电机学 教学课件 作者 曾成碧 赵莉华 ch6

第六章交流绕组及其电动势和磁动势交流电机分为同步电机和异步电机。按照转子结构形式的不同，同步电机又分为凸极式和隐极式两类；异步电机又分为鼠笼式和绕线式两类。同步电机和异步电机的转速、励磁方式及转子结构都不同，但是它们的定子结构、形状、在电机中发生的电能过程、机电能量转换的原理和条件相同，所以，本章一并讨论它们的绕组及其电动势和磁动势。交流电机的三相定子绕组是电机实现机电能量转换的主要部件，通过它电机产生一个极数、大小、波形均满足要求的磁场，同时在定子绕组中感应出频率、大小和波形及其对称性均满足要求的电动势。绕组的型式有各种各样，但其构成原则基本相同，主要从运行和设计制造两个方面考虑。交流绕组的构成原则为： 合成电动势和磁动势的波形接近正弦波，即要求电动势和磁动势中的谐波分量尽可能小； 在一定的导体数下，能得到较大的基波电动势和磁动势；3.三相绕组中，电动势和磁动势的基波对称，即三相大小相等，相位互差，且三相阻抗相等；4.绕组铜耗小，用铜量少；5.绝缘可靠，机械强度高，散热条件好，制造工艺简单，维护检修方便。第一节交流绕组的构成原则和分类交流绕组有多种分类方法，常用的有按照其相数、绕组层数、每极下每相槽数和绕法进行分类，分别可分为：（1）单相、两相、三相和多相绕组；（2）单层绕组和双层绕组，单层绕组又分为等元件式、交叉式和同心式绕组，双层绕组又分为迭绕组和波绕组；（3）整数槽绕组和分数槽绕组。单层绕组一般用于小型异步电动机定子，双层迭绕组一般用于汽轮发电机及大中型异步电动机定子，双层波绕组一般用于水轮发电机的定子及绕线式异步电动机转子中。第二节几个基本概念 、电角度和机械角度电角度和机械角度之间有关系：电角度＝机械角度二、极距极距是沿电机定子铁心内圆的相邻两个异性磁极之间的距离在电机设计和制造中，极距常用每个磁极下所占的定子槽数来表示图6－1极距、每极每相槽数和槽距角线圈是构成绕组的基本单元，绕组就是按一定规律排列和连接的线圈。线圈可以是单匝，也可以是多匝。每一个线圈有两直线边，分别放在铁心的两个槽中，称为线圈的有效边。线圈两有效边在定子圆周上的距离称为节距，用符号y表示，一般用槽数来计算。三、线圈及节距根据节距的大小，有：整距绕组，；短距绕组，；长距绕组，。为了使每个线圈能获得最大的电动势，节距一般应接近极距。长距绕组和短距绕组均能削弱高次谐波电动势或磁动势，但因为长距绕组的端接线较长，所以很少采用，短距绕组使用较多。四、槽距角相邻两个槽之间的电角度称为槽距角。槽距角五、每极每相槽数指每相绕组在每个磁极下平均占有的槽数，表示为：六、相带与极相组每一磁极下，每相绕组所占有的电角度称为绕组的相带，可表示为：第三节三相双层绕组现代10kW以上的三相交流电机，其定子绕组一般都采用双层绕组，双层绕组的每个槽内有上、下两个线圈边。同一个线圈的一条边在某一槽的上层，另一条边则在相距为y的另一槽的下层。整个绕组的线圈数与槽数相等。双层绕组的主要优点为： 在采用分布绕组的同时，选择最合适的节距，可改善电动势和磁动势波形； 所有线圈尺寸相同，便于制造； 端部形状排列整齐，有利于散热和增强机械强度。图6－3双层绕组图根据线圈的形状和连接规律，双层绕组可分为迭绕组和波绕组两类。图6－4为两类绕组的线圈示意图。(a)迭绕组(b)波绕组图6－4迭绕组和波绕组线圈一、迭绕组绕组嵌线时，相邻的两个串联线圈中，后一个线圈紧“迭”在前一个线圈上，这种绕组称为迭绕组。（a）A相展开图（b）三相展开图图6－5三相24槽双层短距迭绕组展开图优点：短距时端部可以节约部分用铜量。缺点是：一台电机的最后几个线圈嵌线比较困难，极间连线较长，在极数较多时很费铜。迭绕组一般为多匝，主要用于一般电压、额定电流不太大的中、小型同步电机和异步电机的定子绕组。二、波绕组对多极、支路导线截面较大的交流电机，为节约极间连线用铜，常常采用波绕组。波绕组的特点是，两个相连的单匝线圈成波浪形前进。和迭绕组比较，它们在线圈端部形状和线圈之间的连接顺序不同。波绕组的连接规律是：把所有同一极性下（如N极）属于同一相的线圈按波浪形依次串联起来，组成一组；再把所有另一极性（如S极）下属于同一相的线圈按波浪形依次串联起来，组成另一组；最后把这两大组线圈根据需要串联或并联，构成一相绕组。图6－6三相24槽双层波绕组展开图波绕组的优点：可减少线圈之间的连接线，通常水轮发电机的定子绕组及绕线式异步电动机的转子绕组采用波绕组。第四节正弦磁场时交流绕组的感应电动势任一交流电动势都可以用波形、频率和有效值三个要素来表征，而交流电机中，这三要素取决于气隙中的磁通密度、绕组的有效长度、导体与磁场的相对运动并切割磁力线的速度，这三者的大小和磁通密度在空间的分布情况。一、线圈电动势和短距系数图6－7定子线圈中交链气隙磁通的变化t=0时，在定子线圈中交链的转子磁通有最大值，此时每极磁通为：—每极磁通密度的平均值；—线圈有效边的长度；—极距。对任意时刻t，定子线圈中所交链的磁通为：一个单匝整距线圈中感应电动势为：感应电动势有效值为：匝整距线圈电动势有效值为：短距线圈的电动势有效值为：短距线圈的电动势较整距线圈减小了，将短距线圈电动势与该线圈为整距时的电动势之比称为基波短距系数，为：短距线圈电动势有效值为：匝短距线圈电动势有效值为：二、线圈组的电动势和分布系数交流绕组一般为分布绕组，各个线圈放在不同的槽内，各线圈的轴线在空间不重合，因此每个线圈的感应电动势在时间相位上不同。由于每个线圈组（极相组）都由相距为电角度的q个线圈串联而成，在一个极相组中，相邻线圈电动势的相位差即为槽距角，所以线圈组的电动势为q个线圈电动势的相量和。这种分布线圈的合成电动势与集中线圈的合成电动势相比有所减小，电动势减小的程度用分布系数来表示，定义为：分布系数表示由于线圈的分布所引起的电动势的折扣。q个分布线圈的合成电动势大小可表示为：一个线圈的电动势大小为：根据分布系数的定义，可得：线圈组的基波电动势为：称为绕组系数，绕组系数是分布系数和短距系数的乘积，它表示交流绕组既考虑短距又考虑分布影响时，线圈组电动势应打的折扣。三、绕组的基波电动势和线电动势设每条串联支路的线圈匝数为N，则一相绕组基波电动势为：式中，N为每相绕组一条支路串联线圈的总匝数。在电机设计和制造时，为了减小谐波电动势，可从以下几方面着手： 合理设计气隙磁场，使其尽可能接近正弦分布； 适当地选择分布和短距绕组来减小电动势中的谐波； 将三相绕组接成Y形接法，可消除线电动势中的3次和3的倍数次谐波。第五节正弦电流时交流绕组的磁动势当交流绕组中有电流流过时，就会产生磁动势。在异步电机中，由于定子磁动势的作用，产生了电机的主磁场；在同步电机中，定子磁动势对主极磁场的影响称为电枢反应。无论是主磁场还是电枢反应，都对电机的能量转换和运行性能有很大影响。所以，研究交流绕组磁动势的性质、大小和分布情况都是十分必要的。 单相绕组的磁动势—脉振磁动势 整距线圈的磁动势对于空间按矩形波分布的脉振磁动势，可按傅立叶级数分解为基波和一系列奇次谐波的磁动势，即：每线圈组由q个线圈串联，各线圈在空间依次相距电角度，q个线圈就产生q个空间依次相距电角度的矩形波磁动势，把每个磁动势进行矢量相加，得到线圈组的合成磁动势。显然，合成磁动势是各线圈磁动势的矢量和，这一关系也是由于线圈的分布所引起，与求线圈组的电动势一样，求合成磁动势时也可以沿用求线圈组电动势已定义过的绕组分布系数，有：2整距线圈组的磁动势故线圈组的磁动势幅值为：个线圈磁动势的代数和3短距线圈组的磁动势与前面电动势的计算类似，计算短距线圈组的磁动势只需引入短距系数，其磁动势为整距线圈磁动势乘以短距系数，短距系数为：双层短距分布线圈组的基波磁动势幅值为：为绕组系数，而,和的计算公式和物理意义与计算电动势时相同。短距线圈组的磁动势表达式可表示为：以上讨论的是一对磁极下A相两线圈组合成磁动势的情况，事实上这个合成磁动势也是一相绕组的合成磁动势。因为一相绕组的磁动势，并不是组成每相绕组的所有线圈组产生的磁动势的合成，而是指该相绕组在一对磁极下的线圈组所产生的合成磁动势。因为一对磁极下的线圈组所产生的磁动势和磁阻构成一条分支磁路，电机若有P对磁极就有P条并联的对称分支磁路，所以相绕组的磁动势就是线圈组的磁动势。单相绕组基波磁动势的最大幅值为：根据上面分析，可得到如下结论： 交流单相绕组的基波磁动势为脉振磁动势，它在空间按正弦规律分布，而各点磁动势的大小又随时间按正弦规律变化，磁动势波的轴线固定不动。磁动势的脉振频率取决于线圈中电流的频率。 脉振磁动势的最大幅值为，幅值位置在相绕组轴线上（也就是在构成一对极下的每相线圈组中心线上）。 单相脉振基波磁动势即是一对极下一相线圈组的磁动势。二．三相旋转磁动势1.三相绕组的基波合成磁动势设对称情况下三相绕组各相电流的瞬时值为：由于各相电流的有效值相等，所以各相脉振磁动势的基波最大幅值也相同，于是各相基波脉振磁动势的表达式为：利用三角函数的知识分解得：三式相加，等式右边后三相表示的三个余弦波在空间相位上互差电角度，所以三项和为零，则三相基波合成磁动势为：，为三相基波合成磁动势的幅值。3.转速磁动势波的旋转速度可由波上任一点的移动速度来确定。令，即，则转速，若以每分钟转数表示，则称为同步转速，，即基波合成磁动势的转速。当对称的三相电流流过对称的三相绕组时，其基波合成磁动势为一个旋转磁动势。该磁动势具有以下性质： 极数基波旋转磁动势的波长与单相相同，即极数相同。2.幅值基波合成磁动势的幅值为每相基波脉振磁动势幅值的倍，且保持常数。 幅值的位置当某相电流达到最大值时，合成磁动势波的幅值正好处于该相绕组的轴线上。 旋转方向合成磁动势的转向与电流相序有关，即从超前电流的相绕组轴线转向滞后电流的相绕组轴线。如电流相序为A-B-C，则基波合成磁动势的幅值由A相转向B相，再转向C相。可见，只要改变通入电流的相序，即只要把三相出线端任意两个对调一下，则基波合成旋转磁动势的转向就改变了。