电机学课件25电机学-交流绕组的磁动势4

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电机学
Electric Machinery
4-21 试分析下列情况下是否会产生旋转磁动势，转向怎样？ （1）对称两相绕组内通以对称两相正序电流时（图4-26）； 三相绕组的一相（例如C相）断线时（图4-27）。
(1)
B
iB iA A
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电机学
Electric Machinery
解(1)
单相交流绕组产生脉振磁动势
三相交流电机定子绕组设计成分布及短距以后，
其优点主要是__(_1_) _： ⑴改善了电动势和磁动势 的波形； ⑵可以增加基波电动势和磁动势。
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电机学
Electric Machinery
当采用短距绕组希望同时削弱定子绕组中的五次和七次 谐波电动势，线圈节距应当为
_(3_)_⑴（4τ/5）； ⑵（6τ/7）τ； ⑶（5τ/6） ⑷τ
它们的平均值之比也满足这个关系，即：B5av 1 , B7av 1 B1av 25 B1av 49
且已知基波磁通量1 B1avl 0.74Wb
5次谐波磁通量 5
B5avl 5
1 25
B1avl 5
1 125
1
0.00592(Wb)
7次谐波磁通量 7
B7avl 7
1
49 B1avl 7
1 343
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电机学
Electric Machinery
一台50HZ的三相电机通以60 HZ的三相对称电流, 保持电流有效值不变，此时三相基波合成旋转磁 动势的幅值大小 不变 转速 变大 极数 不变 。
三相对称绕组极对数及有效匝数一定，当接三 相对称电源后产生的基波旋转磁动势幅值大小 由__三__相_电_流__的_大__小__决定， 其转向由 __三_相__电_流__的_相__序__决定， 其转速由 _三__相_电__流_的__频_率___决定。

一.求出每极每相槽数，要求三相电势对称，q应 相等
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单层绕组
单层——每槽中只放置一层元件边，元 件数等于槽数的一半，无需层间绝缘， 结构和嵌线较简单
单层绕组只适用于10kW以下的小型异步 电动机，其极对数通常是p＝l,2,3,4
单层绕组通常有链式、交叉式和同心式 等三种不同排列方式
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单层绕组
单层绕组：构造方法和步骤 •1、分极分相 •2、连线圈和线圈组 •3、连相绕组 •4、连三相绕组
交流电机的绕组、电势和磁势 （PPT 57页）
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汽轮发电机结构
300MW水氢冷发电机结构
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导体 交流绕组
同步发电机原理结构示意图（截面图） Nhomakorabea三相异步电机结构图
第七章 交流电机的绕组
交流绕组的基本概念
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单层绕组：构造方法和步骤
• 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。 将每个极的槽数按三相均匀分开。三相在空间错开
120电角度。 • 2、连线圈和线圈组：
将一对极域内属于同一相的某两个圈边连成一个线圈 （共有q个线圈，为什么？）
将一对极域内属于同一相的q个线圈连成一个线圈组 （共有多少个线圈组？）
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60°相带绕组
把每对极所对应的定子槽等分为六个等分。依 次称为a、c'、b、a'、c、b'相带，各相绕组放 在各自的相带范围内
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每一相绕组都有首端，又有末端，以A相为例，则三相绕组A-X、 B-Y、C-Z、在空间上分布为A-Z-B-X-C-Y共有六部分，即总的 绕组应分为六部分，分属AZBXCY，每一部分在每极下占有的 电角度称为相带，一般用600相带

第四章 交流绕组理论
第四章 交流绕组及其电动势和磁动势
主要内容：交流绕组的构成，绕组连接规律及电动势和磁动势。
交流电机
同步电机：主要作为发电机，也可作为电动机和补偿机。
感应电机：主要作为电动机，有时也作发电机。
同步电机和异步电机虽然激磁方式和运行特性有很大差别，但电机定子 中发生的电磁现象和机电能转换的原理却基本上是相同的，因此存在许 多共性问题，可统一进行研究。本章就是研究交流电机的绕组、电动势 、磁动势问题。这些问题对于分别研究异步电机和同步电机的运行性能 有着重要意义。
3
第四章 交流绕组理论
4.1 交流绕组的构成原则和分类
一、构成原则
(1)合成电动势和合成磁动势的波形要接近于正 弦形、幅值要大； (2)对三相绕组，各相的电动势和磁动势要对称， 电阻、电抗要平衡； (3)绕组的铜耗要小，用铜量要小； (4)绝缘要可靠，机械强度、散热条件要好， 制造要方便。
第四章 交流绕组理论
第四章 交流绕组理论
第四章 交流绕组理论
第四章 交流绕组理论
六、基波电动势与磁通链间的相位关系
第四章 交流绕组理论
4.5 感应电动势中的高次谐波
本节讨论主极磁场非正弦分布时所引起的谐波电动势。
以上我们假定主极磁场在气隙内为正弦分布，实际上 ，主极磁场并非完全按正弦规律分布，此时将磁场波 进行谐波分析，可得基波和一系列高次谐波，相应的 交流绕组中感应电动势除基波外还有一系列高次谐波 电动势。本节讨论非正弦磁场分布所引起的谐波电动 势及其削弱的方法。
二、交流绕组的分类
按相数分
单相 三相
按每极每相槽数分
整数槽 分数槽
按槽内层数分
单层 双层
同心式 交叉式 链式

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用傅里叶级数分解矩形波磁动势
A f
.
A
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5次谐波
1 2
ic
N
c
1 2
iN
k
4
1 2
ic Nc
转子
0
X
3 . 3A a
22
2 定2子
3次谐波
第10页/共56页
fc ()
Fcv cos v
v1,3,5...
若线圈中的电流为恒定电流，则矩形波的高度恒定不变。
而在交流绕组中通入的是交变电流即 ic 2Ic cost
第37页/共56页
三相合成磁动势中的高次谐波
f
0.9 1
Nkw p
I
cost cos
F
cost cos
f A
0.9 1
Nkw p
I
cost cos
fB
0.9 1
Nkw p
I
cos(t 120
) cos (
120
)
fC
0.9 1
Nkw p
I
cos(t 240
) cos (
0.9
Nkw1 p
I
cos t
cos
每相串联总匝数为： N qNC P（单层）
a
N 2qNC P（双层）
a
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4-6正弦电流下单相绕组的磁动势
fvm
(0.9
N p
I
1 v
kqv k yv
cost) cos v
(0.9
N p
I
1 v
kwv
cost) cos v
Fv
cos v
单相绕组 次谐波磁动势的瞬时值为

一、整距线圈的磁动势 1. 磁动势分布图 若线圈中电流按余弦规律变化，即 ic = 2 I c cos ωt ，则线圈磁 动势为：
1 f c (α , t ) = ± 2 I c N c cos ωt = Fcm (α ) cos ωt 2
式中：
2 π π Fcm (α ) = I c N c = Fcm − ≤ α ≤ 2 2 2 2 3π π Fcm (α ) = − I c N c = − Fcm ≤ α ≤ 2 2 2
π
定子
A
0
X
α
2
ω t轴
转子
120°
fc
2π ωt = 3
ω
定子
A
0
1 -—Fcm 2
X
α
t轴
转子 定子 A 0
fc
ωt =π
. Ic
X -F cm
α
§9-2 一相绕组的磁动势
一、整距线圈的磁动势 1. 磁动势分布图
fc
ωt =
fc ω t轴 . Ic Fcm
A 0 X
π
2
ω
t轴
转子
90°
定子
A
0
§9-2 一相绕组的磁动势
一、整距线圈的磁动势 1. 磁动势分布图 图9－2画出了当时间 ωt = 0、π / 3、π / 2、2π / 3、 等几个瞬 π 间线圈磁动势的变化情况。从图可以看出，在不同时间里，线 圈磁动势 f c (α , t ) 在气隙空间的分布都呈矩形波，但其幅值在 时间上却按余弦规律变化，这种空间位置固定、幅值随时间变 化的波在物理学中称为驻波，或称脉振波，故这种磁动势可称 为脉振磁动势。
§9-2 一相绕组的磁动势

磁观点来看，若电动机的极对数为p，则每经过一对磁极，
磁场就变化一周，相当于360°电角度。因此，电动机圆周按 电角度计算为p×360°，即
电角度＝p×机械角度
（4.1.1）
第4章 交流电机的定子绕组、 磁动势及感应电动势
2） 槽距角α
相邻两个槽之间的电角度称为槽距角α。 因为定子槽在定 子内圆上是均匀分布的，所以若定子槽数为Z1，电动机极对数 为p， 则
第4章 交流电机的定子绕组、 磁动势及感应电动势 图4.1.6 单层交叉式U相绕组展开图
第4章 交流电机的定子绕组、 磁动势及感应电动势 图4.1.7 三相单层交叉式绕组展开图
第4章 交流电机的定子绕组、 磁动势及感应电动势 3. 单层同心式绕组
同心式绕组由几个几何尺寸和节距不等的线圈连成同心形 状的线圈组所构成。
第4章 交流电机的定子绕组、 磁动势及感应电动势 图4.1.4 单层链式U相绕组展开图
第4章 交流电机的定子绕组、 磁动势及感应电动势
用同样的方法，可以得到另外两相绕组的连接规律。V、 W两相绕组的首端依次与U相首端相差120°和240°空间电角度。 图4.1.5为三相单层链式绕组的展开图。
链式绕组主要用于q＝2的4、6、8极小型三相异步电动机
V1
7,8,9 25,26,27
U2
10,11,12 28,29,30
W2
13,14,15 31,32,33
V2
16,17,18 34,35,36
第4章 交流电机的定子绕组、 磁动势及感应电动势
(3) 构成一相绕组，绘出展开图根据U相绕组所占槽数不同， 把U相所属的每个相带内的槽导体分成两部分2—10，3—11构 成两个节距y1＝8的大线圈；1—30构成一个y1＝7的小线圈。 同理，20—28，21—29构成两个大线圈，19—12构成一个小线 圈，形成两对极下依次出现两大一小的交叉布置。根据电动势 相加的原则，线圈之间的联接规律是：两个相邻的大线圈之间 应按“头—尾”相联，大、小线圈之间应按“尾—尾”、 “头—头”规律相联。展开图如图4.1.6。这种联接方式的绕组 称为交叉式绕组。

F C1
F B1
F A1
F1
+B
F A 1 F B 1 F C 1
+C
θ=120°
θ=120°
t 120
F A1
+B θ=120°
+A θ=0°
F B1
F A 1 F B 1 F C 1
F C1
F1
+C
θ=120°
t 240
2 圆形和椭圆形旋转磁动势
圆形旋转磁动势:对称的三相绕组中流过对称的三相电流时，气隙中的合成磁动势是一个 幅值恒定、转速恒定的旋转磁动势，其波幅的轨迹是一个圆，故这种磁动势称为圆形旋 转磁动势，相应的磁场称为圆形旋转磁场。
2 3
)
fC1
Fm1
cos(t
4 3
)
cos(
4 3
)
t /3
fA1 ( ) 0.5Fm1cos
π/3
fB1( ) 0.5Fm1cos( 120 )
fC1( ) Fm1cos( 240 )
1.1.2 矢量图法求合成磁动势基波 ωt=2π/3时，三相的基波合成磁动势
t 2 / 3 fA1( ) 0.5Fm1cos fB1( ) Fm1cos( 120 ) fC1( ) 0.5Fm1cos( 240 )
C相绕 组轴 线
B相绕 组轴 线
1.2三相绕组的基波合成磁动势性质 如何改变旋转磁动势的转向？ 改变电流的相序可以改变旋转磁动势的转向
1.2三相绕组的基波合成磁动势性质 三相绕组合成磁动势基波的特点： 性质：三相对称绕组通入三相对称电流产生的三相合成磁动势基波是一个波幅恒定不变的旋
转磁动势—圆形旋转磁动势
1.1.1 解析法求合成磁动势基波 三角公式积化和差：

sin t
Fm1 sin t
✓ I=aIc为相电流 有效值
✓ N为双层绕组 每相串联匝数
Fmφ1称为相绕组脉振磁动势的振幅，它表示相绕组脉振磁 动势幅值的最大值
Fm1
22 π
NkN1I p
0.9 NkN1I p
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将坐标原点取在相绕组轴线（即线圈组中心线）上，从而得 到相绕组磁动势基波的表达式为
A相通交流电流i后， 产生一个2极磁场。
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采用磁动势迭加原理 ，三个线圈分别产生 矩形波磁动势。磁动 势波形一样，依次位 移槽距电角α1度。
各线圈磁动势的基波 分量为空间分布正弦 波，和时间相量相似 ，可以用空间矢量来 表示。
磁动势空间矢量的长 度代表幅值的大小， 矢量的位置代表幅值 所处的空间位置。
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基波磁动势表达式
f y1(t, ) Fy1 cos 幅值 Fy1 0.9NcIc sin t
基波磁动势沿气隙圆周有p个完整的正弦波，极对数为p 例如Z=12，p=2的三相单层绕组。q=1，每相有2个整距线圈。
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4极电机单层绕组（q=1）的脉振磁动势
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2. 单层分布相绕组的磁动势
以 Z=18 ， p=1 的 三 相 单层绕组为例。每相 有 1 个 线 圈 组 ， q=3 ， 每个线圈组有3个整距 线 圈 。 A1X1 、 A2X2 、 A3X3 串 联 成 一 个 线 圈 组，构成A相绕组。
ky1为基波磁动势的短距系数，同电动势的短距系数具有相同 的物理意义。
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相绕组磁动势基波幅值
F1
2Fq1k y1
2
2
2 π
qN c k q1 I c
sin tky1
✓
kN1=ky1kq1 为 基 波磁动势绕组