第四章交流电机的绕组.docx

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第四章交流电机的绕组

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。

根据以上观念，则

电角度机械角度

相邻的一对磁极，轴线间沿气隙圆周即电枢表面的的距离叫极距。

极距T可用电角度及

定子表面长度表示，一般用每个极面下所占的槽数表示。

当用电角度表示时，极距£=电角度

如定子槽数为£,极对数为0（极数为2戸）,则极距用槽数表示时

2

r

同一线圈的两个有效边间的距离称为第一节距，用表示；第一个线圈的下层边与第

二个线圈的上层边间的距离称第二节距，用"^2表示；第一个线圈与第二个线圈对应边间的

距离称合成节距，用y表示。

可见y=化！

。

如图4—3所示。

H二匸称为整距绕组,

儿"称为短距绕组；A=丁称为长距绕组，长距绕组与短距绕组均能削弱高次谐波电势或磁势，但长距绕组的端接较长，故很少采用。

短距绕组由于其端接较短，故采用较多。

3、槽距角空

槽距角是相邻槽间的电角度。

电机定子的内圆周是PX菇2电角度，被其槽数2：

所除,

可得槽距角。

即

a=-

（式4—3）

2

4、每极每相槽数旺与线圈组

。

即

每相绕组在每个磁极下平均占有的槽数为每极每相槽数y

q—

（式4—4）

2粋

式中：

总槽数忑，极对数戸，相数喘

将同一相带的虽个线圈按一定规律连接起来构成一个极相组。

将属于同一相的所有极相组并联或串联起来，构成一相绕组。

60°相带。

5、相带

每个极面下每相连续占有的电角度。

交流电机一般采用

（三）分类

同步电机和异步电机的电枢绕组都是交流绕组，交流绕组的种类很多。

按相数分，有单相、二相和三相绕组；按槽内层数可分为单层、双层绕组和单双层绕组，

根据绕法可分为叠绕组和波绕组，根据节距是否等于极距可分为整距绕组和短距绕组，根据

每极每相槽数是整数还是分数，本章仅以单层和双层绕组为主,组展开图来研究绕组分布情况。

可分为整数槽和分数槽绕组。

但是构成绕组的原则是一致的。

研究三相绕组的连接规律，通过绘制槽电势星形图和绕

二、三相单层绕组

所以线圈数等于槽数的一半。

三相单层绕组可分为等元件式（链式）、同心式和交叉

单层绕组每槽只有一个线圈边，按绕组元件的形状和连接方式，式。

下面分别进行介绍其绕组的连接规律。

（一）等元件单层绕组

等元件绕组的元件节距相等，即元件大小一样。

下面举例说明三相等元件单层绕组的连接规律。

已知电机定子的槽数2=36，极数2卩=4，并联支路数仃=1，试绘出三相单层等元件绕组的槽电势星形图和绕组展开图。

1.槽电势星形图

当把各槽内导体中的电势分别用相量表示时，这些相量构成一个星形图。

由于相邻两槽

的距离（用电角度表示）为槽距角4，故槽电势在相位上互差一个槽距角龊。

—=2tJ

36

橹电势星形国

图4—4槽电势星形图

根据槽距角画出各槽电势向量图，即槽电势星形图，如图4—4所示。

图中向量1〜18

代表第一对极下1〜18槽中导体的电势向量，向量19〜36代表第二对极下19〜36槽中导体的电势向量。

由于这两组在极下分别处于相对应的位置，所以相对应的导体中电势是同相位

的，因此这两组电势向量完全重合。

如果电机有对磁极，则应有戸个重叠的槽电势星形。

2.画绕组展开图

（1）先计算出每极每相槽数和极距

36

=9

2x2（槽）

36

=3

（槽）

（2）找出属于一相的槽

由上可知该绕组每个极下有9个槽，其中属于一相的有3个槽，根据上面对槽电势星形图的分析，可知？

个相邻的槽中导体电势合成最大，故选择相邻0个槽为某一相在一极下的槽，而在每个极下均有这样的9个槽，而且在不同极下分别处于相对应的位置。

如图先将36槽按极数和极距分成四段，然后以y相为例，在四个极下属于它的分别为：

1、2、3，10、11、12，19、20、21和28、29、30四组相邻槽，每组三槽，而且在不同极下分别处于相同的位置。

（3）构造线圈

根据等元件绕组的元件大小一样，将第一对极距内的1、2、3和10、11、12两部分槽

内的线圈边连接起来，即将1与10、2与11、3与12连接成三个线圈，由此可以看出单层

的等元件绕组节距等于极距，此处极距为9。

19、20、

（4）构造线圈组接下来将这三个线圈串联起来成为一对极下的线圈组，同理把第二对极距内的

21和28、29、30连成第二个线圈组。

（5）—相绕组

显然这两个线圈组电势是同相位的，它们可以并联也可以串联。

根据每相并联支路数謹=1的要求，将这两个线圈组顺向串接成7相绕组。

串联时注意首尾相连使电势方向一致。

最后标示出首末端。

图4—5三相单层等元件U相绕组展开图

（二）单层绕组的其它连接方式

单层绕组的其它连接方式是在等元件绕组的基础上发展而来的。

常见的有交叉式和同心

式两种绕组，这两种绕组槽电势的分配与等元件绕组是一样的，如图所示，若同为36槽、4

极的绕组，分配给A相的槽均为1、2、3,10、11、12，19、20、21和28、29、30四组，根据槽电势星形图，由于线圈连接次序并不影响电势大小，故交叉式和同心式两种绕组的每

相电势与等元件绕组的是一样的。

U2

图4—7单层同心式U相绕组展开图

同心式线圈两边可以同时嵌入槽内，不影响其它线圈的嵌放，嵌线方便，但端部连线较

长，一般用于功率较小的两极异步电机。

单层绕组的优点是：

槽内无层间绝缘，槽利用率较高，对小功率电机来说具有很大意义，线圈数只是双层绕组的一半，且嵌线方便。

主要缺点是：

不能制成短距绕组来削弱高次谐波电势和高次谐波磁势，因此单层绕组一般用于功率在10KW以下的异步电机。

三、三相双层绕组

双层绕组的每个线圈，一个边放在一个槽的上层，另一个边放在另一个槽的下层，线圈

的形式相同，线圈数等于槽数。

双层绕组的节距可以根据需要来选择，一般做成短距以削弱

高次谐波，改善电势波形。

容量较大的电机均采用双层短距绕组。

双层绕组主要有叠绕组和波绕组两种，波绕组主要用于水轮发电机中，这里不再详述，只对叠绕组进行举例介绍。

下面仍以2=3=41的电机为例，来研究三相双层叠绕组的连接规律。

以"相为例，分配给y相的槽仍为1、2、3，10、11、12，19、20、21和28、29、30四组,

77Cr

Vi=££=~X?

=了

这里若选用短距绕组，99（槽），上层边选上述四组槽，则下层边按照

第一节距为7选择，从而构造成线圈（上层边的槽号也代表线圈号）。

比如，第一个线圈的上层边在1槽中，则下层边在1+7=S槽中，第二个线圈的上层边在2槽中，则下层边在

2+7=9槽中，依此类推，得到12个线圈。

这12个线圈构成4个线圈组（4个极）。

然后根据并联支路数来构成一相，这里区=1，所以将4个线圈组串联起来，成为一相绕组。

N?

第二节交流电机绕组的感应电动势

一、正弦分布磁场下的绕组电势

（一）导体的电势

£=恥，可得导体电势最大

在正弦分布磁场下，导体电势也为正弦波，根据电势公式值

每极磁通量为:

式中的扯指每极下的总磁通量，而变压器中也《的是指随时间作正弦变化的磁通的最大值，所以两者的意义不同。

（二）线圈的电势

先讨论匝电势，即一匝线圈的两个有效边导体的电势向量和。

短距线圈即N"。

如图4—9（c）示，可知其上、下圈边电势的相位差不再是180°,

而是小于180°的角。

尸是用电角度表示的元件第一节距，也称短距对应角。

（式4—11）

尤尸1称为线圈的短距系数。

它小于1,只有当整距时，七刃等于1。

3、线圈的电势

电机槽内每个线圈有必匝组成，每匝电势均相等,

应”严比氐=4.44"心网

所以一个线圈电势有效值为:

（式4—13）

（C）

（三）线圈组（极相组）的电势

-呻

FSill

口0］介窗）2

匕1==

（式4—17）

T2

（式4—18）

绕组系数，它表示考虑短距和分布影响时,

（四）相电势

一相绕组由属于该相的所有线圈组组成，

于一条并联支路的总电势。

对于双层绕组一共有当一相的并联支路数为山条时，单层绕组则有相加起来，便可得到一相电势（一般情况下，位的）。

线圈组电势要打折扣。

线圈组可以串联也可以并联，所以一相电势等

个线圈组，单层绕组则有戸个线圈组。

戸个线圈组，将一条支路中各个线圈组电势每条支路所串联的线圈组电势都是同大小同相

对于双层绕组:

对于单层绕组:

（式4—19）

（式4—20）

氏严444畋侧

变压器绕组的计算公式形式上相似，只不过交流电机采用短距和分布绕组，所以要乘以一个绕组系数。

（式4—21）

二、高次谐波电势及削弱方法

（一）磁场非正弦分布所引起的谐波电势

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C

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乔9

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b

C

根据傅氏级数，它可分解成为正弦分布

4—11所示。

图中还分别画出3

图4—11主极磁密的空间分布实际电机的气隙磁密很难保证按正弦规律分布，的基波和一系列奇次谐波，主极磁密的空间分布曲线如图次和5次谐波所对应的转子模型。

谐波电势的计算方法和基波电势的计算方法相似。

由图可见，V次谐波磁场的极对数为

基波的V倍，而极距则为基波的

（式4—22）

（式4—23）

由于谐波磁场也因转子旋转而形成旋转磁场，其转速等于转子转速，即巴=pF,故在定子绕组内感生的高次谐被电势的频率为

_pg_如f

X■■苛■帀—

（式4—24）

其中I60为基波的频率。

根据