《电机学》 第二篇 交流电机的共同理论 第六章交流电机绕组及其感应电动势第七章交流绕组的磁 动势交流电机的绕组及其磁势 序第一节交流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动势第四节谐波电动势及其削 弱方法序 交流电机: *异步电机 *同步电机 同步与异步 旋转磁场:定子三相定子绕组流过三相电流,形成旋转磁场(后面将详细讨 论 电机实际转速n=同步转速no:同步电机 电机实际转速n≠同步转速n:异步电机 第一节工作原理、分类、结构 先讲结构 后讲原理 基本结构 ·定子与转子两大部分 1定子 固定不动的部分 铁芯、绕组、机坐 A (1)定子铁芯 希望较强的磁场 导磁好、损耗小 硅钢片 内表面开槽:放绕组
《电机学》 第二篇 交流电机的共同理论 第六章 交流电机绕组及其感应电动势第七章 交流绕组的磁 动势交流电机的绕组及其磁势 序第一节 交流电机的基本作用原理第二节 交流绕组 第三节 绕组的感应电动势第四节 谐波电动势及其削 弱方法序 • 交流电机： * 异步电机 * 同步电机 • 同步与异步 * 旋转磁场：定子三相定子绕组流过三相电流，形成旋转磁场（后面将详细讨 论）。 * 电机实际转速n＝ 同步转速n0： 同步电机 * 电机实际转速n≠ 同步转速n0： 异步电机 第一节 工作原理、分类、结构 • 先讲结构 * 后讲原理 一、基本结构 • 定子与转子两大部分 • 1 定子 • 固定不动的部分 • 铁芯、绕组、机坐 • (1) 定子铁芯 * 希望较强的磁场 * 导磁好、损耗小 * 硅钢片 * 内表面开槽：放绕组
(2)定子绕组 线圈 按一定规律放 单层绕组、双层绕组 (3)机座 PIGLRE T-l The adair ul a oman 可闻w(m可轴gl加) 2转子 同步机与异步机转子不一样 铁芯 *外表面开槽 绕组 、同步电机 定子绕组:对称三相绕组 ·转子:励磁绕组 原理:励磁绕组=>通往直流电=>外力合转子旋转=>转子旋转磁 场=>穿过气隙=>切割定子绕组=>三相感应电势=>当接负载 >电流=>电能输出
• (2) 定子绕组 • 线圈 • 按一定规律放 • 单层绕组、双层绕组 • (3) 机座 • • 2.转子 • 同步机与异步机转子不一样 • 铁芯 * 外表面开槽 • 绕组 二、同步电机 • 定子绕组：对称三相绕组 • 转子：励磁绕组 • 原理：励磁绕组＝＞通往直流电＝＞外力合转子旋转＝＞转子旋转磁 场＝＞穿过气隙＝＞切割定子绕组＝＞三相感应电势＝＞当接负载 ＝＞电流＝＞电能输出
图61三相同步电机模型(p=1) a)构示意图;(b)电动势波形;(e}粗导图 ·异步电机原理在第九章讨论 ·直流电机原理在第十六章讨论 三、异步电机工作原理 放在第九章讨论较合适) 1.静止起动 三相电流=>三相绕组→旋转磁场B1 >B1切割转子导条(因为转子静止) →感应电势E2=>感应电流12(因为转子闭合) =>B1与12作用=>电磁转矩T →>当T>T0+①L时,转子从静止开始起动 ·其中:T0空载转矩 TL负载转矩 2.平衡·转动:n增加→>转差减小 切割”速度下降=>E2 I2↓=T↓=> 当T=T0+L时,转子匀速转动 3.干扰 ·若TL↑→T0+TL>T时,失去平衡=> 转速n↓→转差↑→>“切割”速度↑→E2↑→12↑→T↑=>直到 T=T0+TL,自动重新平衡 第二节交流绕组 作用: 通入电流→磁场(电动机) *磁场与定子绕组切割→电势→电流(发电机) 分类(类型)
• 异步电机原理在第九章讨论 • 直流电机原理在第十六章讨论 三、异步电机工作原理 （放在第九章讨论较合适） 1. 静止起动 •三相电流=>三相绕组=>旋转磁场 B1 =>B1 切割转子导条（因为转子静止） =>感应电势 E2 =>感应电流 I2（因为转子闭合） =>B1 与 I2 作用=>电磁转矩 T =>当 T＞T0＋TL 时，转子从静止开始起动 •其中：T0 空载转矩 • TL 负载转矩 2. 平衡•转动：n 增加=>转差减小： “切割”速度下降=>E2 ↓ =>I2 ↓ =>T ↓ => 当 T＝T0＋TL 时，转子匀速转动 •3. 干扰： •若 TL↑ => T0＋TL＞T 时，失去平衡=> •转速 n ↓ =>转差↑ => “切割”速度↑=>E2 ↑ =>I2 ↑ =>T ↑ =>直到 T＝T0＋TL，自动重新平衡 •法： 第二节 交流绕组 作用： * 通入电流→磁场（电动机） * 磁场与定子绕组切割→电势→电流（发电机） • 分类（类型）
相数:单相、三相 层数: ↑单层:同心式、交叉式、链式 ↑双层:叠绕组、波绕组 宽度:整距、短距 分布性:分布绕组、集中绕组 交流绕组的基本述语 ·电角度与机械角度 *机械角度:电机圆周在几何上分成360° *电角度电势变化一个周期(360电角度) 关系 ·相带:每极面下每相绕组所占范围(60度) 每极每相槽数:q=g 槽距角:相邻两槽之间的角度a=2360 旦1 极距:相邻两磁极对应位置两点之间圆周距离,定子内表面弧长(槽 数) Q 2 ·节距(跨距):线圈宽度y *y=x称为整距,x称为长距 相带与电势星形图 (Z=24,p=2,a=30 a 60相带的划分(P=2) 槽导体电动势星形图 交流绕组基本要求 1三相基波电动势和磁动势要对称. 2力求获得较大的基波电动势和磁动势尽量减小或消除谐波分量 ·3提高导线的利用率提高制造的工艺性 绕组展开图
* 相数：单相、三相 * 层数： † 单层：同心式、交叉式、链式 † 双层 ：叠绕组、波绕组 * 宽度：整距、短距 * 分布性：分布 绕组、集中绕组 交流绕组的基本述语 • 电角度与机械角度 * 机械角度:电机圆周在几何上分成360° * 电角度:电势变化一个周期(360电角度) * 关系: e = m • 相带 ：每极面下每相绕组所占范围（60 度） • 每极每相槽数 ： pm Q q 2 1 = • 槽距角 ：相邻两槽之间的角度 1 360 Q p = • 极距 ：相邻两磁极对应位置两点之间圆周距离, 定子内表面弧长（槽 数）： p Q 2 1 = • 节距 （跨距）：线圈宽度 y * y = 称为整 距， y 称为短距， y 称为长 距 相带与电势星形图 交流绕组基本要求: • 1 三相基波电动势和磁动势要对称. • 2 力求获得较大的基波电动势和磁动势,尽量减小或消除谐波分量. • 3 提高导线的利用率,提高制造的工艺性. 绕组展开图
表示定子绕组的联结关系 主要两种:单层、双层 画法 计算极距 每极每相槽数 计算相带数、分相带 ↑相带数=总槽数/或=极数*3即:6p 构成线圈 构成线圈组(极相组) 构成相绕组:反相串联 ↑(不同极面下线圈组的电流方向相反) 三相单层绕组(了解) ·每槽只有一个线圈边结构和嵌线较简单,适用于10kv以下的小型交流 电机 分类: 链式绕组 交叉式绕组 同心式绕组: 例:Q1=24,2p=4 1234567891q12141d11819d12423 z a y
• 表示定子绕组的联结关系 • 主要两种：单层、双层 • 画法： * 计算极距 * 每极每相槽数 * 计算相带数、分相带 † 相带数= 总槽数/q 或 = 极数*3 即：6p * 构成线圈 * 构成线圈组（极相组） * 构成相绕组：反相串联 † （不同极面下线圈组的电流方向相反） 三相单层绕组（了解） • 每槽只有一个线圈边,结构和嵌线较简单,适用于10kv以下的小型交流 电机. • 分类： * 链式绕组： * 交叉式绕组： * 同心式绕组： * 例：Q1=24，2p=4
认813Ⅲ1914八20 5161217231B124 1621 三相单层等元件绕组的原理(p2) 线图连接顺序 三相双层绕组 每绕组两有效边 每槽有上下两个线圈边(属于不同的线圈) 整距、短距绕组 例:Q 6=244=6 q=24/(2mp)24/(2*3*2)2 12个相带 A-Z-B-X-C-Y-A-Z-B-X-C-Y 三相双层绕组(短距) l41 并联支路数
三相双层绕组 • 每绕组两有效边 • 每槽有上下两个线圈边（属于不同的线圈） • 整距、短距绕组 • 例：Q1=24，2p=4 • ô =24/4=6 • q=24/(2mp)=24/(2*3*2)=2 • 12个相带 • A-Z-B-X-C-Y-A-Z-B-X-C-Y 并联支路数
是B1xx 图6-10并联支路(以a相为例) 条件不改变和极相组内的电流方向 关于绕组一些概念复习 根导体(一匝线圈的一个有效边) 匝线圈 个线圈 个极相组(一个线圈组) 相绕组(一相绕组) 电机绕组(三相绕组) 并联支路数 每相串联匝数 极数 极相组数(每相) 例:某交流电机定子绕组,Q1=24,2p=4y=5/6T,a=2,N=10,m=3 求 匝线圈有几个有效边 相线圈有几匝 个极相组有几个线圈,几匝线圈 相有几个极相组,几个线圈,几匝线圈 并联支路数 ·每相串联匝数 个电机有几相、几个极相组、几个相绕组 第三节、三相定子绕组的电动势
•条件:不改变和极相组内的电流方向 关于绕组一些概念复习 • 一根导体（一匝线圈的一个有效边） • 一匝线圈 • 一个线圈 • 一个极相组（一个线圈组） • 相绕组（一相绕组） • 电机绕组（三相绕组） • 并联支路数 • 每相串联匝数 • 极数 • 极相组数（每相） • 例：某交流电机定子绕组，Q1=24,2p=4,y=5/6τ，a=2,Ny=10，m=3 • 求： • 一匝线圈有几个有效边 • 一相线圈有几匝； • 一个极相组有几个线圈，几匝线圈 • 一相有几个极相组，几个线圈，几匝线圈 • 并联支路数 • 每相串联匝数 • 一个电机有几相、几个极相组、几个相绕组 第三节、三相定子绕组的电动势
(以三相同步电机为例 整距绕组的电动势 ·旋转磁场每极磁通 P=p 定地组然以电机(为例 ey(sr)=N,op, sin ot 线圈匝数 ·有效值: 1 E,=)=5NOd=44N 比较:与变压器相同形式 区别:磁通大小变化与相对运动‘切割 2、短距绕组的电动势 短距=>线圈两边切割B产生的E不是正好差180度=>合成时,乘 系数 ·或:短距=>线圈中交链的磁通减少=>电势减少 E=1Nkm=441 ·短距系数 K B =cos=sn290° *短距系数相当于:短距线圈时的感应电动势与整距时的感应电动势相比需 打的折扣 3、线圈组的电动势 分布绕组 各个线圈的感应电动势的大小、波形均相同,只是在时间上依次相差 a电角度:相位不同 线圈组的总电动势为q个线圈电动势的和(相量和) En=En∠0°+E∠a+…+En(q-l)a
（以三相同步电机为例） 1、整距绕组的电动势 • 旋转磁场每极磁通 cost =1 • 切割定子绕组（以发电机为例） • 形成感应电动势（电势）(Ec 或 Ey) ( ) e N t y y= = y 1 sin * Ny —— 线圈匝数 • 有效值： ( ) 1 44 1 1 4. 2 1 Ey y= = Ny = f Ny • 比较：与变压器相同形式 • 区别：磁通大小变化与相对运动“切割” 2、短距绕组的电动势 • 短距＝＞线圈两边切割B产生的E不是正好差180度＝＞合成时，乘一 系数 • 或：短距＝＞线圈中交链的磁通减少＝＞电势减少。 ( ) 1 1 44 1 1 1 4. 2 1 Ey y = Ny ky = f Ny ky • 短距系数 = = sin 90 2 cos 1 1 y Ky * 短距系数相当于：短距线圈时的感应电动势 与整距时的感应电动势 相比需 打的折扣。 3、线圈组的电动势 • 分布绕组 • 各个线圈的感应电动势的大小、波形均相同，只是在时间上依次相差 电角度：相位不同。 • 线圈组的总电动势为q个线圈电动势的和（相量和） E q1 = E y10+ E y1 ++ E y1(q −1) • 则：
eal gae E 444fN,knE,nΦ1=444fN,k① 分布系数 相电势 (1)并联支路数与每相串联匝数 *2p个极 (双层绕组)每相有 2p个线圈组,每个线圈组有q个线圈 2pq个线圈,每个线圈有Ny匝线圈 2pqNy匝线圈 2p个线圈组可串联、并联(视需要) 串联支路数:a 每相串联匝数:N=2py 单层绕组:N=p (2)相电势 双层绕组 P P =444 pg knΦ1=444Nkn①1 当k=时→为变压器感应电动势有效值计算公式 P100例 谐波电动势 电机的磁场并不完全为正弦分布(空间) ·付氏分解:基波与各次谐波 相电动势中"次谐波电动势有效值: Eapn=444f,Mk①
1( ) 1 1( ) 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 = = 4.44 = 4.44 = q y q y y y q y y w q q y E qk E f N k E f N k E qk E • 分布系数： 2 sin 2 sin 1 1 1 a q qa qE E K c q q = = 4 .相电势 (1)并联支路数与每相串联匝数 * 2p个极 • (双层绕组)每相有 * 2p 个线圈组，每个线圈组有 q 个线圈 * 2pq 个线圈，每个线圈有Ny 匝 线圈 * 2pqNy 匝线圈 • 2p 个线圈组可串联、并联（视需要） • 串联支路数：a • 每相串联匝数： a pqN N 2 y = • 单层 绕组： a pqN N y = (2) 相电势 • 双层绕组 1 1( ) 44 1 1 1 4. 2 2 1 = q y = f qNy kw a p E a p E 1 1 1 44 1 1 1 4. 2 = 4.44 w = w q k f Nk a pqN f 当kw1 =1时为变压器感应电动势有效值计算公式 • P100例 谐波电动势 •电机的磁场并不完全为正弦分布（空间） •付氏分解：基波与各次谐波 •相电动势中 v 次谐波电动势有效值： v v Nkwv v E = 4.44 f
对应的谐波绕组系数为 K=KK B COS v gsn 5、线电势 由三角形、星形接法决定(基波) ·注意:线电势中不含3次谐波电势(因同相位) E1=√3√E+E2+E27+E21+… 第四节谐波电势的减小 ·1.波形畸变率: U2+U2+U4+… ·2.谐波电势的减小 气隙磁场接近正弦波 短距绕组 分布绕组 *Y连接(线电势中不含有3K次谐波) 采用短距、分布绕组的目的 交流绕组采用短距和分布的结构,可削弱每相电动势中的谐波分量, 使电动势波得到改善 虽短距系数、分布系数均不大于1,使基波电势减小 因为对谐波来说:对应的更小,所以具有明显的抑制作用。 例:E1=100,E3=30Es=20,E7=10 则谐波系数为 k=√E+E2+E2 302+202+102 100%= =374%
对应的谐波绕组系数为： Kwv = KyvKqv 2 cos k v yv = 2 sin sin v q qv kqv = 5、线电势 • 由三角形、星形接法决定（基波） • 注意：线电势中不含3k次谐波电势（因同相位） El = 3 E 2 1 + E 2 5 + E 2 7 + E 2 11 + 第四节 谐波电势的减小 • 1. 波形畸变率： 1 2 2 4 2 3 2 2 U U U U U K N u + + + = • 2. 谐波电势的减小 * 气隙磁场接近正弦波 * 短距绕组 * 分布绕组 * Y 连接（线电势中不含有3K 次谐波） 采用短距、分布绕组的目的 • 交流绕组采用短距和分布的结构，可削弱每相电动势中的谐波分量， 使电动势波得到改善。 * 虽短距系数、分布系数均不大于1 ，使基波电势减小 * 因为对谐波来说：对应的更小，所以具有明显的抑制作用。 • 例：E1＝100,E3=30,E5=20,E7=10 • 则谐波系数为 37.4% 100 30 20 10 100% 2 2 2 1 2 7 2 5 2 3 = + + = + + = E E E E k