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1、第六章 交流电机电枢绕组的电动势与磁通势同步电机（同步发电机、同步电动机）交流电机异步电机（异步发电机、异步电动机-感应电动机）同步电机与异步电机的定子绕组结构相同，转子结构不同。本章介绍交流电机的共同点：电动势、磁通势、电枢绕组6.1交流电机电枢绕组的电动势以交流同步发电机为例，所得结论都能应用于异步电机。6.1.1导体电动势同步发电机模型定子（固定不动），安放电枢绕组，图中导体A转子（可以旋转），安放主磁极，N极与S极原动机拖动主磁极以转速n相对于定子逆时针方向旋转，相当于导体A相对于主磁极顺时针方向旋转，根据电磁感应定律导体A中会感应电势。将电机展开得到气隙磁通密度沿转子磁极表面的分布气
2、隙磁通密度波形取决于转子磁极形状，在同步发电机中尽量使得气隙磁通密度波形为正弦形，磁极采用不均匀气隙。, 气隙磁密幅值（最大值）a距离坐标原点x处的电角度，一对极距离为360o or 2pa=wt, 感应电动势幅值, E感应电动势有效值常用物理量的计算1.机械角度b与电角度a的关系机械角度b是空间实际角度， 电机转一圈，b=360o；电角度a=pb； 2极电机p=1电机转一圈a=b=360o 4极电机p=2电机转一圈a=2b=720o2.电动势频率f（每秒基波电动势变化的周波数） Hz （周/秒）3.电角速度w与机械角速度W的关系 （每秒钟转过的孤度或电角度）4.电动势频率f与电角速度w的关系
3、w=2pf rad/s也是导体A感应基波电动势变化的角频率。5.基波电动势幅值Em, , , , , 6.1.2整距线匝电动势eA与eX空间位置相距一个极距，一个在N极下，另一个在S极下，大小相等。整距线匝基波电动势为：6.13整距线圈电动势Ny匝串联组成一个线圈，整距线圈基波电动势为：6.14短距线圈电动势设线圈节距 , 短距:，整距: 基波短距系数，整距 ky=16.1.5整距分布线圈组的电动势 相邻线圈的槽距角（电角度）整距集中绕组的电动势 整距分布线圈组的电动势 , , kq为基波分布系数若有q个线圈分布，基波分布系数为 , , 称为每极每相槽数分布线圈组的基波电动势为: 分布短距线圈
4、组的基波电动势为: 称为绕组基波系数举例：p=2,Z=36 每线圈基波电动势E=15Vy, 求kd, Eq解：, 分布线圈组的基波系数 分布线圈组的基波电动势 相绕组的感应电动势 N为每相绕组的串联匝数对于单层绕组 , 对于双层绕组 , a为绕组并联支路数6.2交流电机电枢绕组6.2.1三相单层绕组1. 三相单层集中整距绕组领先时间电角度领先时间电角度2. 三相单层分布绕组例：Z=24,p=2, 连成三相单层分布绕组(1) 相邻两槽之间的槽距角a（电角度）(2) 画基波电动势星形相量图(3)按60o相带分相每极每相槽数 (4)画绕组连接图(5)确定绕组并联的路数一路串联（实线）: X1接A2，
5、A1头，X2尾。二路并联（虚线）: A1接A2，X1接X2结论：1. 单层绕组最多可并联的支路 2. 一路串联E大I小，二路并联E小I大。(6)计算相电动势每对极的线圈组基波电动势：每相基波电动势： 一相绕组串联的总匝数。6.2.2三相双层绕组一个槽内可放二个线圈边，一个为上层，一个为下层。三相双层绕组与三相单层绕组的区别：三相双层绕组三相单层绕组线圈数定子总槽数Z定子总槽数的一半Z/2最多的并联支路数每相绕组的串联总匝数短距、分布能任意短距与分布，对改善电动势与磁通势波形有利。只能任意分布，不能短距。例6-4（Pg182）一台三相异步电动机，定子采用双层短距分布绕组。已知定子总槽数Z=36，
6、极对数P=3，线圈的节距y1=5，每个线圈串联的匝数Ny=20，并联支路数a=1，频率f=50Hz，基波每极磁通量f=0.00398Wb， 求：(1)导体基波电动势； （2）线匝基波电动势；（3）线圈基波电动势；(4)极相绕组基波电动势；(5)相绕组基波电动势。解:（1）导体基波电动势： （2）线匝基波电动势: 基波短距系数:; 短距线匝基波电动势: （3）线圈基波电动势: （4）极相组基波电动势， ，；极相组基波电动势: （5）相绕组基波电动势6.2.3绕组的谐波电动势实际的电机气隙磁密波形由基波，三次、五次、七次等奇数次谐波组成，这些谐波磁密也要在各槽里的导体中感应出各次谐波电动势。绕组采
7、用了短距、分布以及三相连接时，可以使各次谐波电动势和基波被削弱，甚至使某次谐波电动势为零。合理的设计使基波电动势削弱得少，而谐波电动势削弱得多。举例：数据同上例，五次谐波每极磁通，七次谐波每极磁通，计算它的相绕组电动势中五次、七次谐波分量。解：五次谐波短距系数为: 七次谐波短距系数为: 五次谐波分布系数为: 七次谐波分布系数为: 五次谐波绕组系数为: 七次谐波绕组系数为: 相绕组五次谐波电动势为:, , 相绕组七次谐波电动势为: , 由此分析可见：绕组采用短距、分布后，基波电动势削弱得很少，谐波电动势削弱得很多。6.3交流电机电枢单相绕组产生的磁通势绕组中流过电流后将产生磁通势和磁场。直流电机
8、的电枢电流不随时间变化，产生的磁动势只是空间分布函数。交流电机的电枢电流随时间变化，产生的磁动势既是空间分布函数又是时间分布函数。6.3.1整距线圈的磁通势1. 整距线圈的磁通势为匝的整距线圈。由全电流定律l 忽略铁芯中的磁阻，这个磁势全部消耗在两个气隙中，每个气隙消耗为；l 规定电流从端流进，用表示；端流出，用表示，并作为电流的正方向；l 磁通势从定子到转子的方向为正。下图为某一值产生的磁通势，可见，决定磁通势矩形波的幅值。若线圈电流, 是电流有效值；l 磁通势在气隙空间呈矩形波分布；l 矩形波的幅值随时间交变，称为脉振波；l 磁通势交变频率与电流交变频率同步，电流最大值时，磁通势为最大值。
9、矩形分布的脉振磁通势表达式：2. 磁通势展开整距线圈的磁通势沿气隙的分布为一周期矩形波，矩形波可分解为基波和一系列空间谐波。对称于横轴，谐波无偶次项；又对称于纵轴，谐波无正弦项。是谐波的次数， 谐波系数,当 代入上式基波磁通势: 3次谐波磁通势: 5次谐波磁通势: 此外，还有等高次谐波磁通势。基波与各谐波磁通势的特点l 基波及各谐波磁通势之间的幅值关系，谐波次数越高，谐波磁通势的幅值越小。l 基波及各谐波磁通势之间的极对数关系l 基波与各谐波磁通势幅值都随时间按电流的变化规律而变化，即在时间上，各谐波都为脉振波。若电流变化规律为3.基波脉振磁通势基波磁通势: 基波磁通势幅值: 正转右行波 （右
10、行旋转波） 行波角速度: 朝着方向以大小的角速度旋转。反转左行波 （左行旋转波）朝着方向以大小的角速度旋转。脉振磁通势及分成的两个旋转磁通势重要结论：l 一个脉振磁通势波可以分为两个波长与脉振波完全一样，朝相反方向旋转的旋转波，旋转波的幅值是原脉振波最大振幅的一半。l 当脉振波振幅为最大值时，两个旋转波正好重叠在一起(a,g)。6.3.2短距线圈的磁通势单相双层短距绕组是一个短距线圈，是另一个短距线圈。两个线圈尾尾相连串联在一起，电流方向符合上图。流过电流为:每个短距线圈单独产生的磁通势在气隙空间的分布图。合成总磁通势分布图对称于横轴:谐波无偶次项；又对称于纵轴:谐波无正弦项。磁通势展开：谐波
11、系数：磁通势短距系数：, 与电动势短距系数计算方法相同。6.3.3.单层分布线圈组产生的磁通势个线圈分布的磁通势与个线圈分布的电动势计算方法的比较整距分布线圈组的电动势单层分布线圈组的磁通势基波电动势: 谐波电动势: 基波磁通势: 谐波磁通势: 个线圈分布，基波分布系数为 ，次谐波分布系数为绕组的分布与短距技术不仅能大大削弱感应电动势中的谐波，同样也能大大削弱气隙磁通势中的谐波，尽量保留基波分量，改善电机性能。6.3.4单相绕组磁通势对于双层短距分布绕组，相绕组产生的磁通势为：基波磁通势幅值: 3次谐波磁通势幅值: 5次谐波磁通势幅值: 是每相绕组串联的匝数。单相绕组磁通势小结：l 单相绕组通
12、以正弦交变电流，产生脉振磁通势；l 脉振磁通势的空间位置是固定的，幅值随时间变化，脉振频率决定于电流变化的频率；l 脉振磁通势含有基波和各奇次谐波，各奇次谐波可以用短距和分布绕组来削弱；l 脉振磁通势的基波表达式；(幅值)l 基波磁通势幅值的位置与绕组轴线重合。6.4三相电枢绕组产生的磁通势条件：三相对称电流通入三相对称绕组。三相对称电流：, , A、B、C三相电流幅值相等，在时间相位上互差电角度。三相对称绕组: 三相绕组的匝数相等，三相绕组的轴线在空间相位上互差电角度。6.4.1基波磁通势A相基波磁通势: B相基波磁通势: C相基波磁通势: l 幅值：；l 分别表示三个单相基波磁通势的空间分
13、布规律；l 表示三个单相磁通势随时间变化规律。根据积化和差的三角函数关系，把进行分解：三相合成基波磁通势: 上式中： , l 三相合成基波磁通势是个行波，亦称旋转磁通势；l 行波角速度，朝着方向以大小的角速度旋转。三相合成基波磁通势幅值位置l 时，能使，得三相合成基波磁通势幅值位置。l 当时，三相合成基波磁通势的幅值在的位置，即相绕组的轴线；而此刻，相电流为正最大值；当相电流为最大值时，三相合成基波磁通势幅值的位置正好位于相绕组的轴线。l 随着时间的推移，当时，相电流为正最大值；三相合成基波磁通势幅值的位置正好位于相绕组的轴线；l 当时，相电流为正最大值；三相合成基波磁通势幅值的位置正好位于相
14、绕组的轴线；相绕组的轴线；相绕组的轴线；相绕组的轴线。, 时；三相合成基波磁通势幅值的位置正好位于相绕组的轴线。三相六个旋转磁通势的合成。三相合成基波磁通势的特点：l 三相对称绕组通以三相对称电流，产生的合成磁通势的幅值不变，是圆形旋转磁通势，其幅值 :。l 瞬间位置: 当三相电流中某相电流值达正最大值时，三相合成基波磁通势的正幅值正好位于该相绕组的轴线处。l 转向：由电流相序决定，从领先相绕组轴线向落后相绕组轴线转。在三相绕组中通以对称 正序电流，三相合成磁通势的轴线依次与相绕组轴线重合；通以对称 负序电流，三相合成磁通势的轴线依次与 相绕组轴线重合。如何改变交流电动机的转向？l 转速：旋转
15、磁通势相对于定子绕组的转速称为同步转速，。6.4.2三相绕组的谐波磁通势将相、相、相三个单相绕组的谐波脉振磁势相加，可得三相绕组的谐波合成磁通势。1.三相绕组的三次谐波磁通势相三次谐波磁通势: 相三次谐波磁通势: 相三次谐波磁通势: 幅值：；三相合成三次谐波磁通势: l 三相绕组各相的三次谐波脉振磁通势在空间上同相；l 三相电流在时间上互差电角度，致使三相的三次谐波脉振磁通势互相抵消。2.三相绕组的五次谐波磁通势l 5次谐波合成磁通势亦是一个旋转磁通势；l 行波角速度，朝着方向以大小的角速度旋转。小结：l 当 亦即时，谐波合成磁通势为零。l 当 亦即时，谐波合成磁通势为: ,反向旋转，转速: 。l 当 亦即时，谐波合成磁通势为: ,正向旋转，转速: 。25