第四章+交流电机绕组的电动势和磁动势

4.3 交流电机电枢绕组的磁动势 一、单层集中整距绕组的一相磁动势 设气隙均匀，当线圈中通以电流 i ，如果线圈匝数 为 N k ，线圈产生的磁动势
Hdl i
则每个气隙上的磁动势为：

N ki

2
到

2
1 fk N ki 2
f ( ) f k
1 Nki 2

2
到
3 1 f ( ) f k N k i 2 2
特点： （1）每个槽内只有一个整距线圈，嵌线方便，可提高工效。 （2）线电动势中不存在3的倍数次谐波电动势 （3）波形不好 （4）散热困难 五、三相单层分布绕组 1.电动势星形相量图 星形相量图：按照相邻两槽导体的基波电动势相量相差α电 角度的规律，画出全部电机的槽导体基波电动势相量图，叫 做星形相量图。
Eq 4.44 fN k qkd E qkd
k d
采用60度分相法，q=4时
s in q q s in

2 2
kd 1 0.96
基波电动势被消减4％ 3次谐波电动势被消减35％ 5次谐波电动势被消减80％
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k d 3 0.653 k d 5 0.205
3.槽距角α（电角度）： 4.每极每相槽数q: 6.并联支路数a
q
Q 2 pm
p 360 0 Q
5. 电角度=pX机械角度 7.相带：每极每相槽数连续占有 的区域。60度相带、120度相带、 30度相带。
计量电磁关系的角度称为电角 度（电气角度）。电机圆周在 几何上占有角度为360°，称 为机械角度。而从电磁方面看， 一对磁极占有空间电角度为 360°。一般而言，对于p对极 电机，电角度=pX机械角度。
0
2 360 30 0 24
（2）画出电动势星形图
(3) 按60度分相
Q 24 q 2 2mp 2 3 2
逆相量旋转方向每隔60度标上A、Z、B、X、C、Y
（4）绘制绕组展开图
将同一磁极下属于同一相带的线圈依次连成一个线圈组。 则A相可得四个线圈组，分别为1-2，7-8，13-14，19-20。同 理B、C两相也各有4个线圈组。四个线圈组的电动势的大小 相等，但同一相的两个相带中的线圈组电动势相位相反 .
pn1 Hz f 60
当电动机的定子三相绕组里通以频率为 则电机的转速为 60 f
f
的三相交流电，
n1
p
f
当主磁极的极对数 p 一定时，电机的转速 n1 和频率 间有着严格的关系，这种关系称为同步关系。
之
（2) 异步电机的基本工作原理 定子铁心（电枢铁心） 定子 定子绕组（电枢绕组） 组成 转子铁心 鼠笼式 转子 转子绕组 绕线式绕组: 电线绕制而成,Y 联接,滑环引出,外接电阻 注：转子绕组是个自己闭合的短路绕组
3,5,7
二、整距线匝感应电动势
ET 1 4.44 f1
三、整距线圈感应电动势
设线圈为Nk匝数，则有：
ET 4.44 f
Ek 1 4.44 fN k 1
四、三相单层集中整距绕组
Ek 4.44 fN k
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。 按照三相交流发电机来安排三相对称绕组，所设计的 绕组能够发出三相对称的基波电动势。
电机运行时，转子的转速 所以称为异步电机
n 不会等于旋转磁场的转速 n1
二、交流绕组的分类 按相数分为：单相、三相、多相 按槽内层数分为：单层、双层、单双层 每极每相槽数q：整数槽、分数槽 三、对交流绕组的要求 1.在导体数一定的情况下，能得到较大的基波电动势和基波 磁动势 2.三相绕组对称（即保证各相电动势、磁动势对称，电阻电 抗相同） 3.合成电动势和合成磁动势的波形要接近正弦形，谐波分量 要小。
k p sin ( y ) 2

q个短距线圈组成的分布线圈组：
Eq1 4.44 fqN K k p1kd 11
相绕组基波电动势有效值：
E1 4.44 fN 1kdp11
2 pqNk N1 a
每相串联匝数 基波绕组因数
kdp1 kd 1k p1
相绕组谐波电动势有效值：
E 4.44 fN 1kdp
pqNk N1 a
每相谐波电动势有效值为
一相绕组串联匝数
Eq 4.44 fN 1 kd
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。
8.极相组——将一个磁极下属于同一相（即一个相带）的 q个线圈，按照一定方式串联成一组，称为极相组（又 称为线圈组）。
9.线圈组数 = 线圈个数/ q
4.2 交流电机绕组的绕制方法、电动势 导体电动势 线匝电动势
f pn1 60
线圈电动势
绕组电动势
一、一根导体的电动势
1.电动势频率： 2.电动势波形：由e=BLV可知，由气隙磁密沿气隙分布的波 形决定； 3.空间位置相差 0 电角度的两根导体,其基波感应电动 势在时间上亦相差 0 电角度.顺转子转动方向看,导体 的空间位置是超前者,感应电动势在时间上是滞后的。 4.基波电动势大小： E1 2.22 f1 5.谐波电动势大小： E 2.22 f
（6）每相串联匝数
2 pqNk N1 a
2、优点： （1） 可采用短距，改善电动势、磁动势的波形 （2）端部排列整齐，利于散热、机械强度高 3、三相双层分布短距绕组的安排 例：三相交流电机Z=24，2p=4，y1=5。试绘制a=2的三相 双层短距分布绕组展开图。 解：（1）先计算槽距角：
p 360 Q
2.利用星形相量图安排单层分布绕组 安排三相绕组的原则：得到三相对称电动势。 采用60度分相法，则每极每相槽数q为
q Q 24 2 2 pm 223
将星形相量图，逆相量旋转方向，每 隔60度电角度标上A、Z、B、X、C、 Y。如右图 画展开图 注：单层绕组最大可能的并联支路 a p
1 4
同步发电机 主要作为发电机，产生交流 电能 同步电机 同步电动机 用于大型而又不要求调速 交流电机 的生产机械
异步电机 异步电动机 主要作为电动机，拖动各种 生产机械 异步发电机 用的很少
一、交流电机的基本工作原理
（1）同步电机的基本工作原理
定子 组成 转子
定子铁心（电枢铁心） 定子绕组（电枢绕组） 转子铁心 主磁极 永久磁铁 励磁绕组：通以直流电流
五、 三相双层绕组
1、特点： ⑴每个槽内放置上下两个线圈边 ⑵线圈个数等于槽数Q ⑶线圈组个数 = Q/q
⑷每相线圈组数
Q mp
⑸双层绕组的并联支路数最多是
a 2p
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 效边则放置在相距 一个节距y1 的另一槽 的下层。构成原则 、排列方法和联接 步骤与单层绕组基 本相同。
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。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。
单层同心式绕组
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。
例：一台三相同步发电机的定子槽内导体沿电枢内圆周均匀 分布，已知2p=4,电枢槽数Q=24,转子磁极逆时针方向旋转， 试绘出槽电动势星形图。 解：先计算槽距角：
p 360 0 2 360 0 30 0 Q 24
槽电动势星形图的一个圆周的距离使用 电角度360度，即一对磁极的距离。所以， 1—12号相量和13—24重合。 一般来说,当用相量表示各槽导体的感应 电动势时,由于一对磁极下有Z/P个槽,因此一 对磁极下的Z/P个槽电动势相量均匀分布在 360度的范围内,构成一个电动势星形图.
以同步发电机为例说明其工作原理 水轮机 汽轮机 汽油机、柴油机
原动机
当同步发电机由原动机拖着主磁极以恒转速 n1相对于定 子逆时针旋转时，根据电磁感应定律，则与磁感应线、导体 运动方向垂直的导体中感应电动势的大小用公式表示为
e b lv
方向由右手定则确定—导体感应电动势的瞬时实际方向 导体感应电动势的频率：每秒电动势变化的周期数
鼠笼式转子
绕线式绕组
以三相异步电动机为例说明其工作原理 当三相绕组通以三相电流时，产生一个旋转磁场，转子上 的导体切割磁力线，产生感应电动势，这里认为导体中的电 流与感应电动势同方向，根据电磁力定律可知：与磁感应线、 导体运动方向垂直的导体受到的电磁力大小用公式表示为
f b liN
方向由左手定则确定
（5）确定绕组的并联支路数
a2
确定下列绕组的并联支路数
4.三相双层分布短距线圈的电动势
短距线圈的基波电动势有效值
Ek 1 2 E A1 sin( y k p1 sin( y

2
) 4.44 fN K sin( y

2
)1 4.44 fN K k p11

2
)
基波节距因数
可以理解为：短距线圈若是看成整距线圈，则它的有效匝 数为 N K k p1 短距线圈的谐波节距因数
3.绕组相电动势计算、分布因数 （1）q个整距线圈组成线圈组的基波电动势 q个线圈组成，集中整距绕组：
Eq1 4.44 fqN k 1 qEk 1
分布整距绕组：
Eq1 4.44 fqN k 1kd 1 qEk1kd 1
s in q 2
kd 1
q s in

2
基波分布因数
（2）整距分布线圈组的υ次谐波电动势
由此可见：在一个线圈中通以电流，它所产生的气隙磁动 势沿圆周的分布是一个矩形波。
按傅里叶级数分解，则
f ( ) c1 cos c3 cos 3 c5 cos5
1，， 2 3
c cos

其中
f ( ) 4
c f k cos
4

fk
1
4.铜耗减小，用铜量减少。 5.绝缘可靠、机械强度高、散热条件好、制造方便 总之：对三相交流电机，要求三相绕组能感应出波形接 近正弦、有一定数值的三相对称电动势；当三相绕组中流 过三相对称的电流时，能产生接近圆形的旋转磁动势。 四、绕组的基本概念
1.极距τ：

D
2p
或
Q 2p
2.线圈节距y1： 一个线圈的两个有效边之间的距离。 y1=τ 整距线圈； y1<τ短距线圈；y1＞τ长距线圈。
六、齿谐波电动势
⑴齿谐波——谐波次数υ与一对极下的齿数Q/p具有特定 关系的谐波，即υ = Q/p±1=2mq±1的谐波。
⑵齿谐波的特点：

kdp kdp1
2mq 1
七、消除谐波电动势的方法 1.采用短距绕组; 2.采用分布绕组； 3.增大每极每相槽数; 4.斜槽或斜极 ； 5.采用半闭口或磁性槽契； 6.采用分数槽绕组。
第四章 交流电机绕组的电动势 和磁动势
主要内容：介绍交流同步电机和异步电机的工作原理；分析 电枢绕组的绕制方法以及电动势的计算方法；分析电枢绕组 产生磁动势的大小、波形、性质。
4.1交流电机的工作原理、对绕组的基本要求
4.2 交流电机绕组的绕制方法、电动势
4.3 交流电机绕组的磁动势
4.1 交流电机的工作原理，对绕组的基本要求
kd 7 0.158 7次谐波电动势被消减85％
由此可见：采用分布绕组后，对基波电动势有效值减少 的不多，而把高次谐波电动势有效值大大消减，改善了电动 势的波形。 （3）三相单层分布绕组相电动势 对于单层绕组，因为每相每条支路有 所以每相基波电动势有效值为
p a
个线圈组串联
E1 4.44 fN 1kd 11

sin

2

41 41 f k cos3 f cos5 3 5 k f k1 4
基波磁动势 3谐波磁动势 5谐波磁动势

f k cos 14 f k cos3 3
fk 3 fk 5
14 f k cos5 5
（1）基波磁动势的幅值为
4

f k ，谐波磁动势的幅值为