交流電機(jī)電樞繞組的電動(dòng)勢(shì)和磁動(dòng)勢(shì)

1、6 交流電機(jī)電樞繞組交流電機(jī)電樞繞組The WINDINGS of AC ELECTRICAL MACHINE 的電動(dòng)勢(shì)與磁通勢(shì)的電動(dòng)勢(shì)與磁通勢(shì)交流電機(jī)的工作原理交流電機(jī)的工作原理Basic principles of AC electrical machine n共同點(diǎn)n同步synchronousn異步Asynchronous 當(dāng)定子繞組通上當(dāng)定子繞組通上三相交流電，產(chǎn)生的三相交流電，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和體產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流感應(yīng)電流,在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)的作用下產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩矩,使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng). 右圖是一臺(tái)三相鼠籠型異步右圖

2、是一臺(tái)三相鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)的外形圖。電動(dòng)機(jī)的外形圖。下面是它主要部件的拆分圖。下面是它主要部件的拆分圖。nAn AC motor is an electric motor that is driven by an alternating current. nAn AC motor consists of two basic parts:nAn outside stationary stator having coils supplied with AC current to produce a rotating magnetic field;nAn inside rotor attached

3、to the output shaft that is given a torque by the rotating field. nThere are two types of AC motors, depending on the type of rotor used:nThe synchronous motor, which rotates exactly at the supply frequency or a submultiple(因數(shù)因數(shù)) of the supply frequency. The magnetic field on the rotor is either due

4、 to current transported with slip rings（滑環(huán)）（滑環(huán)） or a permanent magnet.nThe induction motor, which turns slightly slower than the supply frequency. The magnetic field on the rotor of this motor is created by an induced current. 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生rotating magnetic fieldAYCBZ異步機(jī)中異步機(jī)中,旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)代替了旋轉(zhuǎn)磁極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)代替了旋轉(zhuǎn)磁極

5、AiBiCimIt0n()電流出電流出( )電流入電流入X240sin120sinsintIitIitIimCmBmAAXYCBZ0tAiBiCimItBiAXBYCZAiCi合成磁場(chǎng)方向：合成磁場(chǎng)方向：向下向下NS180tXBZ0nAYC 60tAXYCBZSN0n60A120tXYCBZ0n同理分析，可得同理分析，可得其它電流角度下其它電流角度下的磁場(chǎng)方向：的磁場(chǎng)方向：AiBiCitmINN旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)方向：取決于三相電流的相序。：取決于三相電流的相序。0n0n改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向：換接其中兩相。改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向：換接其中兩相。AiBiCimItAiCiBimIt旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

6、的旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速大小大小 一個(gè)電流周期，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（即定子磁場(chǎng)）在空間一個(gè)電流周期，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（即定子磁場(chǎng)）在空間轉(zhuǎn)過(guò)轉(zhuǎn)過(guò)360。則同步轉(zhuǎn)速（即旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度）為：。則同步轉(zhuǎn)速（即旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度）為：AXYCBZNSAXYCBZSN0n60AXYCBZNSAiBiCimIt分）轉(zhuǎn) /( 600fn電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)速的關(guān)系電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)速的關(guān)系電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速）電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速）:n電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的方向一致，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的方向一致， 但但 異步異步電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)0nn無(wú)轉(zhuǎn)距無(wú)轉(zhuǎn)距轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

7、間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)無(wú)轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)（轉(zhuǎn)子導(dǎo)體不切割磁力線）無(wú)轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)（轉(zhuǎn)子導(dǎo)體不切割磁力線）無(wú)轉(zhuǎn)子電流無(wú)轉(zhuǎn)子電流提示提示：如果如果0nn p空間電角度空間電角度機(jī)械角度機(jī)械角度電機(jī)整個(gè)轉(zhuǎn)子表面所占的空間幾何角度電機(jī)整個(gè)轉(zhuǎn)子表面所占的空間幾何角度360度，叫度，叫機(jī)械角度機(jī)械角度。一對(duì)主磁極表面所占的空間距離用空間角度表示，并定為一對(duì)主磁極表面所占的空間距離用空間角度表示，并定為360度，叫度，叫空間電角度空間電角度。 交流電機(jī)電樞繞組交流電機(jī)電樞繞組基本概念基本概念 Basic conceptions of AC windings 1 電角度和機(jī)械角度：電角度和機(jī)械角度： Electric angl

8、e and mechanical angle Electric angle= mechanical anglepoles2 極距和槽距角極距和槽距角n極距極距Pole pitch Q/2pn槽距角槽距角Slot pinch angle p360 / Q3 極相組：每極每相槽數(shù)The number of phase groups slots qQ/(2pm) 60pnf 導(dǎo)體的基波電動(dòng)勢(shì)頻率導(dǎo)體的基波電動(dòng)勢(shì)頻率（每秒基波電動(dòng)勢(shì)變化的周數(shù)）：（每秒基波電動(dòng)勢(shì)變化的周數(shù)）：由于轉(zhuǎn)子有由于轉(zhuǎn)子有p對(duì)極，電機(jī)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈，導(dǎo)體中的基波電對(duì)極，電機(jī)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈，導(dǎo)體中的基波電動(dòng)勢(shì)變化了動(dòng)勢(shì)變化了p周，而電

9、機(jī)每秒轉(zhuǎn)了周，而電機(jī)每秒轉(zhuǎn)了n/60轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)。2260pnwf用用f表示轉(zhuǎn)子的電角速度：表示轉(zhuǎn)子的電角速度：6.1 交流電樞繞組的交流電樞繞組的電動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì)The INDUCED ELECTROMOTIVE FORCE IN AC WINDINGS sinbBeb lv260nwpwt設(shè)電機(jī)的基波氣隙磁密：設(shè)電機(jī)的基波氣隙磁密：導(dǎo)體產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)：導(dǎo)體產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)：轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的電角速度：轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的電角速度：時(shí)間過(guò)時(shí)間過(guò)t秒，導(dǎo)體移到：秒，導(dǎo)體移到：6.1.1 導(dǎo)體電動(dòng)勢(shì)導(dǎo)體電動(dòng)勢(shì)The fundamental electromotive force in conductor sinsinbBBwt導(dǎo)

10、體中感應(yīng)基波電動(dòng)勢(shì)的最大值：2() (2)222260mavavavEB lvBlffBlfBBBlnvpf 其 中為氣隙磁密平均值為氣隙磁密平均值為氣隙每極基波磁通量為氣隙每極基波磁通量為線速度為線速度導(dǎo)體感應(yīng)的基波電動(dòng)勢(shì)瞬時(shí)值：sinsin2 sinmeb lvB lvwtEwtEwt導(dǎo)體基波電動(dòng)勢(shì)：導(dǎo)體基波電動(dòng)勢(shì)：112.2222mEEffTAXeeeTAXEEE22 2.224.44TAEEff6.1.2 整距線匝電動(dòng)勢(shì)整距線匝電動(dòng)勢(shì)The fundamental electromotive force in coil 線匝基波電動(dòng)勢(shì)：相量表示：有整距線匝電動(dòng)勢(shì)：4.44yyEfN6.

11、1.3 整距線圈電動(dòng)勢(shì)2sin24.44sin24.44yAyypEEyfNyfN k6.1.4 短距線圈電動(dòng)勢(shì)0yAXAXEEEEEy 短距線圈基波電動(dòng)勢(shì)相量：短距線圈基波電動(dòng)勢(shì)：例6-2 如果把相距150度空間電角度的A、X兩根導(dǎo)體組成線匝，每根導(dǎo)體電動(dòng)勢(shì)為10V，求該線匝的基波電動(dòng)勢(shì)。6.1.5 整距分布線圈組的電動(dòng)勢(shì)整距分布線圈組的電動(dòng)勢(shì)The fundamental electromotive force in coils 1集中繞組集中繞組2分布繞組分布繞組6.1.5 整距分布線圈組的電動(dòng)勢(shì)123qyyyEEEE2 sin22 sin2yqERERq2 sin22sin2qyRqE

12、qEqR基波電動(dòng)勢(shì)相量一個(gè)線圈和線圈組的電動(dòng)勢(shì)有6.1.5 整距分布線圈組的電動(dòng)勢(shì)2 sin22sin2qyRqEqEqRsin2sin2qyydqEqEqE kq4.44qydEfqN k4.444.44qy dpy dpEfqN k kfqN k例6-3 一臺(tái)電機(jī)的定子槽里放了4個(gè)分布著的整距線圈，相鄰線圈的槽距角為15度空間電角度，每個(gè)線圈的基波電動(dòng)勢(shì)為30 V?，F(xiàn)將這些空間分布著的整距線圈按頭尾相連構(gòu)成線圈組，求該線圈組的基波電動(dòng)勢(shì)。6.2 交流電機(jī)電樞繞組6.2.1 三相單層繞組三相單層繞組 3-phase single-layer winding1 三相三相單層單層集中集中整距整距

13、繞組單層繞組：?jiǎn)螌永@組：定子的每個(gè)槽里能放一個(gè)圈邊，兩個(gè)槽中的相距一定距離的兩個(gè)圈邊形成一個(gè)繞組元件。3602 3603024pZ2 三相單層分布繞組1）定子相鄰兩槽間的槽距角2）畫(huà)基波電動(dòng)勢(shì)相量圖1 calculating 、q2 drawing a star graph of voltage3 splitting phase4 drawing expansion graph例：三相電機(jī)定子總槽數(shù)例：三相電機(jī)定子總槽數(shù)Z=24，極對(duì)數(shù)，極對(duì)數(shù)p=2，連接成三相單層分布繞組。連接成三相單層分布繞組。注意：每個(gè)相量代表一個(gè)導(dǎo)體的電動(dòng)勢(shì)，相差180度的兩個(gè)導(dǎo)體形成整距線圈電動(dòng)勢(shì)。6.2 交流電機(jī)電

14、樞繞組24222 3 2Zqmp 3）按60度相帶法分相每極每相槽數(shù)相帶：把基波電動(dòng)勢(shì)星形相量圖分成六等份，每份為60度空間電角度，槽在定子表面所占的地帶。6.2 交流電機(jī)電樞繞組4）畫(huà)繞組連接圖6.2 交流電機(jī)電樞繞組11224.44A XA XydydEEqE kfqN k14.444.444.44ydyddyEfqN kpapqNfkafN kpqNNa5）確定繞組并聯(lián)的路數(shù)a6）計(jì)算相電動(dòng)勢(shì)每對(duì)極下屬于一相的線圈組的基波電動(dòng)勢(shì)大小相等，其值為P對(duì)極下屬于一相的線圈組的基波電動(dòng)勢(shì)大小相等，其值為6.2.2 三相雙層繞組 3-phase double-layer winding 雙層繞組：

15、雙層繞組：定子的每個(gè)槽里能放兩個(gè)圈邊，每個(gè)圈邊為一層。電機(jī)線圈總是與定子總槽數(shù)相等。優(yōu)點(diǎn)：線圈能任意短距，對(duì)改善電動(dòng)勢(shì)波形有好處。36023602036pZ1）定子相鄰兩槽間的槽距角2）畫(huà)基波電動(dòng)勢(shì)相量圖注意：每個(gè)相量代表一個(gè)短距線圈的電動(dòng)勢(shì)，而不是導(dǎo)體電動(dòng)勢(shì)。例：三相電機(jī)定子總槽數(shù)例：三相電機(jī)定子總槽數(shù)Z=36，極對(duì)數(shù)，極對(duì)數(shù)p=2，節(jié)距，節(jié)距y1=7個(gè)槽，并聯(lián)支路數(shù)個(gè)槽，并聯(lián)支路數(shù)a=1，連接成三相雙層短距，連接成三相雙層短距分布繞組。分布繞組。3）按60度相帶法分相每極每相槽數(shù)36322 3 2Zqmp 6.2 交流電機(jī)電樞繞組4）畫(huà)繞組連接圖6.2 交流電機(jī)電樞繞組5）確定繞組并聯(lián)的路

16、數(shù)6）計(jì)算相電動(dòng)勢(shì)4.444.444.44yypqydpdpEfN kEfqN k kEfNk2ypqNNa短距線圈基波電動(dòng)勢(shì)極相組基波電動(dòng)勢(shì)相繞組基波電動(dòng)勢(shì)每相串聯(lián)匝數(shù)n例6-4 一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)，定子采用雙層短距分布繞組。已知定子總槽數(shù)為36，極對(duì)數(shù)為3，線圈的第一節(jié)距為5槽，每個(gè)線圈串聯(lián)的匝數(shù)為20，并聯(lián)支路數(shù)為1，頻率為50，基波每極磁通量為0.00398。求：（1）導(dǎo)體基波電動(dòng)勢(shì)（2）線匝基波電動(dòng)勢(shì)（3）線圈基波電動(dòng)勢(shì)（4）極相組基波電動(dòng)勢(shì)（5）相繞組基波電動(dòng)勢(shì)6.2.3 繞組的諧波電動(dòng)勢(shì)繞組的諧波電動(dòng)勢(shì)sin2pkysin2sin2dqkq諧波短距系數(shù)：諧波繞組系數(shù)：諧波分布系數(shù)

17、：dpdpkk k6.3 交流電機(jī)電樞單相繞組產(chǎn)生的交流電機(jī)電樞單相繞組產(chǎn)生的磁通勢(shì)磁通勢(shì)The MAGNETOMOTIVE FORCES of AC WINDINGS 6.3.1 單層單層整距整距分布分布線圈的線圈的磁通勢(shì)磁通勢(shì)The fundamental magnetomotive force in coils 交流電機(jī)電樞單相繞組產(chǎn)生的磁通勢(shì)2 cosiIwt112cos22yyyfiNINwt112cos22yyyfiNINwt 22322線圈流過(guò)電流展開(kāi)后，矩形分布的展開(kāi)后，矩形分布的脈振脈振磁通勢(shì)磁通勢(shì)電流、磁通勢(shì)幅值都隨時(shí)間按電流、磁通勢(shì)幅值都隨時(shí)間按coswt變變化，即在時(shí)間

18、上都為化，即在時(shí)間上都為脈振脈振波。波。交流電機(jī)電樞單相繞組產(chǎn)生的磁通勢(shì)135( ,)coscos3cos5cos4 11sin22yyfwtCCCCCiN2 磁通勢(shì)展開(kāi)用傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)1354 14 11( ,)2coscos2coscos32234 112coscos525yyyyyyyfwtINwtINwtINwtfff2 cosiIwt代入有1142coscos2coscosyyyfINwtFwt33421coscos323coscos3yyyfINwtFwt 55421coscos525coscos5yyyfINwtFwt5115yyFF3113yyFF11FyyF有幅值：有諧波極對(duì)

19、數(shù)：1pp整距線圈產(chǎn)生的磁通勢(shì)中，基波是最主要的，其最大幅值是422yIN2coscoscos()cos()1111111cos()cos()22yyyyyfFwtFwtff3 基波脈振磁通勢(shì)由三角公式：整距線圈的基波磁通勢(shì)1142coscos2coscosyyyfINwtFwt3 基波脈振磁通勢(shì) 一個(gè)脈振磁通勢(shì)波可以分為兩個(gè)波長(zhǎng)與脈振波完全一樣，分別朝相反方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)波，旋轉(zhuǎn)波的幅值是原脈振波最大振幅的一半； 當(dāng)脈振波振幅為最大時(shí)，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)波正好重疊在一起。6.3.2 短距線圈（雙層分布）的磁通勢(shì)The fundamental magnetomotive force in short co

20、ils 單相雙層短距繞組相串聯(lián)6.3.2 短距線圈的磁通勢(shì)41sin241yypCiNyiNk135( ,)coscos3cos5cosfwtCCCC雙4 12coscos2yINwt142sincoscos242coscosyypINywtIN kwt單層整距線圈時(shí)，基波磁通勢(shì) fy1雙層短距線圈時(shí)，基波磁通勢(shì) fy16.3.3 單層分布線圈組產(chǎn)生的磁通勢(shì)qydFqF ksin2sin2dqkq1sin2sin2dqkq1111sin2sin2qyydqFqFqF kq整個(gè)單層分布線圈組的基波磁通勢(shì)最大值整個(gè)單層分布線圈組的基波磁通勢(shì)最大值其中諧波磁通勢(shì)分布系數(shù)諧波磁通勢(shì)最大幅值6.3.5

21、單相繞組磁通勢(shì)135135421(,)(coscos3231cos5)cos5coscoscoscos3coscos5dpdpdpINfwtkkpkwtFwtFwtFwt雙層雙層短距短距分布分布繞組的繞組的相相繞組磁通勢(shì)繞組磁通勢(shì)6.3.5 單相繞組磁通勢(shì)11335542242 12342 125d pd pd pN kIFpN kIFpN kIFp2ypqNNa各磁通勢(shì)分量的最大幅值分別為：其中每相繞組串聯(lián)的匝數(shù)：6.4 三相電樞繞組產(chǎn)生的磁通勢(shì)The fundamental magnetomotive forces of 3 -phase winding 6.4 三相電樞繞組產(chǎn)生的磁通勢(shì)2

22、 cos2 cos(120 )2 cos(240 )ABCiIwtiIwtiIwt111111coscoscos(120 )cos(120 )cos(240 )cos(240 )ABCfFwtfFwtfFwt1 基波磁通勢(shì)三相繞組流過(guò)電流：各相電流在電機(jī)氣隙圓周方向產(chǎn)生的基波磁通勢(shì)：滯后A相120度電角度的B相電流，流過(guò)位于A相前面120度空間電角度的B相繞組時(shí)，產(chǎn)生的基波磁通勢(shì)。11422dpNkIFp6.4 三相電樞繞組產(chǎn)生的磁通勢(shì)11111111111cos()cos()2211cos()cos(240 )2211cos()cos(120 )22ABCfFwtFwtfFwtFwtfFwt

23、Fwt分解有6.4 三相電樞繞組產(chǎn)生的磁通勢(shì)111111111111( ,)11cos()cos()2211cos()cos(240 )2211cos()cos(120 )223cos()2cos()ABCfwtfffFwtFwtFwtFwtFwtFwtFwtFwt111323 4222dpFFNkIp三相合成基波磁通勢(shì)三相合成基波磁通勢(shì)為一行波，或稱旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)。幅值為113 4222dpNkFIp三相合成基波磁通勢(shì)的特點(diǎn)：1 幅值3 轉(zhuǎn)速磁通勢(shì)的轉(zhuǎn)向決定于電流的相序，從領(lǐng)先相向滯后相旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)相對(duì)于定子繞組的轉(zhuǎn)速為為同步轉(zhuǎn)速n=60f/p r/min。2 轉(zhuǎn)向4 瞬間位置瞬間位置當(dāng)三相

24、電流中的某相電流值達(dá)正最大值時(shí)，當(dāng)三相電流中的某相電流值達(dá)正最大值時(shí)，三相合成基波旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)的正幅值，正好三相合成基波旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)的正幅值，正好位于該相繞組的軸線處。位于該相繞組的軸線處。6.4.2 三相的三次諧波磁通勢(shì)33333333coscos3cos(120 )cos3(120 )cos(120 )cos3cos(240 )cos3(240 )cos(240 )cos3ABCfFwtfFwtFwtfFwtFwt 3342 12 3dpNkIFp各相的三次諧波磁通勢(shì)其中為三次諧波磁通勢(shì)的最大值6.4.2 三相的三次諧波磁通勢(shì)33333333( ,)coscos3cos(120 )cos3co

25、s(240 )cos3cos3 coscos(120 ) cos(240 )0ABCfwtfffFwtFwtFwtFwtwtwt 三相合成的三次諧波磁通勢(shì)三相的三次諧波磁通勢(shì)為0。顯然3n如九、十五等的合成也為0。n例6-5 已知三個(gè)匝數(shù)彼此相等的整距線圈AX、BY、CZ在定子的槽內(nèi)集中地放在一起。若三個(gè)整距線圈里流過(guò)的電流分別為求產(chǎn)生的合成基波總磁通勢(shì)。2 cosABCiiiIwtn例6-6 已知三個(gè)匝數(shù)彼此相等的整距線圈AX、BY、CZ，按彼此相距120度空間電角度放在定子的槽內(nèi)。若三個(gè)整距線圈里流過(guò)的電流分別為求產(chǎn)生的合成基波總磁通勢(shì)。2 cosABCiiiIwtcoscoscoscos(120 )coscos(240 )yAXyyBYyyCZyfFwtfFwtfFwtcoscoscoscos(120 )coscos(240 )coscoscos(120 )cos(240 )0yyyyyfFwtFwtFwtFwt解： 各線圈產(chǎn)生的基波磁通勢(shì)為合成的基波磁通勢(shì)為6.