电机学课件第六章交流绕组的共同问题(华夏).

120
1000(转/分）
750 (转/分 ）
90
可见: 旋转磁场转速n0与频率f1和极对数p有关。
7. 2. 2 电动机的转动原理
1. 转动原理 定子三相绕组通入三相交流电
Y
v
C
A
n0
F
Z
N
60 f1 n0 (转/分） p 旋转磁场
方向:顺时针 切割转子导体
F
B
S
X
Blv
右手定则
感应电动势 E20
4极电机，要使得导体中的 感应电势为50Hz,转速应为多少？
又因为正弦波磁通密度的平均值为：
Bav
每极磁通为：

1

0
Bm sin xdx
2

Bm
Bavl
2 f 2.22 f 2
都代入上式： E
这是一根导体内的电动势。 小结：绕组中均匀分布着许多导体，这些导体中的 感应电势有效值/频率/波形均相同；但是他们的 相位不相同。
Im I m
i i A
i B iC
S
t
n0 3000 (转/分）
A Y C
N
Z Y B
A
A
S
C N
Z
Y B C
N
Z B
S
S
X
X
X
p=2时
C
X
Y
A
N

30
Z
C
B

Y
A
Z
B
S
Z

S
A
X

S
N
S

B

n0
X
N
B
X
Y
C
Z
N
A Y
C
Im
i i A i B iC
t 0
当气隙磁场的磁通密度 B 在空间按正 弦波分布时，设其最大磁密为Bm， B = B sinα 则： m
e B lv B x 是导体在处的气隙磁密； l是切割磁感应线的导体 长度； v是导体垂直切割磁感应 线的 相对线速度。
已知转子逆时针方向的 转速为n r min , 用电角速度表示为： n 2p rad / s 60
§ 交流电机的绕组
交流电机的绕组由嵌放在定子铁心槽内的线 圈按一定规律联接而成的。
交流电机的绕组分为：单相绕组（m=1） 和三相绕组（m=3）
一、交流电机的基本工作原理
Ø
1、同步发电机的基本工作原理
设B Bm sin 则e Bl Bm l sin t Em sin t
4.44 fW y sin y
+j

2
式中k y sin y

2
称为基波短距系数
E X
E y
y1
E A
6.1.5 线圈组电动势和分布系数：
线圈在下线时，是以线圈组为单位的，每 个极（双层绕组时）或每对极（单层绕组时） 下有q个线圈串联，组成一个线圈组，所以线 圈组的电动势等于q个串联线圈电动势的相量 和。
感应电流 I2 旋转磁场
电磁转矩T
Bli
左手定则
电磁力F
n
Ø
当转子为一对磁极时，转子旋转一周，定 子绕组的感应电动势正好变化一周；当转 子为p 对磁极时，转子旋转一周，定子绕 组的感应电动势变化 p 周；设转子每分钟 转速为n,则感应电势的频率为
掌握基波磁场下集中、分布绕组线圈组电势计算。
掌握单相绕组产生脉振磁势及其主要结论。
熟练掌握单相绕组产生脉振磁势基波可以分解 为两个转向相反的旋转磁势。
掌握三相绕组产生旋转磁势的条件、性质及其 主要结论。 熟练掌握三相对称绕组产生圆形旋转磁势基波 的大小、转向、速度 。
§6-1交流绕组的感应电动势
Ø
例：在电机的定子上放了相距1500空 间电角度的两根导体A与X；转子绕组 通入直流励磁电流产生一对极性的气 隙磁密，并规定导体电动势出纸面为 正，如图所示。已知原动机拖动电机 转子逆时针方向以n的转速恒速旋转时， 在每根导体中感应的基波电势有效值 都是10V。画出图示瞬间两根导体A与 X的感应基波电势相量在复平面上的位 置。
由于三相绕组在空间彼 此相差 120 ， 磁力线依次切割 U相、V相、W相 则eU E m sin t eV E m sin(t 120 )
0
0
eW E m sin(t 240 )
0
三相电势波形图
2 三相异步电动机的转动原理
二、旋转磁场
1.旋转磁场的产生
iA I m sin t
Eq 4.44 fqWy k q
若既是分布又是短距的 ，则线圈组感应基波电 势为 Eq 4.44 fqN y k y kq 4.44 fqN y k N 其中k w＝k N kq 称为基波绕组系数
由于短距和分布引起线圈组电动势减 小的程度。
Ø
Ø
相电动势和线电动势： 我们知道在多极电机中每相绕组均由处于 不同极下一系列线圈组构成，这些线圈组既 可串联，也可并联。此时绕组的相电动势等 于此相每一并联支路所串联的线圈组电动势 之和。如果设每相绕组的串联匝数（即每一 并联支路的总匝数）为N，每相并联支路数 为a时，相电动势为：
E E E T ( y1 ) A X
Ø
其有效值为:
ET 2 E A 2 2f 4.44 f B
Bm 0 ⊙A X ⊙ π 2π S
E t1
α
n
N
+ j
6.1.3整距线圈基波电动势
如果线圈不只一匝，而是 N y 匝，则：
E y 4.44 fWy
在交流电机中，一般要求电机绕组中的感 应电动势随时间作正弦变化，这就要求电 机气隙中磁场沿空间为正弦分布。要得到 完全严格的正弦波磁场很难实现，但是可 以采取各种结构参数尺寸使磁场尽可能接 近正弦波，例如从磁极形状、气隙大小等 方面进行考虑。在国家标准中，常用波形 正弦性畸变率来控制电动势波形的近似程 度。
动画
t
iB B
iC
Y X Z C
Z
A A
A A
S
Y
Z C
Y
S
结论： 任意调换两根 电源进线，则旋转 磁场反转。
N
B
C
B
N
X
X
t 0
t 60
3.旋转磁场的极对数P
iA
A
Z X Y
Im
i i A
i B iC
t
A Z
o
B
Y
iC C
iB
N
当三相定子绕组按 图示排列时，产生一对 磁极的旋转磁场，即：
⊙ ⊙ ⊙ α 1 2 3 ⊙ ⊙ ⊙ eq
1’ 2’ 3’
E E E E q y1 y2 y3
槽距角
p 360 / z
0
每极每相槽数
q z / 2m p

2
一个线圈的电势为: E y 2 R sin
E q AB 2 R sin
R Ey 2 sin
由图可知，线圈组电动势的有效值为： q
2
式中：

2
Eq
q Ey
q sin 2 q sin

2
q Ey K q
kq
q sin E q1 (q个分布线圈的合成电动 势） 2 qE（ 势） y q个集中线圈的合成电动 q sin 2
线圈组电动势的有效值为：
当q=1时，kq=1，称为集中绕组。
C X
S
B
p 1
t 0
若定子每相绕组由两个线圈串联 ，绕组的始端 之间互差60°，将形成两对磁极的旋转磁场。
iA
A
iC
C
X A' Z' X' C' Y' Y B' Z
B
C
X
Y A
Z`
B X
B Z
A Y
C
iB
4.旋转磁场的转速
旋转磁场的转速取决于磁场的极对数 N p=1时
n0 60 f1 (转/分） 0 o 工频： f1 50 Hz
t 60
0
t
60 f1 n0 1500 (转/分） 2
旋转磁场转速n0与极对数 p 的关系 60 f1 n0 (转/分) p 极对数
同步转速 每个电流周期 磁场转过的空间角度 ( f1 50Hz )
p 1
p2
p3
p4
360
180
3000(转/分）
1500(转/分）
交流电机图片
同步发电机定子结构
汽轮发电机定子下线
汽轮发电机转子1
汽轮发电机转子3
汽轮发电机转子4
水轮电机组装
水轮电机组装
本章要求：
掌握交流电机三相绕组构成原则。
能够绘制三相单层和三相双层短距分布绕组 展开图。
掌握基波磁场下双层、短距分布绕组相 电势计算。 掌握三相电机线、相电势关系。
p E 4.44Nk w f式中N qN (单层） y a 2p 或N qN y (双层） a 相电动势E 求出来以后， 则线电动势为E 3E l
例题：一台交流电机， 定子上有一根导体 A，离开坐标 原点的距离为 0＝－60 电角度，另一根导体 A距
0 0
导体A为180 电角度，如图所示。转 子磁极以同步 速度n （角速度为 1）旋转，在导体中感应 的基波 1
2 p v n 2f 60
所以导体电动势的有效值为： 其中：
E
Em 2

Bm lv 2

2 fBm l
可见导体中感应电势随时间变化的波形，决定 于气隙中磁密的分布波形。
e +j
ω Em 0 π 2π ωt 0
E
导体每经过一对主磁极 ，感应电势经历了一个 周期。 用f表示导体A中感应基波电动势的频 率，转子上有 p对 磁极，已知转子逆时针 方向的转速为 n r min , 则 pn f HZ 60 用f表示转子的电角速度 时 n 2p rad / s＝2f 60
定子三相绕组通入三 相交流电(星形联接)
iB I m sin t 120
iA
iC I m sin t 120
Im
A Z X Y
i i A
i B iC
t
iC C
iB
B
o
i i i i C A B Im
o
()电流入 Y
A
n0
Z
t
C来自百度文库
X B
规定 i : “+” i : “–” 首端流入，尾端流出。 尾端流入，首端流出。 (•)电流出
电势有效值为 5V，以图示瞬间作为时间 起点，求： （ 1 ）导体A及A中基波感应电势的顺势 值表达式； （2）用A及A组成线匝，写出线匝的 基波电势表达式；
（3）在向量图上表示两个 导体及线匝的基波电势 向量
A’ N
00
n1 S
60
0
A
6.2 交流电机的磁势
交流电机: 异步电机、同步电机（电动机、发电机）
第六章 交流电机电枢绕组 的电动势与磁动势
交流电机主要包括异步电机和同步电 机两大类；两类电机在结构上既具有 共同之处，又各有其自身特点。 共同之处在于定子铁心和绕组，不同 之处在于转子结构和绕组。 交流电机的共同问题包括： (1)三相交流绕组的结构； (2)三相交流绕组产生的磁势分析； (3)三相交流绕组产生的感应电势分析；
6.1.4短距线圈基波电动势
而对于y1<τ 的短距线圈，其线圈 y1 y 节距 ，其中 0 y 1
B
0 ⊙A N
X ⊙
2π
π S
α
n
0 E E E E 0 E X y y A X A
短距线圈基波电动势为 E y 2 E A sin y

2 4.44 fW y K y
Ø
本节首先研究在正弦分布磁场下定子绕组 中感应出的电动势，我们先看一根导体内 的电动势的大小，再看一个线圈内的,最后 得出一相绕组的感应电势
6.1.1 导体电动势
B
A
N
Bm
O α
n S 展开
Bδ ⊙
0 ⊙ ω α=ωt N
π
2π
α
S
空间电角度α：一对主磁极表面所 占的空间距离，用空间角度表示时， 定为3600 。 机械角度β：电机整个转子表面所 占空间几何角度3600 。 β ＝ α× 3600 。
求导体电势时，可以看 成转子不动而导体 以角速度朝相反方向旋转。我们 规定，导体 最初处于坐标原点的瞬 间，作为时间的起点， 即 t＝0。当时间经过了 t秒后，导体移到 处，这时
＝t，该处的气隙磁密为 B x Bm sin Bm sin t
于是导体切割气隙磁场时：
e Bx lv Bm lv sin t Em sin t 2E sin t
X N A n S 1500
+j
E X
E A
6.1.2整距线匝基波电动势
线圈一般由w匝构成，当w=1时，为单匝线 圈。 y1=τ 称为整距线圈。如图所示：由 于整距线匝两有效边感应电动势的瞬时值大 小相等而方向相反，故整距线匝的感应电动 势为：
+j
E X
E y
E A
E x
三相电流合成磁 场 的分布情况
Im
i iA
i B iC
t
o
600
A
n0
Y
60
Y
N
A Z
A Z C
Y
N
Z
C X
S
C B
S
X B
S
X
N
B
t 90 t 60 t 0 合成磁场方向向下 合成磁场旋转60°合成磁场旋转90°
分析可知：三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场 即：一个电流周期，旋转磁场在空间转过360° 2.旋转磁场的旋转方向 取决于三相电流的相序 i i 任意调换两根电源进线 i B iC A Im I m (电路如图) iA A 0 o