第6章交流电机电枢绕组的电动势与磁动势
电机与拖动基础第三版林瑞光答案
电机与拖动基础第三版林瑞光答案【篇一：10《电机与电力拖动基础》教学大纲】txt>electric machinery and drive课程代码： d1081060总学时〔理论＋实践〕： 51+0 学分：3 课程性质：学科基础课课程类别：必修课先修课程：《高等数学》、《大学物理》、《电路分析基础》面向专业：电气工程及其自动化专业开课学科：检测技术及自动化装置开课二级学院：机电工程学院执笔：陈卫民审校：钱晓耀一、课程的地位与任务本课程是电气工程及其自动化专业的专业基础课，其主要任务是学生通过本课程的学习获得电机与拖动的基本理论知识，使学生掌握常用的交直流电机、变压器、控制电机等的基本结构，工作原理和运行特性；电机拖动系统的静态、动态特性；初步掌握不同电动机的调速方法和技术指标；并能了解一些电机及拖动系统的发展方向。
二、课程主要内容与基本要求了解电力拖动系统的组成及发展过程；电力拖动系统的应用领域；电机、电机拖动的基本概念；了解本课程的专业地位和特点。
掌握直流电机的基本工作原理和结构；了解电枢绕组的最基本形式；理解直流电机的磁场及电枢反应；掌握直流电机的电枢电动势、电磁转矩和电磁功率的三个基本方程式及他〔并〕励直流电动机的工作特性。
掌握电力拖动系统的运动方程式；掌握生产机械的转矩特性、他励直流电动机机械特性、电力拖动系统的稳定运行条件；理解他励直流电动机的起动方法、制动及制动方式的选择；掌握他励直流电动机的调速方法；了解评价调速方法的主要指标、调速方法与负载性质的配合；了解他励直流电动机过渡过程的一般分析方法。
了解变压器的应用、分类；掌握变压器的基本工作原理、额定值；掌握单相变压器的空载运行时的物理状况、变化、空载电流；掌握空载运行时的电势平衡方程、空载运行是的等效电路和向量图；掌握单相变压器负载运行时的物理状况、基本方程、折算法、等效电路和向量图；理解变压器参数的空载实验、短路实验；理解变压器的工作特性；理解三相变压器及其它用途的变压器。
电机学-交流绕组和电动势
§8-1 交流绕组的基本概念
➢交流绕组的定义
感应交流电的绕组叫交流绕组
同步电机电枢绕组和异步电机定子、转子绕组结构相同， 因此统称为“交流电机绕组”，简称为交流绕组。
交流电机的绕组和电动势
§8-1 交流绕组的基本概念
➢对交流绕组的要求 1）良好的导电性能； 2）一定导体数下，获得较大的基波电动势和基波磁动势； 3）在三相绕组中，对基波而言，三相电动势必须对称，即三相 的幅值相等而相位互差120度电角度，并且三相的阻抗也要求相 等； 4）电动势和磁动势波形力求接近正弦波，为此要求电动势和磁 动势中的谐波分量尽量小； 5）用铜量少，绝缘性能和机械强度可靠，散热条件好； 6）制造工艺简单，检修方便。
8
9
10
S2
11 12 13
A
18
17 16 15 14
动势最大，应将第一个N极下的7、8槽也划
Y
24 12
13 1
14 2
归A相，作为X相带。因为7、8槽与l、2槽
23 11
Z 3 15
相隔一个极距，它们可分别构成整距线圈，
22 10
4 16
第二对极下13、14槽为A相带，19、20槽则 C
为X相带。
§8-2 三相单层绕组
➢三相单层集中整距绕组
槽电势星形图：连成的绕组能否得到三
1
相对称电动势呢？可以作三相绕组电动
势相量的方法来说明。因槽间角 1 60 6 电角度，若规定导体电动势穿进纸面为
60°
2
正，则图8- 4(a)所示瞬间1槽导体电动势
为正的最大，当转子转过 1角后，2槽导
体电动势才最大，因此2槽导体电动势落 5
第06章-交流电机的旋转磁场理论
-11-
第六章 交流电机的旋转磁场理论
二、旋转磁场的基本特点
1）三相对称绕组通入三相对称电流所产生的三相基波合成 磁动势是一个旋转行波， 合成磁动势的幅值是单相电枢绕组脉
振磁动势幅值的3/2倍。同理可以证明，对于m相对称绕组通入 m相对称电流，所产生的基波合成磁动势也是一个旋转行波， 其幅值为每相脉振幅值的m/2倍。
-13-
第六章 交流电机的旋转磁场理论
第三节 交流电机的主磁通和漏磁通
一、主磁通
当交流电机的定子绕组通入三相对称电流时， 便在气隙中
建立基波旋转磁动势，同时产生相应的基波旋转磁场。 与基波
旋转磁场相对应的磁通称为主磁通，用m表示。由于旋转磁场
是沿气隙圆周的行波，而气隙的长度是非常小的， 所以相应的
-8-
第六章 交流电机的旋转磁场理论
图6-3说明 Fs (x,t) 是一个幅 值恒定、正弦分布的行波。
由于 Fs (x,t) 又 表示三相电
枢绕组基波合成磁动势沿气隙圆
F sm
F ( x, t) s
v1
et
周的空间分布，所以它是一个沿
气隙圆周旋转的行波，其相对于
定子的速度是
v1
e
π
（6-8）
0
FA1( x, t ) FB1 ( x, t ) FC1 ( x, t )
Fm
1
c
oset
c
os
πx
Fm
1
c
os
(et
2π 3
)
Fm 1
cos(et
2π 3
)
cos(πx
cos(πx
2π ) 3 2π ) 3
（6-5）
式中，Fm1是每相磁动势基波分量的幅值，其精确的计算需要考 虑绕组分布及短距等因素。
交流电机的绕组、电动势和磁动势
N极面
S极面
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
N
NS
S
N
S
A
X
单层绕组的特点： (1)最大并联支路数等于极对数； (2)不能利用短距绕组消除高次谐电势和磁势； (3)线圈数少，绕线和嵌线的工时少； (4)无层间绝缘，下线方便，槽利用率高；
YA Z B
C
X
例 3：Q＝36，2P＝4，绘制 a=1的三相单层交叉式 绕组展开图。
1、计算绕组参数； 2、画槽电动势星形图，划分相带； 3、连接A相绕组，画A相绕组展开图； 4、画B、C相绕组展开图。
例 4 ：Q=24；2P=2；要求绘制三相单层同心式绕组。
18槽2极单层同心式绕组（a=1）
A
B
C
X
Y
Z
24 槽 4 极单层整距绕组
绕组结构参数？ y=？τ=？ q=？ α=？
24槽4极单层整距绕组
三相4极24槽单层整距绕组
两个图的区别？ 三相4极24槽单层链式绕组
判断：绕组的结构型式及绕组结构参数
τ
τ
τ
τ
1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021222324
同步电机
异步电机
同步电机：多用作发电机，也用作电动机，可改 变电网功率因数。
异步电机：主要用作电动机，只有特殊场合才用 作发电机。
两种类型的交流电机涉及三个共同部分：
◆交流绕组的基本结构 ◆交流绕组中感应的电动势 ◆交流绕组产生的磁动势
5.1 交流电机的基本工作原理
一、同步发电机的基本工作原理
二、异步电动机的基本工作原理
8交流电机电枢绕组的电动势和磁动势
电机与拖动
2、线圈中的感应电势 ：
（1）整距线匝中 的感应电势（线匝 首尾两端相距一个 整极矩） 两导体感应电动势 分别为Ea1和Ea2
线匝基波电动势向量ET
E T E a1 E a 2
整矩线匝基波电 E 2 E 2 2 . 22 f 4 . 44 f A 动势（有效值） T
E AB 3 E A 3 E B 3 0 三相采用△接法：
三次谐波感应电动势会在绕组回路中产生三次 谐波环流，整个闭合绕组三次谐波感应电动势恰好 与环流在三次谐波阻抗上产生压降相等，因此线电 压中也没有三次谐波分量。
同理：适合于3k次谐波
思考题：三相交流发电机定子绕组一般接成什 么形式？
E 4 . 44 fqW y k q p 4 . 44 f pqW a 4 . 44 fWk q
W pqW a
y
1 a
y
kq
是一相绕组串连的总匝数
（3） 三 相 双 层 叠 绕 组
电机与拖动
一交流机：Z=24，2P=4，m=3，y1=5,画出 双层叠绕组展开图。
1、画出结构图，标出槽号 B2 21 1817 22 2、标出AZBXCY的位置 Y2 16 Z 23 2 15 24 Z 24 S1 q 2 14 2 pm 223 1 n N N2 A1 1 13A2 2 Z 24 S2 12 6 3 2p 4 Z1 4 11 Y1 56 10 y1=5 B1 7 8 9 C 1 X1 上下 C2
三相交流电机中线电压的三次谐波 三相交流电机三相绕组在空间上互隔120 度空间电角度，他们的基波感应电动势时间 相位互隔120度。三次谐波感应电动势相位互 隔360度；并且三次谐波感应电动势幅值大小 相等。
交流绕组及其电动势和磁动势
•4.2三相双层绕组
•一、基本概念
•1.线圈（绕组元件）：是构成绕组的基本单元。绕组就是线圈 按一定规律的排列和联结。线圈可以区分为多匝线圈和单匝线 圈。与线圈相关的概念包括：有效边；端部；线圈节距等（看 图）
•4.2三相双层绕组 •一、基本概念
•2.极距τ ：沿定子铁心内圆每个磁极所占的范围
•3.线圈节距y：一个线圈两个有效边之间所跨过的槽数称为线 圈的节距。用y表示。（看图） •y<τ时，线圈称为短距线圈；y=τ时，线圈称为整距线圈； •y>τ时，线圈称为长距线圈。
4.谐波的弊害
⑴使电动势波形变坏，发电机本身能耗增加 ，η↑，从而影响用电设备的运行性能
• ⑵干扰临近的通讯线路
二、消除谐波电动势的方法
因为EΦv=4.44fυNRwvΦv所以通过减小KWr 或Φr可降低EΦr
1.采用短距绕组 2.采用分布绕组，降低。 3.改善主磁场分布 4.斜曹或斜极
4.5通有正弦交流电时单相绕组的磁动势
• 二、交流绕组的分类 • 按相数分为：单相、三相、多相
• 按槽内层数分为：单层（同心式、链式、交叉 式）、双层（叠绕组、波绕组）、单双层
• 每极每相槽数q：整数槽、分数槽
•4.2三相双层绕组 •双层绕组的主要优点（P113）
•一、基本概念
：
•1.线圈（绕组元件）：是构成绕组的基本单元。绕组就是线圈
⑶谐波磁场的槽距角：dγ =γd
⑷谐波磁场的转速：nr = ns主磁极的转速（ 同步转速）
⑸谐波感应电动势的频率：fv= pv* nv/60 = vp ns/60=vf1
⑹谐波感应电动势的节距因数kpv ⑺谐波感应电动势的分布因数kdv ⑻谐波感应电动势的绕组因数kwv= kpv kdv ⑼谐波电动势（相值）
电机中磁动势与电动势的图文分析
1.交流绕组的磁动势图1图2 图3从图中可以看出三相电流产生的总的磁场是随着转子的旋转而旋转的，设转子开始的位置就是A 相的轴线位置，也就是0α︒=时，此时a F 在轴线+A 轴上，当转子逆时针转动1α角时，a F 也转动1α角，这样最大的磁动势线就对应在1α，1α也就是t ω。
值得注意的是，上面的图是三相电流合成之后的磁动势，而对于每一相电流，他们产生的基波磁动势的表达式是11cos cos cos cos k k k f N I t F t ωαωα==，这个式子可以傅里叶变换为：'''1111111cos()cos()22k k k k k f F t F t f f αωαω=-++=+，可以发现，一个脉振磁动势可以分解为两个极对数和波长与脉振波完全一样，类比上面的合成磁动势，这里的cos()t αω-可以看成是振幅为112k F 的磁动势沿着逆时针转动，也就是转子的转动方向旋转，并且旋转的角速度为d d tdt dtαωω==，也就是说，这个行波是电角速度为ω，大小与转子转动的电角速度相等，也就是线圈中电流的电角速度相等。
另外，cos()t αω+部分可以看成振幅为112k F 的磁动势沿着顺时针转动，这个行波是电角速度为-ω，大小与转子转动的电角速度相等，也就是线圈中电流的电角速度相等。
这些都是电枢绕组上的电枢电流所产生的磁动势特征，分别通过对总的电枢磁动势a F 的旋转方向来过渡到单相电流产生的磁动势，由于转子是逆时针方向转动，所以电动势是逆时针转动，导致电枢电流逆时针转动，然后就有了a F 逆时针转动，可以形象的通过上面的图3看出随着α而转动。
1cos()f F αα=-2.图示说明分布、短距绕组的物理意义两槽单线圈磁场空间分布为矩形波，所以含有大量的谐波在里面，那么产生的电动势也就有大量的谐波。
图4 两槽单线圈磁力线分布6槽三相电机磁场空间分布为阶梯波，所以也含有大量的谐波。
电气自动化专业电机学试题
电机学习题集第一章变压器基本工作原理和结构1-1从物理意义上说明变压器为什么能变压，而不能变频率？1-2 试从物理意义上分析，若减少变压器一次侧线圈匝数（二次线圈匝数不变）二次线圈的电压将如何变化？1-3 变压器一次线圈若接在直流电源上，二次线圈会有稳定直流电压吗？为什么？1-4 变压器铁芯的作用是什么，为什么它要用毫米厚、表面涂有绝缘漆的硅钢片迭成？1-5变压器有哪些主要部件，它们的主要作用是什么？1-6变压器原、副方和额定电压的含义是什么？1-7 有一台D-50/10单相变压器，VUUkVASNNN230/10500/,5021==，试求变压器原、副线圈的额定电流？1-8 有一台SSP-125000/220三相电力变压器，YN，d接线，kVUUNN5.10/220/21=，求①变压器额定电压和额定电流；②变压器原、副线圈的额定电流和额定电流。
第二章单相变压器运行原理及特性2-1为什么要把变压器的磁通分成主磁通和漏磁通？它们之间有哪些主要区别？并指出空载和负载时激励各磁通的磁动势？2-2变压器的空载电流的性质和作用如何？它与哪些因素有关？2-3 变压器空载运行时，是否要从电网取得功率？这些功率属于什么性质？起什么作用？为什么小负荷用户使用大容量变压器无论对电网和用户均不利？2-4为了得到正弦形的感应电动势，当铁芯饱和和不饱和时，空载电流各呈什么波形，为什么？2-5 一台220/110伏的单相变压器，试分析当高压侧加额定电压220伏时，空载电流I0呈什么波形？加110伏时载电流I0呈什么波形，若把110伏加在低压侧，I0又呈什么波形? 2-6 试述变压器激磁电抗和漏抗的物理意义。
它们分别对应什么磁通，对已制成的变压器，它们是否是常数？当电源电压降到额定值的一半时，它们如何变化？我们希望这两个电抗大好还是小好，为什么？这两个电抗谁大谁小，为什么？2—7 变压器空载运行时，原线圈加额定电压，这时原线圈电阻r1很小，为什么空载电流I0不大？如将它接在同电压（仍为额定值）的直流电源上，会如何？2—8 一台380/220伏的单相变压器，如不慎将380伏加在二次线圈上，会产生什么现象？2—9一台220/110伏的变压器，变比221==NNk，能否一次线圈用2匝，二次线圈用1匝，为什么？2-102-10变压器制造时：①迭片松散，片数不足；②接缝增大；③片间绝缘损伤，部对变压器性能有何影响？2-11变压器在制造时，一次侧线圈匝数较原设计时少，试分析对变压器铁心饱和程度、激磁电流、激磁电抗、铁损、变比等有何影响？2—12 如将铭牌为60赫的变压器，接到50赫的电网上运行，试分析对主磁通、激磁电流、铁损、漏抗及电压变化率有何影响？2-13变压器运行时由于电源电压降低，试分析对变压器铁心饱和程度、激磁电流、激磁阻抗、铁损和铜损有何影响？2-14两台单相变压器，V U U N N 110/220/21=，原方匝数相同，空载电流II I I I 00≠，今将两台变压器原线圈顺向串联接于440V 电源上，问两台变压器二次侧的空载电压是否相等，为什么？2-15变压器负载时，一、二次线圈中各有哪些电动势或电压降，它们产生的原因是什么？写出它们的表达式，并写出电动势平衡方程？2-16变压器铁心中的磁动势，在空载和负载时比较，有哪些不同？2-17试绘出变压器“T ”形、近似和简化等效电路，说明各参数的意义，并说明各等效电路的使用场合。
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A
N
Z
B
S
Z
S
A
B
X
iB
Im
N
Y
C
i i A i B iC
t
极对数
p2
0
旋转磁场的磁极对数 与三相绕组的排列有关
4.旋转磁场的转速
旋转磁场的转速取决于磁场的极对数 N p=1时
n0 60 f1 (转/分） 0 o 工频： f1 50 Hz
Im Im
i i A
i B iC
同步发电机定子结构
汽轮发电机定子下线
汽轮发电机转子1
汽轮发电机转子2
汽轮发电机转子3
汽轮发电机转子4
水轮电机组装
水轮电机组装
异步电动机的种类
从不同角度看，有不同的分类法： （1）按定子相数分有 ① 单相异步电动机；② 两 相异步电动机； ③ 三相异步电动机。 （2）按转子结构分有 ① 绕线式异步电动机；② 鼠笼式异步电动机。后者又包括单鼠笼异步电动 机、双鼠笼异步电动机和深槽式异步电动机。 此外，根据电机定子绕组上所加电压的大小，又有 高压异步电动机、低压异步电动机之分。从其它 角度看，还有高起动转矩异步电机、高转差率异 步电机、高转速异步电机等等。
动画
t
iB B
iC
Y X Z C
Z
A A
A A
S
Y
Z C
Y
S
结论： 任意调换两根 电源进线，则旋转 磁场反转。
N
B
C
B
N
X
X
t 0
t 60
3.旋转磁场的极对数P
iA
A
Z X Y
Im
i i A
i B iC
t
A Y
o
B
iC C
iB
N
Z
当三相定子绕组按 图示排列时，产生一对 磁极的旋转磁场，即：
二、 电动机的转动原理
1. 转动原理 定子三相绕组通入三相交流电
Y
v
C
A
n0
Z
N
F F
B
60 f1 n0 (转/分） p 旋转磁场
方向:顺时针 切割转子导体
S
X
Blv
右手定则
感应电动势 E20
感应电流 I2 旋转磁场
电磁转矩T
Bli
左手定则
电磁力F
n
三、 转差率
由前面分析可知，电动机转子转动方向与磁场 旋转的方向一致，但转子转速 n 不可能达到与旋转 磁场的转速相等，即 异步电动机 n n0 如果: n n0 转子与旋转磁场间没有相对运动，磁通不切 割转子导条 无转子电动势和转子电流 无转矩 因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。 旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与 旋转磁场的同步转速之比称为转差率。
电动机的分类： 同步电动机 交流电动机 电动机 直流电动机 异步电动机 三相电动机 单相电动机
他励、并励电动机
串励、复励电动机
第六章 交流电机电枢绕组 的电动势与磁动势
交流电机主要包括异步电机和同步电 机两大类；两类电机在结构上既具有 共同之处，又各有其自身特点。 共同之处在于定子铁心和绕组，不同 之处在于转子结构和绕组。 交流电机的共同问题包括： (1)三相交流绕组的结构； (2)三相交流绕组产生的磁势分析； (3)三相交流绕组产生的感应电势分析；
三相电流合成磁 场 的分布情况
Im
i iA
i B iC
t
o
600
A
n0
A Y
60
Y
A Z C
N
Z C
Y
N
Z
S
X
N
B
C X
S
S
X B
B
t 90 t 60 t 0 合成磁场方向向下 合成磁场旋转60°合成磁场旋转90°
分析可知：三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场 即：一个电流周期，旋转磁场在空间转过360° 2.旋转磁场的旋转方向 取决于三相电流的相序 i i 任意调换两根电源进线 i B iC A Im Im (电路如图) iA A 0 o
S
t
n0 3000 (转/分）
A
N
Y C
Z Y B
A
A
S
C N
Z
Y B C
N
Z B
S
X
S
X
X
p=2时
C
X
Y
A
N
30
Z
C
B
Y
A
Z
X
S
N
n0
B
B
S
Z
S
A
X
B
S
X
N
Y
C
Z
N
A Y
C
t 0
Im
t 60
i i A i B iC
t
60 f1 n0 1500 (转/分） 2
鼠笼式电动机与绕线式电动机的的比较： 鼠笼式： 结构简单、价格低廉、工作可靠；不能人为改 变电动机的机械特性。
绕线式： 结构复杂、价格较贵、维护工作量大；转子 外加电阻可人为改变电动机的机械特性。
三相异步电动机的转动原理
一、 旋转磁场
1.旋转磁场的产生 定子三相绕组通入三 相交流电(星形联接)
iA
i A I m sint iB I m sint 120 iC I m sint 120
Im
A Z X Y
i i A
i B iC
t
iC C
iB
o
B
i i i i C A B Im
o
()电流入
Y C
X
A
n0
Z
t
B
规定 i : “+” i : “–” 首端流入，尾端流出。 尾端流入，首端流出。 (•)电流出
三相异步电动机的构造
1.定子
铁心：由内周有槽 的硅钢片叠成。
三相绕组
A ----X B ----Y C---- Z
机座：铸钢或铸铁
鼠笼式
2.转子
绕线式 鼠笼转子
铁心：由外周有槽的硅钢片叠成。 (1) 鼠笼式转子
铁芯槽内放铜条，端 部用短路环形成一体。 或铸铝形成转子绕组。 (2) 绕线式转子 同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形。 转子: 在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电 流。
0
旋转磁场转速n0与极对数 p 的关系 60 f1 n0 (转/分) p 极对数
同步转速 每个电流周期 磁场转过的空间角度 ( f1 50Hz )
p 1
p2
p3
p4
360
180
3000(转/分）
1500(转/分）
120
1000(转/分）
750 (转/分 ）
90
可见: 旋转磁场转速n0与频率f1和极对数p有关。
C X
S
B
p 1
t 0
若定子每相绕组由两个线圈串联 ，绕组的始端 之间互差60°，将形成两对磁极的旋转磁场。
iA
iC
C
X A' Z' X' C' Y' Y B' Z
B
C
X
Y A
Z`
B X
B Z
A Y
C
iB
iA
A
iC
C
X A' Z' X' C' Y' Y B' Z
B
C
X
Y
n (1 s )n0 异步电动机运行中: s (1 ~ 9)%
n0 n 100% s 转差率s n 0 转子转速亦可由转差率求得
例1：一台三相异步电动机，其额定转速 n=975 r/min，电源频率 f1=50 Hz。试求电动机的 极对数和额定负载下的转差率。 解： 根据异步电动机转子转速与旋转磁场同步转 速的关系可知：n0=1000 r/min , 即 p=3 额定转差率为