 的小型异步电机，依次二大一小交叉布 置为交叉式绕组
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4、同心式绕组
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电机学
二、三相双层绕组
特点： 每槽有两个线圈边，分上下层放置。 两个线圈边一个在一个槽的上层，一个在另一 个槽的下层。 线圈数等于槽数 一般用于10kW以上电机
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展开图绘制方法
例：槽数为24槽的3相4 极电机整距双层绕组 每极每相槽数：
Z 24 q 2 2 pm 2 2 3
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第六章 交流电机绕组及其感应电动势
• 第一节 旋转电机的基本作用原理 • 第二节 交流绕组 • 第三节 绕组的感应电势 • 第四节 谐波电动势及其削弱方法
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电机学
第一节 旋转电机的基本作用原理
旋转电机的结构 转子 定子 空气隙 铁芯：构成磁的通路 绕组：构成电的通路 • 励磁绕组：通产生磁场的电流
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电机学
• 2. 连线圈和线圈组
▪ 将一对极面下属于同一相的某两个圈边连成 一个线圈（共有q个线圈） ； ▪ 将一对极面下属于同一相的 q 个线圈连成一 个线圈组（每相p个线圈组） 。 ▪ 以上连接应符合电势相加原则
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电机学
• 3. 连相绕组
▪ 将属于同一相的 p 个线圈组连成一相绕组， 并标记首末端； ▪ 串联或并联，符合电势相加原则。
• 电枢绕组：通传递能量的电流 旋转电机工作时，磁场与电枢绕组之间有相对运 动，可以在电枢绕组内感应出电动势，同时，电枢 电流与气隙磁场相互作用又会产生电磁转矩。由此 实现机电能量转换。
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电机学
一、同步电机的基本作用原理
结构模型 定子：嵌有三相对称绕组（匝数相同，空间位 置互差120º）。 转子：装有励磁绕组，通上直流电后可以产生 恒定磁场，该磁场在气隙中按正弦规律分布。 工作原理：原动机带动转子以恒定 转速旋转，气隙中的磁场也随转子恒 速旋转，相当于绕组反向切割磁力线， 绕组中会有感应电动势产生（发电）。
▪ 机械转速 n r/min n/60 r/s
▪ 机械角速度 Ω= 2πn/60 ▪ 频率 f = pn/60 ▪ 电角速度 ω=2πf = 2πpn/60=pΩ ▪ 线速度 v = 2πrn/60 = 2pτn/60
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电机学
一、线圈电势
电势决定于磁场的大小与分布，及磁场与线圈间的 相对运动 设气隙磁场按正弦规律分布，则每极总磁通
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电机学
注意：各相槽号分配不变，部分线圈的下层边在 属于其他相的槽内。 优点：即可以节省铜线又可以削弱谐波。
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电机学
第三节 绕组的感应电势
• 分析顺序：
▪ 线圈电势 ▪ 线圈组电势 ▪ 相绕组电势
• 1．单层绕组 • 2．双层绕组
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电机学
• 旋转电机中的几个速度变量
m B S

1

0
Bm sin S
2

Bm S
2

Bm l
气隙磁场每转过一对磁极，线圈中的电势便经历一 个周期。电势的频率用每秒转过的磁极对数表示。 感应电动势频率
pn f 60
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电机学
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电机学
m cos t
设线圈匝数为Nc，感应电势的瞬时值为
槽距角：
p 360 0 2 360 0 30 24 Z
采用60º相带。
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电机学
• 1. 分极分相
▪ 将总槽数按给定的极数均匀分开（N、S极相 邻分布），并标记假设的感应电势方向； ▪ 将每个极面下的槽数按三相均匀分开。三相 在空间错开120º电角度。
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短距和整距
整距：一个槽中上、下层圈边属同一相 短距：某些槽中上、下层圈边可能不属于同一 相。上、下层间有较大电位差，应加强层间绝缘
优点：即可以节省铜线又可以削弱谐波。
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电机学
短距： y < τ 。用短距角β表示短距程度。
上层导体电势与下层导体电势相位差180-β电 角度
串联
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电机学
并联
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电机学
• 4. 连三相绕组
▪ 按照同样的方法构造其他两相； ▪ 将三个构造好的单相绕组连成完整的三相绕 组。 △接法或者Y接法
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电机学
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电机学
• 单层绕组分类
▪ 1. 等元件绕组（即前面构造的绕组）
• 特点：所有线圈都是整距
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电机学
展开图绘制方法
例：槽数为24槽的3相4 极电机整距单层绕组 每极每相槽数：
Z 24 q 2 2 pm 2 2 3
槽距角：
p 360 0 2 360 0 30 24 Z
采用60º相带。
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电机学
• 1. 分极分相
▪ 将总槽数按给定的极数均匀分开（N、S极相 邻分布），并标记假设的感应电势方向； ▪ 将每个极面下的槽数按三相均匀分开。三相 在空间错开120º电角度。
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电机学
a=1：相电势=4*线圈组电势 相电流=线圈电流 a=2：相电势=2*线圈组电势 相电流=2*线圈电流 a=4：相电势=线圈组电势 相电流=4*线圈电流
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电机学
• 4. 连三相绕组
▪ 按照同样的方法构造其他两相； ▪ 将三个构造好的单相绕组连成完整的三相绕 组。 △接法或者Y接法
q = 1：集中绕组；q ≠1：分布绕组。 q为整数：整数槽绕组； q为分数：分数槽绕组。
p 360 槽距角（电角度）： Z
0
极距τ
弧长表示：
D
2p 槽数表示： Z 2p
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电机学
元件（线圈）
节距 y ：线圈两圈边之间的距离，一般用槽数表 示。y = τ 为整距，y > τ 为长距 ， y < τ 为短距。
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电机学
若将三相绕组的x、y、z三个端点接在一起作为中 性点，a、b、c三个端点接三相对称负载，则三相绕 组内有三相对称电流流过，三相电流与励磁磁场相 互作用产生电磁转矩。在发电机运行状态下，该转 矩与原动机输入的转距及转子的转向相反，为保持 转子的转速不变，原动机必须不断地输入机械转矩， 即不断输入机械能。
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电机学
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电机学
一、有关术语
电角度：
几何上定义一个圆周为360º机械角度 电机理论中，导体每转过一对磁极，电势变化一 个周期，定义一对磁极距对应的角度为360º电角度。 p 对磁极的电机，一个圆周对应 p 个周期，也就是 p × 360º电角度。 电角度 = p × 机械角度