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1、第第11章章旋转电机交流绕组的旋转电机交流绕组的电势电势和和磁势磁势 内内容容提提要要 v旋转磁场旋转磁场是是交流电机交流电机工作的基础。工作的基础。v在交流电机理论中有在交流电机理论中有两两种旋转磁场：种旋转磁场：(1)机械机械旋转磁场（旋转磁场（二极机械旋转磁场二极机械旋转磁场，四极机械旋转磁场四极机械旋转磁场）(2)电气电气旋转磁场（旋转磁场（二极电气旋转磁场二极电气旋转磁场，四极电气旋转磁场四极电气旋转磁场）v通过原动机拖动磁极旋转可以产生通过原动机拖动磁极旋转可以产生机械机械旋转磁场。旋转磁场。v三相对称的交流绕组通入三相对称的交流电流时会在电机的气隙空间三相对称的交流绕组通入三相对
2、称的交流电流时会在电机的气隙空间产生电气旋转磁场。产生电气旋转磁场。v两种旋转磁场尽管产生的机理不相同，但在交流绕组中形成电磁感两种旋转磁场尽管产生的机理不相同，但在交流绕组中形成电磁感应的效果是一样的。应的效果是一样的。v交流绕组处于旋转磁场中，并切割旋转磁场，产生感应电势。交流绕组处于旋转磁场中，并切割旋转磁场，产生感应电势。11-1交流旋转电机交流旋转电机定子绕组定子绕组的的感应感应电势电势 一、交流一、交流同步同步发发电机电机的的结构模型结构模型 v同步发电机的同步发电机的结构模型结构模型如图如图所示：转子上有成对的所示：转子上有成对的磁极磁极，定子上有定子上有三相对称交流绕组三相对称
3、交流绕组。v原动机带动转子旋转，形成原动机带动转子旋转，形成旋转磁场，该磁场在气隙空旋转磁场，该磁场在气隙空间可以取间可以取基波（正弦）基波（正弦）进行进行研究。研究。v定子绕组的有效边被旋转定子绕组的有效边被旋转磁场切割，并在其中产生感磁场切割，并在其中产生感应电势应电势。定子铁心定子铁心定子绕组定子绕组主极铁心主极铁心励磁绕组励磁绕组图图同步发电机原理图同步发电机原理图图图气隙旋转磁场的气隙旋转磁场的基波分量基波分量二、交流绕组的感应电势二、交流绕组的感应电势 12345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24SNSAXNv研究电势的
4、次序：各研究电势的次序：各导体导体线圈线圈线圈组线圈组一相绕组一相绕组的电势的电势 1.导体导体中的感应电势中的感应电势v感应电势的感应电势的波形波形:ex(t)=Bx l v 感应电势感应电势随时间变化的波形和随时间变化的波形和磁磁感应强度感应强度在空间的分布波形相一在空间的分布波形相一致。致。只考虑磁场基波时只考虑磁场基波时,感应电势感应电势为正弦波为正弦波。v感应电势的感应电势的频率频率 问题问题1：4极电机，要使得导体中的感应电势为极电机，要使得导体中的感应电势为50Hz,转速应为多少？转速应为多少？v感应电势的感应电势的大小：大小：小结小结：绕组中均匀分布着许多导体，这些导体中的感应
5、电势：绕组中均匀分布着许多导体，这些导体中的感应电势有效值有效值、频率、频率、波形波形均相同；但是它们的均相同；但是它们的相位相位不相同。不相同。3.线圈组线圈组的感应电势的感应电势 分布系数分布系数：注：注：分布系数小于1，通常通常 kq在在0.931.0之间。4.每相绕组每相绕组的电势的电势 单层单层绕组绕组的相电势：的相电势：单层绕组每对极每相单层绕组每对极每相q个线圈，组成一个线圈组，共个线圈，组成一个线圈组，共p个个线圈组线圈组。若若p个线圈组全部并联则相电势个线圈组全部并联则相电势=线圈组的电势线圈组的电势若若p个线圈组全部串联则相电势个线圈组全部串联则相电势=p倍倍线圈组电势线圈
6、组电势实际线圈组可并可串，总实际线圈组可并可串，总串联匝数：串联匝数：12345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24SNSAXN则每相电势：则每相电势：双层绕组双层绕组的电势的电势 双层绕组每极每相有双层绕组每极每相有q个线圈，构成个线圈，构成一一个线圈组，共个线圈组，共2p个个线圈组线圈组,这这2p个线圈组可并可串，个线圈组可并可串，总串联匝数总串联匝数双层绕组要考虑到短距系数双层绕组要考虑到短距系数:绕组系数绕组系数：kw1=kykq 5.本节小结：本节小结：v正弦分布的以转速正弦分布的以转速n1旋转的旋转磁场，在三相对称交流绕组
7、中会感应旋转的旋转磁场，在三相对称交流绕组中会感应出三相对称交流电势。出三相对称交流电势。v感应电势的波形与磁场分布波形相同，为正弦波。感应电势的波形与磁场分布波形相同，为正弦波。v感应电势的频率为感应电势的频率为f=pn/60（Hz）v每相电势的大小为每相电势的大小为Ep1=4.44f N11Kw1v绕组系数绕组系数:kw1=kykq,kq=sin(q/2)/(q sin/2),ky=cos/2如果通过线圈的电流为正弦波如果通过线圈的电流为正弦波:则矩形波的高度也将按正弦变化。则矩形波的高度也将按正弦变化。整距集中绕组产生的磁势是一个位置固定，幅值随时间按正弦变整距集中绕组产生的磁势是一个位
8、置固定，幅值随时间按正弦变化的化的矩形波脉振磁势（矩形波脉振磁势（看动画看动画）。脉振磁势脉振磁势可以表示为可以表示为:脉振磁势脉振磁势的幅值：的幅值：2.矩形矩形波脉振磁势的分解波脉振磁势的分解v按照富立叶级数分解的按照富立叶级数分解的方法可以把矩形波分解为方法可以把矩形波分解为基波和一系列的谐波之和：基波和一系列的谐波之和：v因为基波磁势对电机性能影响最大，故因为基波磁势对电机性能影响最大，故本书以后的分析只考虑基波本书以后的分析只考虑基波!！v对某瞬时来说对某瞬时来说,基波基波磁势磁势的大小在空间按正弦分布；的大小在空间按正弦分布；对气隙中某一点而言对气隙中某一点而言,基波基波磁势磁势的
9、大小随时间作正的大小随时间作正弦变化弦变化;基波基波磁势磁势的幅值永远在该相绕组的轴线上。的幅值永远在该相绕组的轴线上。对应公式如下：对应公式如下：（看基波脉振磁势动画看基波脉振磁势动画）二、整距分布绕组的磁势二、整距分布绕组的磁势v线圈组中的个线圈组中的个,线圈相互之间依次错开一个槽距角线圈相互之间依次错开一个槽距角,。v单个线圈产生单个线圈产生矩形波脉振磁势矩形波脉振磁势，取其分解后的基波分量，取其分解后的基波分量为为正弦脉振磁势正弦脉振磁势；vq个正弦波脉振磁势在空间依次错开一个槽距角个正弦波脉振磁势在空间依次错开一个槽距角。v线圈组线圈组的磁势等于的磁势等于q个线圈磁势在空间的叠加，其
10、叠加个线圈磁势在空间的叠加，其叠加方法类似于感应电势的叠加。方法类似于感应电势的叠加。v组的分布系数组的分布系数:v结论：线圈组的磁势为结论：线圈组的磁势为:四、单相四、单相脉振磁势脉振磁势的的统一统一表达式表达式为了统一表示为了统一表示相绕组相绕组的磁势，引入每相电流的磁势，引入每相电流I1,每相串联匝数每相串联匝数N1等概念。等概念。对双层绕组对双层绕组对单层绕组对单层绕组统一公式统一公式单相绕组产生的基波磁势仍然是单相绕组产生的基波磁势仍然是脉振磁势脉振磁势。其物理意义为：其物理意义为：对某瞬时来说对某瞬时来说,基波基波磁势磁势的大小在空间按正弦分布；对气隙中某一点而言的大小在空间按正弦
11、分布；对气隙中某一点而言,基波基波磁势磁势的大的大小随时间作正弦变化小随时间作正弦变化;基波基波磁势磁势的幅值永远在该相绕组的轴线上。的幅值永远在该相绕组的轴线上。单单相绕组基波磁势相绕组基波磁势(瞬时值瞬时值)表达式表达式:二、基波二、基波三相合成三相合成磁势磁势旋转磁势旋转磁势 1.公式证明公式证明(1)三相对称电三相对称电流流:(2)三相对称电流通过三相对称绕组时各自产生的磁势三相对称电流通过三相对称绕组时各自产生的磁势:(3)将以上三式进行数学变换后再相加即得到合成磁势为将以上三式进行数学变换后再相加即得到合成磁势为:结论：三相对称电流通入三相对称绕组在电机内部可自动产生一个圆形结论：
12、三相对称电流通入三相对称绕组在电机内部可自动产生一个圆形旋转磁势。（旋转磁势。（看动画看动画）2.旋转磁势的再分析旋转磁势的再分析图解证明和结论图解证明和结论 v单相单相绕组产生的绕组产生的基波脉振磁势基波脉振磁势可以分解为两个向相反方向旋转的可以分解为两个向相反方向旋转的圆形旋转圆形旋转磁势磁势。（。（看动画看动画）v三相对称交流绕组通过三相对称交流电流时，三个反向旋转磁势在空间错三相对称交流绕组通过三相对称交流电流时，三个反向旋转磁势在空间错开开120电角度相互抵消，三个正向旋转磁势在空间同相位，合成一个圆形旋电角度相互抵消，三个正向旋转磁势在空间同相位，合成一个圆形旋转磁势。（转磁势。（
13、看动画看动画）v旋转磁势的旋转磁势的幅值幅值为为:v旋转磁势的旋转磁势的转速（即转速（即同步转速同步转速）为为:v旋转磁势的旋转磁势的转向转向:由带由带超前超前电流的相转向带电流的相转向带滞后滞后电流的相电流的相。v当某相电流达最大值时，旋转磁势的幅值位置刚好转到该相绕组的轴线上。当某相电流达最大值时，旋转磁势的幅值位置刚好转到该相绕组的轴线上。v改变旋转磁场改变旋转磁场转向转向的方法：调换任意两相电源线（即改变的方法：调换任意两相电源线（即改变相序相序）v三相对称交流绕组通过三相对称交流电流后可产生圆形旋转磁势。三相对称交流绕组通过三相对称交流电流后可产生圆形旋转磁势。用动用动画演示画演示（
14、二极动画二极动画，四极动画四极动画）11-4异步电机中的主磁通和漏磁通异步电机中的主磁通和漏磁通旋转磁势在电机内会产生磁通旋转磁势在电机内会产生磁通,根据磁通的流通路径和性质将其分为根据磁通的流通路径和性质将其分为主磁通主磁通和和漏磁通漏磁通。一、一、主磁通主磁通v基波旋转磁场产生的基波旋转磁场产生的磁通磁通经过定、转子铁心和经过定、转子铁心和两段小气隙两段小气隙,同时匝链同时匝链定子和转子绕组的磁通叫定子和转子绕组的磁通叫主磁通主磁通。v转子导体切割主磁通并在其中感生电流；转子导体切割主磁通并在其中感生电流；v导体感生电流在磁场中受到电磁力的作用而形导体感生电流在磁场中受到电磁力的作用而形成
15、成驱动转矩驱动转矩，使，使电机旋转电机旋转。二、二、漏磁通漏磁通定子绕组定子绕组的漏磁通的漏磁通槽漏磁通槽漏磁通：由槽的一壁横越至槽的另一壁的漏磁通：由槽的一壁横越至槽的另一壁的漏磁通端部漏磁通端部漏磁通：匝联绕组端部的漏磁通：匝联绕组端部的漏磁通谐波漏磁通谐波漏磁通：谐波磁势会产生谐波磁通。电机正常运转时，谐波磁通：谐波磁势会产生谐波磁通。电机正常运转时，谐波磁通不会产生有用的转矩。尽管谐波磁通也能同时匝链定子和转子绕组，不会产生有用的转矩。尽管谐波磁通也能同时匝链定子和转子绕组，也将其归入漏磁通。也将其归入漏磁通。漏电抗漏电抗:漏磁通在定子绕组中感应漏磁电势漏磁通在定子绕组中感应漏磁电势,用漏抗压降表示用漏抗压降表示:转子绕组转子绕组通过电流时，也会有通过电流时，也会有漏磁通漏磁通。对应的漏抗电势。对应的漏抗电势:三、影响三、影响漏电抗漏电抗大小的因素大小的因素 漏电抗对电机的性能有很大的影响。漏电抗对电机的性能有很大的影响。电抗公式电抗公式:即即电流电流频率频率、绕阻、绕阻匝数匝数、漏磁路的磁阻漏磁路的磁阻是决定漏磁通大小的主要因素。是决定漏磁通大小的主要因素。比如，槽口宽则槽口漏磁通小；匝数多时，则端部漏磁通增大较多。比如，槽口宽则槽口漏磁通小；匝数多时，则端部漏磁通增大较多。