第四章 交流电机绕组的基本理论

第四章《交流电机绕组的基本理论》4.1 交流绕组的基本要求1.交流绕组的基本要求:(1)绕组产生的电动势（磁动势）接近正弦波；(2)三相绕组的基波电动势（磁动势）必须对称；(3)在导体数一定时能获得较大的基波电动势（磁动势）。

2.槽距角α:相邻两槽之间的机械角度槽距电角α1:相邻两槽间相距的电角度4.2三相交流绕组1.极距一个极在电机定子圆周上所跨的距离，一般以槽数计每极每相槽数整个电机定子中每相在每个极下所占有的槽数2.线圈组：每相绕组中相邻的线圈串联在一起称为一个线圈组，一个线圈组中的线圈个数为每极每相槽数q4.3交流绕组的电动势1.短距系数短距系数的物理意义：是短距线圈电动势与对应的整距线圈电动势之比分布系数分布系数的物理意义：分布线圈组合成感应电动势比集中线圈组合成电动势所打的折扣绕组系数2.导体电势，匝电势，线圈电势，线圈组电势和相电势的求法(重点)导体电势匝电势线圈电势线圈组电势相电势(附：4.高次谐波感应电动势的危害：(1)使发电机的电动势波形变坏(2)发电机本身损耗增加，温升增高(3)谐波电流串入电网，干扰通信5.削弱感应电动势谐波的方法:(1)使气隙中的磁场分布尽可能接近正弦波(2)采用对称的三相绕组(使线电动势不存在3次谐波及其倍数的奇次谐波)(3)采用短距绕组(4)采用分布绕组(5)采用磁性槽楔、斜槽或分布槽绕组6.采用短距绕组削弱谐波电动势(通常选y1=5/6τ以同时削弱5、7次谐波)7.对称三相绕组线电动势中不存在3及3的倍数次谐波的原因是：三相相电动势中的三次谐波在相位上彼此相差3*120°=360°，即它们是同相位、同大小的。

当三相绕组接成星形时，E AB3=E A3-E B3=0,所以对称三相绕组的线电动势中不存在3次谐波，同理也不存在3的倍数次谐波。

4.4交流绕组的磁动势1.脉振磁动势：空间位置固定不动，但波幅的大小和正负随时间变化的磁动势2.一个线圈所产生的磁动势的基波幅值：一个极相组所产成的磁动势基波幅值：一相绕组产生的磁动势每极基波幅值：第n次谐波磁动势（1）单相绕组磁动势是脉振磁动势，既是时间t的函数又是空间θ角的函数（2）单相绕组磁动势v次谐波的幅值与v成反比，与对应的绕组系数成正比（3）基波、谐波的波幅必在相绕组的轴线上（4）为了改善磁动势波形，可以采用短距和分布绕组来削弱高次谐波3.三相基波合成磁动势:三相基波合成磁动势的性质(重点):(1)三相合成磁动势的基波是一个波幅恒定不变的旋转波(2)当电流在时间上经过多少电角度，旋转磁动势在空间上转过同样数值的电角度(3)旋转磁动势基波旋转电角速度等于交流电流角频率；旋转磁动势的转速n1为同步转速(4)旋转磁动势由超前相电流所在的相绕组轴线转向滞后的相电流所在的相绕组轴线，因此，哪相电流达到最大值，旋转合成磁动势的幅值就在那相绕组的轴线上(5)合成磁动势的旋转方向取决于三相电流相序。

第四章 交流电机绕组的基本理论4．1 交流绕组与直流绕组的根本区别是什么？ 交流绕组：一个线圈组彼此串联直流绕组：一个元件的两端分别与两个换向片相联4．2 何谓相带？在三相电机中为什么常用60°相带绕组而不用120°相带绕组？相带：每个极下属于一相的槽所分的区域叫相带，在三相电机中常用60相带而不用120相带是因为：60相带所分成的电动势大于120相带所分成的相电势。

4．3 双层绕组和单层绕组的最大并联支路数与极对数有什么关系？ 双层绕组：max 2a P = 单层绕组：max a P =4．4 试比较单层绕组和双层绕组的优缺点及它们的应用范围？单层绕组：简单，下线方便，同心式端部交叉少，但不能做成短匝，串联匝数N 小（同样槽数），适用于10kW <异步机。

双层绕组：可以通过短距节省端部用铜（叠绕组）或减少线圈但之间的连线（波绕），更重要的是可同时采用分布和短距来改善电动势和磁动势的波形，因此现代交流电机大多采用双层绕组。

4．5 为什么采用短距和分布绕组能削弱谐波电动势？为了消除5次或7次谐波电动势，节距应选择多大？若要同时削弱5次和7次谐波电动势，节距应选择多大？绕组短距后，一个线圈的两个线圈边中的基波和谐波（奇次）电动势都不在相差180，因此，基波和谐波电动势都比整距时减小；对基波，同短距而减小的空间电角度较小，∴基波电动势减小得很少；但对V 次谐波，短距减小的则是一个较大的角度（是基波的V 倍），因此，总体而言，两个线圈中谐波电动势相量和的大小就比整距时的要小得多，因此谐波电动势减小的幅度大于基波电动势减小的幅度∴可改善电动势波形。

绕组分布后，一个线圈组中相邻两个线圈的基波和ν次谐波电动势的相位差分别是1α和1v α（1α槽距角），这时，线圈组的电动势为各串联线圈电动势的相量和，因此一相绕组的基波和谐波电动势都比集中绕组时的小，但由于谐波电动势的相位差较大，因此，总的来说，一相绕组的谐波电动势所减小的幅度要大于基波电动势减小的幅度，使电动势波形得到改善。

交流电机绕组的基本理论第四章交流电机绕组的基本理论4．1交流绕组的基本要求1．电势和磁势波形接近正弦，各谐波分量要小。

2．三相绕组基波电势、基波磁势对称。

3．在导体数一定时，获得较大的基波电势和基波磁势。

4．节省有效材料，绝缘性能好，机械强度高，散热条件好。

5．制造工艺简单，检修方便。

a. 要获得正弦波电动势或磁动势，则根据e=blv, 只要磁场B 在空间按正弦规律分布，则它在交流绕组中感应的电动势就是随着时间按正弦规律变化。

b. 用槽电势星形图保证三相绕组基波电势、基波磁势对称槽电势星形图：把电枢上各槽内导体感应电势用矢量表示，构成的图。

概念：槽距角----相邻两个槽之间的自然（机械）角度，Z360=α槽距电角----用电角度来表示的相邻两个槽之间的角度，Zp 01360=α电角度---是磁场所经历的角度。

c. 用600相带的绕组获得较大的基波电动势相带：（1）360度的星形图圆周分成三等分，每等分占1200，成为120度相带；这种分法简单，但电势相量分散，其相量和较小，获得的电动势较小。

（2）若分成六等分，则称600相带；这种分法同样可以保证电势对称，且合成感应电动势较大，是常用的方法。

4．2三相单层绕组特点：线圈数等于二分之一槽数；通常是整距绕组；嵌线方便；无层间绝缘；槽利用率高。

缺点：电势、磁势波形比双层绕组差。

一般用于小型（10kW 以下）的异步电动机。

例题：一台交流电机定子槽数z=36, 极数2p=4,并联支路数a=1，绘制三相单层绕组展开图。

解：步骤 1 绘制槽电势星形图槽距电角Zp 01360=α=200, 槽电势星形图如上图（注意：不是槽星形图，而是槽电势星形图）步骤2 分相、构成线圈每极每相槽数pmZq 2==36/4/3=3；每相在每个极下所占有的槽数。

步骤3 极距pZ 2=τ=36/4=9 ；一个极在定子圆周上所跨的距离，用槽数计。

节距y 1=τ，整距;一个线圈的两边在定子圆周上所跨的距离，用槽数计。

第四章交流电机绕组的基本理论 (169)4.1 交流绕组的基本要求 (169)4.2 三相单层绕组 (171)4.3 三相双层绕组 (173)4.4 在正弦分布磁场下的绕组电动势 (175)4.5 在非正弦分布磁场下电动势中高次谐波及其削弱方法 (179)4.5.1 感应电动势中的高次谐波 (179)4.5.2 削弱谐波电动势的方法 (180)4.6 单相绕组的磁动势 (181)4.6.1 p=1、q=1短距绕组磁动势 (182)4.6.2 p=1分布短距绕组的磁动势 (183)4.6.3 一般情况下的相绕组磁动势 (184)4.7 三相绕组的基波合成磁动势 (185)4.8 圆形和椭圆形旋转磁动势 (191)4.9 谐波磁动势 (192)4.10 交流电机的主磁通、漏磁通 (193)习题 (194)第四章 交流电机绕组的基本理论交流电机主要分为同步电机和异步电机两类。

这两类电机虽然在励磁方式和运行特性上有很大差别，但它们的定子绕组的结构型式是相同的，定子绕组的感应电动势、磁动势的性质、分析方法也相同。

本章统一起来进行研究。

4.1 交流绕组的基本要求交流绕组的基本要求是：(1) 绕组产生的电动势(磁动势)接近正弦波。

(2) 三相绕组的基波电动势(磁动势)必须对称。

(3) 在导体数一定时能获得较大的基波电动势(磁动势)。

下面以交流绕组的电动势为例进行说明。

图4.1表示一台交流电机定子槽内导体沿圆周分布情况，定子槽数Z=36，磁极个数2p =4，已励磁的磁极由原动机拖动以转速了n 1逆时针旋转。

这就是一台同步发电机。

试分析为了满足上述三项基本要求，应遵守哪些设计原则?1. 正弦分布的磁场在导体中感应正弦波电动势以图4.1中N 1的中心线为轴线，在N 1磁极下的气隙中磁感应强度分布曲线如图4.2所示。

只要合理设计磁极形状，就可以使得气隙中磁感应强度呈正弦分布，即， 旋转磁极在定子导体(例如13、14、15、16号导体)中的感应电动势为)(θb )(θb θB θb cos )(m =θcos )θ(m c lv B lv b e ==(4.1)式中，l 为导体有效长度，v 为磁极产生的磁场切割导体的线速度。

第四章 交流电机的绕组、电动势和磁动势交流绕组是按一定规律排列和连接的线圈的总称。

是电机实现机电能量转换的一个主要部件。

交流绕组的种类很多，不同类型的绕组，其构成规则既有不同又有一定的相似性。

本 章主要介绍交流电机绕组，交流绕组的电动势和礠动势等基本知识第一节交流电机的绕组电机的绕组是电机实现机电能量转换的主要部件之一，是电机的电路组成部分。

研究绕 组是研究电机电磁关系、电动势、磁动势的关键。

下面介绍交流绕组基本概念。

一、交流绕组基本知识 （一）交流绕组的构成原则在制造线圈，构成绕组时，对交流绕组提出如下原则： 1、 在一定导体数下，获得较大的电势和磁势。

2、 对于三相绕组，各相电势和磁势要对称，各相阻抗要平衡。

3、 绕组的合成电势和磁势在波形上力求接近正弦波。

4、 用铜量要少，绝缘性能和机械强度高，散热好。

制造检修方便。

一个电机的绕组首先由绝缘漆包线经绕线机绕制成单匝或多匝线圈； 再由若干个线圈组成线圈组，各线圈组的电势的大小和相位相同，根据需要，各相线圈可并联或串联，从而构 成一相绕组；三相绕组之间可接成 丫形或△形。

在此构成过程中，需要遵循上述交流绕组的 构成原则。

图4— 1双层迭绕组元件构成 图4 — 2绕组元件示意图线圈是组成绕组的元件，每一嵌放好的绕组元件都有两条切割磁力线的边， 称为有效边。

有效边嵌放在定子铁芯的槽内。

在双层绕组中，一条有效边在上层，另一条在下层，故分别称为上元件边、下元件边，也称为上圈边、下圈边，在槽外用以连接上、下圈边的部分称为 端接。

如图所示。

（二）交流绕组的基本术语1、电角度与机械角度电机圆周在几何上分为 360度，这个角度称为机械角度。

从电磁的观点看，一对极所占 空间为360度，这是电角度；因为若磁场在空间上为正弦分布，则一对NS 极的分布范围刚 好是一个磁场的分布周期，如图所示。

若导体切割磁场，经过一对 NS 极时，感应产生的电势的变化也是一个周期，即 360度。