交流电机的绕组和电动势

1. 交流电机的绕组和电动势 • 交流绕组的定义 感应交流电的绕组叫交流绕组 同步电机电枢绕组和异步电机定子、转子绕组结构相同，因此统称为“交流电机绕组”，简称为交流绕组。 §8-1 交流绕组的基本概念

2. 交流电机的绕组和电动势 • 对交流绕组的要求 1）良好的导电性能； 2）一定导体数下，获得较大的基波电动势和基波磁动势； 3）在三相绕组中，对基波而言，三相电动势必须对称，即三相的幅值相等而相位互差120度电角度，并且三相的阻抗也要求相等； 4）电动势和磁动势波形力求接近正弦波，为此要求电动势和磁动势中的谐波分量尽量小； 5）用铜量少，绝缘性能和机械强度可靠，散热条件好； 6）制造工艺简单，检修方便。 §8-1 交流绕组的基本概念

3. 交流电机的绕组和电动势 • 关于交流绕组的基本概念 实用的交流绕组是分布地嵌在定子槽内的许多线圈组成，一个线圈有Nc匝，每匝有两根导体,线圈的直线部分放在槽里，因它切割气隙磁场产生感应电动势，故称有效边，露在槽外的前后端连接线，称为端部，它不切割气隙磁场，仅起连接有效边的作用，如图8一l所示。 §8-1 交流绕组的基本概念 图8-1 线圈

4. 交流电机的绕组和电动势 • 关于交流绕组的基本概念 1）电角度 因磁场每转过一对磁极时，导体的基波电动势变化一个周期，在电路理论中，定义一个期为360度时间电角度或2π 电弧度，所以把一对极所张的空间角度称为360 度空间电角度或空间电弧度，若电机有P对极，则整个定子内圆有p×360·电角度，而在几何学中把一个圆周的空间角度称为360 度机械角度，所以电角度αel和机械角度αmac的关系应为 §8-1 交流绕组的基本概念

5. 交流电机的绕组和电动势 • 关于交流绕组的基本概念 2）每极每相槽数q 　三相电机中，为了保持电气上的对称，每相绕组所占的槽数应该相等，并且均匀分布，因此，要形成2p个极的电机，应将定子总槽数Z分为2p个等分，每极下的槽数为z／2p，每极下的槽数再按m相分，(一般m=3)，所以每极每相槽数为 §8-1 交流绕组的基本概念 集中绕组：q=1 分布绕组：q>1 整数槽绕组：q＝整数 分数槽绕组：q＝分数

6. 交流电机的绕组和电动势 • 关于交流绕组的基本概念 3）槽间角α1 相邻两槽相隔的空间电角度称为槽间角，用α1表示。当总槽数为Z，极对数为p时，槽间角为 §8-1 交流绕组的基本概念

7. 交流电机的绕组和电动势 • 关于交流绕组的基本概念 4）相带 每极下一相绕组所占的宽度称为相带，相带用电角度表示。由于每极每相所占的槽数为q，而槽问角为α1，对于三相绕组，一个相带所占的电角度为 (a) §8-1 交流绕组的基本概念 称为60度相带绕组。 (b) 图8-2 60度相带的划分

8. 交流电机的绕组和电动势 • 关于交流绕组的基本概念 一对极下有六个相带，为了获得三相对称电动势，各绕组在空间相隔120 度电角度，因此六个相带可依次命名为A、Z、B、X、C、Y，图8-2(a)为一对极电机的相带排列情况。图(b)为两对极电机的情况。图中A与X，B与Y，C与Z相带的导体,处于不同极性的磁极下,相隔180度电角度，故电动势方向相反。 (a) §8-1 交流绕组的基本概念 (b) 图8-2 60度相带的划分

9. 交流电机的绕组和电动势 • 关于交流绕组的基本概念 5）极距τ 沿电枢表面相邻两个磁极轴线之间的距离称为极距，极距有三种表示法： 1）用电枢圆周长表示，单位为米或厘米； 2）用电枢槽数表示，单位为槽/极； 3）用空间电角度表示； §8-1 交流绕组的基本概念 图8-3 线圈的节距

10. 交流电机的绕组和电动势 6）节距y 一个线圈两有效边之间的距离称为节距，一般用槽数表示。 如图8-3所示线圈，若它的一个边放在第1槽，另一个边放在第10个槽，则节距y＝9，为了使线圈电动势最大或接近最大，线圈的节距应等于或近于极距。 整距绕组：y＝ τ 短距绕组： y< τ 长距绕组： y> τ，端接较长，较少采用。 §8-1 交流绕组的基本概念 图8-3 线圈的节距

11. 交流电机的绕组和电动势 • 单层绕组的特点 　　单层绕组的每个槽内只有一个线圈边，因此，每一线圈需占用两个槽，整个绕组的线圈数等于总槽效的一半。 　　由于每槽内仅放置一个线圈边，不需要层间绝缘，这就提高了槽的利用率，同时也没有层闻绝缘击穿的问题，增加了电机工作的可靠性，此外单层绕组嵌线也比较方便， 　　但由于节距受到一定的限制，不能利用它来改善电动势和磁动势波形，因此单层绕组一般用在lOkW以下的异步电动机中。 §8-2 三相单层绕组

12. 三相单层集中整距绕组 §8-2 三相单层绕组 三相绕组是由三个单相绕组组成的，为了使三相绕组感应的电动势幅值相等，相位互差120度电角度，要求三个相绕组的匝数必须相等，而且每相绕组的轴线应彼此互差120 度空间电角度，例如一台p=1的电机，电枢槽数Z=6，则每极每相槽数q=Z/2pm=6/2×3＝1(集中绕组)，取节距y=Z/2p=3(整距),若连成单层绕组，其绕组排列如图所示。

13. 交流电机的绕组和电动势 • 三相单层集中整距绕组 为了表示各线圈的位置和连接，通常采用所谓绕组展开图，它是把定子沿轴向剖开，然后把它展开，每一槽用一直线表示，槽上编以号码，按照节距连成线圈，如图8 4(b)所示，这就是最简单的三相单层集中整距绕组展开图。 §8-2 三相单层绕组 (b) 图8-4 三相单层集中整距绕组

14. 交流电机的绕组和电动势 • 三相单层集中整距绕组 按照需要，三相绕组可以连成星形或三角形，图8-4(b)为星形联结；若接成三角形，则按A－Z、B－X、C－Y或A－Y、B－Z、C－X连接．然后由A、B、C引出。 §8-2 三相单层绕组 (b) 图8-4 三相单层集中整距绕组

15. 三相单层集中整距绕组 槽电势星形图：连成的绕组能否得到三相对称电动势呢？可以作三相绕组电动势相量的方法来说明。因槽间角 电角度，若规定导体电动势穿进纸面为正，则图8- 4(a)所示瞬间1槽导体电动势为正的最大，当转子转过 角后，2槽导体电动势才最大，因此2槽导体电动势落后于l槽导体电动势60度电角度，这样依次作出相差电角度的所有槽导体基波电动势相量，所得的相量图称为槽电动势星形图。 §8-2 三相单层绕组 (a) 图8-5 三相单层集中整距绕组

16. 三相单层集中整距绕组 槽电势星形图： 1槽导体与4槽导体串联组成的整距线圈构成A相绕组，由于1槽导体与4槽导体处于不同的极性下，因此A相电动势应为1槽导体电动势与4槽导体电动势的相量差。同理，B相电动势应为3槽导体电动势与6槽导体电动势的相量差，C相电动势应为5槽导体电动势与2槽导体电动势的相量差，如图所示，由图可知三相绕组的基波电动势为三相对称电动势。 §8-2 三相单层绕组

17. 交流电机的绕组和电动势 • 三相单层集中整距绕组 集中整距绕组的优缺点：简单，但感应的电动势波形不好，而且由于绕组集中，运行时发热集中，散热不良，再加上电枢表面空间利用率低，所以一般采用分布绕组。 §8-2 三相单层绕组 (b) 图8-5 三相单层集中整距绕组

18. 三相单层分布绕组 以例说明绕组槽电动势星形图及展开图的作法： 例8－1，一交流电机定子槽数Z=24，极数2p=4,绘制三相单层分布绕组的电动势星形图及绕组展开图。 §8-2 三相单层绕组

19. 1. 作槽电势星形图 规定电动势穿进纸面为正，则在图所示位置，1槽导体电动势为正的最大，依次作出其它槽导体的电动势相量，如图所示,由于是两对极，电动势星形重复两圈,一般地说,p对极电机，电动势星形重复p圈。 §8-2 三相单层绕组

20. 交流电机的绕组和电动势 2. 分相 所谓分相，就是按每极每相槽数q，把各槽电动势相量所属的槽号具体分配到各个相，分相的原则是应使每相电动势最大，且三相电动势对称。 §8-2 三相单层绕组

21. 交流电机的绕组和电动势 2. 分相 　　以A相为例，由于q=2，故每个极下A相有2槽，整个电机A相共有8槽，若在第一个S极下取1、2槽作为A相带，为使合成电动势最大，应将第一个N极下的7、8槽也划归A相，作为X相带。因为7、8槽与l、2槽相隔一个极距，它们可分别构成整距线圈，第二对极下13、14槽为A相带，19、20槽则为X相带。 §8-2 三相单层绕组

22. 交流电机的绕组和电动势 • 三相单层分布绕组 3. 绘制绕组展开图 1） 画出槽展开图。即以24根等距直线表示24槽，并在旁边标以槽号。 2）根据槽电动势星形图，把每对极下的槽分成A、Z、B、X、C、Y六个相带，每个相带有q(2)个槽 。 3）把槽中导体连成线圈。单层绕组只能将不同极性下同一相的槽导体组成线圈，如A相只能把A相带与X相带的槽内导体连成线圈，在连接时，导体间连接的先后次序对合成电动势并无影响，因此连接方法有好几种。 §8-2 三相单层绕组

23. §8-2 三相单层绕组 单层叠绕组：图8－7中，A相带中的l槽和2槽导体分别与X相带的7槽和8槽导体组成两个整距线圈， 它们串联后形成一个线圈组(也称极相组)。一般说，这种连接，一个线圈组由 q个线圈组成，一对极每相有一个线圈组，p对极电机一相有p个线圈组，由于一个线圈组的q个线圈端部相叠，故称单层叠绕组。这种连接的端接长，费铜线。

24. 交流电机的绕组和电动势 链式绕组：图 8－8中线圈的节距y＝5，即节距为l一6，端接较短，可节省铜线，常用于4极、6极及部分8极的小型电机，由于各线圈的捧列形如长链，故称链式绕组。 §8-2 三相单层绕组 图8-8 三相单层链式绕组展开图（A相）

25. 交流电机的绕组和电动势 链式绕组：图8－9中两个线圈的节距不相等，它的特点是同一相线圈端部不交叠，布置和嵌线方便，常用于小型两极异步电机，由于是一个线圈套着一个线圈，同一组的几个线圈是“同心”的，故称同心式绕组。 §8-2 三相单层绕组 图8-9 三相单层同心式绕组展开图（A相）

26. 交流电机的绕组和电动势 交叉式绕组：当q=偶数，可把每个相带的槽分成两半，连成链式绕组。如果q为奇数．则每个相带的槽不能均分，出现一边多，一边少的情况，例如Z=36，2p=4，m=3．每极每相槽数q=3，电机的各相槽号可由表8一2确定。 相带 槽号 §8-2 三相单层绕组 把2－10相连，3－11相连组成两个节距为8的“大圈”，12－19相连，组成一个节距为7的“小圈”，每对极下依次按“二大一小”交叉排列，如图8－10所示，这种绕组称为单层交叉式绕组。交叉式绕组一相相邻的大圈与小圈之间应反向串联，以保证线圈组串联后电动势相加。

27. 交流电机的绕组和电动势 交叉式绕组： §8-2 三相单层绕组 图8-10 三相单层交叉式绕组展开图（A相）

28. 交流电机的绕组和电动势 讨论：链式、同心式和交叉式绕组，虽然线圈节距不等于整距，但由于各种连接形式只改变了同一相中各线圈边电动势相加的先后次序，所以它不影响相电动势的大小，仍算整距绕组。 §8-2 三相单层绕组

29. 交流电机的绕组和电动势 4.根据电压和电流的要求．把一相的各个线圈组连成一相绕组 连接的原则是应使串联的线圈组电动势相加，而且各条支路的电动势应相等。一相的各线圈组可以串联，也可以并联，或一半线圈组串联后再并联。图8－7、图8－8和图8－9均为串联，支路数a=1，为使线圈组的电动势相加，图8－7和图8－9为顺向串联，即按“尾接头”连线，而图8－ 8为反向串联，即按“尾接尾”或“头接头”接线。 同一绕组，如用串联，则每相感应电动势可较大，允许通过的相电流小；如用并联，每相感应电动势减小，允许通过的相电流则增大。 图8—8和图8—9只画出了A相绕组，B、C相绕组可用和以A相同样的方法画出来。 §8-2 三相单层绕组

30. 交流电机的绕组和电动势 • 双层绕组 双层绕组的每个槽内有上、下两个线圈边，线圈的一条边放在某一槽的上层，另一条边则放在相隔y槽的下层，如图8－ll所示，对于双层绕组，整个电机的线圈数正好等于槽数。 §8-3 三相双层绕组 图8-11 双层绕组

31. 交流电机的绕组和电动势 • 双层绕组的优点 1）可以选择有利的节距，并可同时采用分布的办法来改善电动势和磁动势波形。 2）所有线圈具有同样的尺寸，便于制造。 3）可以组成较多的并联支路。 4）端部形状排列整齐，有利于散热和增强机械强度。所以现代10kW以上的三相交流电机，其定子绕组均采用双层绕组。 §8-3 三相双层绕组 • 双层绕组的分类 图8-11 双层绕组 三相双层绕组有叠绕组和波绕组两种。

32. 交流电机的绕组和电动势 • 双层叠绕组 　　　　　　例8-2 某交流电机定子绕组的Z＝24，p=4，m=3，采用短距，且y=5，（节距为1～6），试作出线圈电动势的星形图及绕组展开图。 首先进行计算： §8-3 三相双层绕组

33. 交流电机的绕组和电动势 1. 绘制线圈电动势相量图 对于双层绕组，其线圈数等于槽数，由于每个线圈两个边放在相距节距y的两个槽内，所以线圈电动势就是槽电动势星形图中相距y槽的两个相量的合成，所得线圈 电动势相量图仍为相差 电角度的星形图，仅仅是相量长短不同以及因选择的节距不同相量图移动了一个不同的角度，由于本例与例8－1有相同的槽数和极数，所以图8－6(b)的槽电动势星形图也可看作线圈电动势星形图，只是每一相量的编号是该线圈上层边所在槽的号码。例如相量1是其上层边嵌于槽1的线圈的电动势相量 。 §8-3 三相双层绕组 (b) 图8-6 槽导体分布和槽电势星形图

34. 交流电机的绕组和电动势 2. 分相 按照q =2，把电动势星形图分成A、Z、B、X、C、Y六个相带。由图可知，1、2、7、8、13、14、19、20槽的上层边属于A相。 §8-3 三相双层绕组

35. 交流电机的绕组和电动势 3.画绕组展开图 1）把电枢展开，每槽以一实线表示线圈的上层边，一虚线表示线圈的下层边，并在实线旁标以槽号，然后把槽按极数等分成4份，如图8－12(a)所示。 2）按电动势星形图把每对极下的槽分成A、Z、B、X、C、Y六个相带。注意这些相带只表示该相线圈上层边所在的槽。 §8-3 三相双层绕组

36. 交流电机的绕组和电动势 3.画绕组展开图 3）根据线圈的节距y＝5(节距为1～6)，把上、下层连成线圈。例如A相带第1槽的上层边和第6槽的下层边构成一个线圈，第2槽上层边与第7槽下 层边构成一个线圈，这两个线圈串联形成一个线圈组。同样可作出以相其它相带的线圈组，一相共有2p个线圈组，本例 中一相有4个线圈组。 同理可作出B、C相的线圈组(图中未画出)。 §8-3 三相双层绕组

37. 交流电机的绕组和电动势 3.画绕组展开图 4）根据电压和电流的要求，把一相的线圈组串联或并联组成一相绕组。为了使线圈组的电动势相加，一相两相邻线圈组之间应反向串联，即采用“尾接尾，头接头’’的连接规律。图8-12(a)为串联连接支路数a=l。 图8－12(b)为一半线圈组串联后再并联的连接示意图，其支路a=2。 对于双层叠绕组，最大并联支路数等于线圈组数，而一相的线圈组数等于极数，所以最大可能的并联支路数等于极数。 §8-3 三相双层绕组

38. 交流电机的绕组和电动势 • 双层叠绕组 §8-3 三相双层绕组 图8-12 三相双层绕组展开图（a=1）

39. 交流电机的绕组和电动势 • 双层叠绕组 §8-3 三相双层绕组 图8-12 三相双层绕组展开图（a=2）

40. 交流电机的绕组和电动势 • 双层波绕组 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，常采用波绕组。 波绕组的连接特点是把所有同一极性下(如N1、N2…)属于同一相的线圈按照一定的次序串联组成一组；再把所有另一极性下(如S1、S2…)属于同一相的线圈按照一定的次序串联组成另一组，最后把这两大组线圈根据需要接成串联或并联，构成一相绕组。由于相连线圈形似波浪，故称为波绕组。 §8-3 三相双层绕组 如前述例8－2，连成a=1的波绕组，整个A相绕组的连接次序如图8－14所示，绕组展开图如图8－15所示。 图8-14 波绕组A相各线圈连接次序

41. 交流电机的绕组和电动势 • 双层波绕组 §8-3 三相双层绕组 图8-15 三相双层波绕组展开图

42. 交流电机的绕组和电动势 • 双层波绕组 说明： 1）在整数槽波绕组中，无论多少极数，每相每条支路只需一根组间连线。并 联支路最多只有2条。 2）波绕组中采用短距，可以改善电动势和磁动势波形，但不能节约端部用铜。因为合成节距总是差不多等于一对极距不变，线圈节距缩短，虽使一边端 部连线缩短，但另一边却加长了，故用铜量基本不变。 3）由于波绕组的组间连接线少，绑扎固定比较简单，同时使重量分布易于平 衡，故波绕组多用于大、中型水轮发电机定子绕组和绕线转子异步电机的 转子绕组中。 §8-3 三相双层绕组

43. 交流电机的绕组和电动势 • 一、导体电动势 交流绕组的感应电动势由三个基本要素所决定: （1）电动势的频率 （2）电动势的波形 （3）电动势的大小。 §8-4 交流绕组的感应电动势 图8-16（a） 同步发电机模型

44. 交流电机的绕组和电动势 1.感应电动势的频率 图是一台两极凸极同步发电机模型。假设拖动磁极以恒定转速n相对于定子旋转，则定子导体切割主磁通而感应电动势，因N极磁通和S极磁通在导体中感应的电动势方向相反，因此每当转子转过一对磁极时，定子导体感应电动势交变一次. §8-4 交流绕组的感应电动势 若电机为p对极，则转子旋转一周，导体感应电动势即交变p次，转子每分钟旋转n转，所以导体电动势每分钟交变pn次，每秒钟交变pn/60次，这就是频率，即 图8-16（a） 同步发电机模型

45. 交流电机的绕组和电动势 2.感应电动势的波形和谐波分析 根据电磁感应定律，定子导体a中感应电势的瞬时值为： §8-4 交流绕组的感应电动势 式中：Bx为导体所在处气隙空间的径向磁通密度； l为导体在磁场中的有效长度； v为导体相对于磁场的线速度。

46. 交流电机的绕组和电动势 2.感应电动势的波形和谐波分析 在已经制成的电机中，导体有效长度l及线速度v 为定值，所以导体的感应电动势正比于气隙磁密，因而气隙磁密在空间的分布波形便决定了导体感应电动势随时间变化的波形 。 §8-4 交流绕组的感应电动势

47. 2.感应电动势的波形和谐波分析 为了作出气隙磁密分布曲线，可把电机沿轴向剖开，并展开成一直线,把纵坐标取在磁极中心线上，表示气隙磁密；横坐标放在转子表面，表示极面各点距坐标原点的距离，以电角度α量度，整个坐标系统随转子旋转。 §8-4 交流绕组的感应电动势

48. 2.感应电动势的波形和谐波分析 由于在一个磁极范围内励磁磁动势大 小不变，在不考虑定子齿槽影响的情 况下，主磁极表面与定子铁心气隙较 小，因而磁阻较小，气隙磁密较大； 相邻两主磁极之间气隙较大，磁阻也 大，因而气隙磁密就小。气隙磁密的 分布如图8－16(b)所示，图中是按气 隙磁通由定子指向转子为正，即转子 S极的磁密为正，N极的为负。 §8-4 交流绕组的感应电动势 图8-16（b） 气隙磁密分布

49. 2.感应电动势的波形和谐波分析 §8-4 交流绕组的感应电动势

50. 2.感应电动势的波形和谐波分析 经过t秒后，导体所在处的磁密为： 所以，导体的感应电动势为： §8-4 交流绕组的感应电动势 式中：E1m、 E3m、 E5m … Eνm分别代表导体的基波和3、5、…ν次谐波电动势的幅值。