电机学课件笔记下
Notes on Electrical Machinery
南京林业大学
《电机与电力拖动》课程
目
录
目 录 ........................................................................................................................... I
第 4 章 交流电机共同问题.......................................................................................... 1
4.1 交流电机原理.................................................................................................. 1
4.2 交流绕组的基本概念...................................................................................... 7
4.3 交流绕组的基本构成.................................................................................... 14
4.4 单层交流绕组................................................................................................ 20
一、 单层集中整距绕组.......................................................................... 20
二、 单层分布整距绕组.......................................................................... 21
4.5 双层交流绕组................................................................................................ 24
一、 双层分布整（短）距绕组.............................................................. 24
二、 交流绕组小结.................................................................................. 28
4.6 单相交流绕组的磁动势................................................................................ 29
一、 单相单层集中整距绕组的磁场...................................................... 29
二、 单相单层分布整距绕组的磁场...................................................... 31
三、 单相双层分布短距绕组的磁场...................................................... 35
4.7 单相交流绕组脉振磁动势分解.................................................................... 40
4.8 三相旋转磁动势分析.................................................................................... 44
一、 三相旋转磁场图解法...................................................................... 44
二、 三相旋转磁场解析法...................................................................... 44
三、 三相旋转磁场矢量合成法.............................................................. 45
四、 三相旋转磁场特点总结.................................................................. 46
五、 旋转磁动势特点分析（略）.......................................................... 48
六、 三相绕组谐波磁动势...................................................................... 48
七、 交流电机磁路分析.......................................................................... 52
4.9 交流绕组电动势............................................................................................ 54
一、 基波电动势...................................................................................... 55
二、 谐波电动势...................................................................................... 59
I
第 4 章 交流电机共同问题
4.1 交流电机原理
交流电机里最主要的两个电机：
异步电机（感应电机）、同步电机
1
2
3
4
5
交流电机共同问题：
旋转磁场、以及产生旋转磁场的交流绕组
即包括以下三部分内容：
交流绕组的基本结构、磁势、电势
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4.2 交流绕组的基本概念
三相绕组在：
空间和时间
上均是对称的！
7
结论：
 1 对极在旋转；
 电变化 1 周，磁场（极）变化 1 周；
Q：
 怎样增加磁极对数？
 电、磁之间变化的比例关系会不会发生变化？
8
结论：
 2 对极在旋转；
 电变化 1 周，磁场（极）变化 1/2 周；
以此类推，p 对极的结论；
 p 对极在旋转
 电变化 1 周，磁场变化 1/p 周；（磁 1 周，电 p 周） 埋下伏笔！
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 叠叠之间串联构成链式；
 叠式每个线圈的节距是一样的；
 同心式的节距不同（外圈大内圈小），目的在于端接部分
无层叠现象，以增强绝缘性能；优：绝缘性能好；缺：
线圈规格不一致，制作及嵌放工艺复杂；详见 4.4-二
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13
4.3 交流绕组的基本构成
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一个线圈组（极相组）由 q 个线圈构成
17
一个线圈组（极相组）由 q 个线圈构成
单层绕组：每项有 p 个线圈；双层绕组每项有 2p 个线圈
总结交流绕组构成（以一相而言）：
×2
×Nc
×q
分情况
一根导体 —> 单匝线圈 —> NC 匝线圈 —> 线圈组 —> 一相绕组

每相绕组由：
p 个线圈组构成（单层绕组）；
2p 个线圈组构成（双层绕组）；
它们可串联可并联；
18
其中的一些对应概念：
 单层 vs. 双层
 整距 vs. 短距
 集中 vs. 分布
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4.4 单层交流绕组
一、 单层集中整距绕组
结论：实际的交流绕组不会集中布置
20
二、 单层分布整距绕组
21
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若串联：尾首相连，首尾引出（为了保持方向一致）
若并联：同端相连，分别引出（为了保持方向一致）
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4.5 双层交流绕组
一、 双层分布整（短）距绕组
上例与单层分布整距绕组的区别：
双层；整距 or 短距；并联支路数
一般情况： 单层—>整距
双层—>短距，以消除谐波
24
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（1）整距情况：
与单层分布整距绕组的区别：
每相线圈组由 2 个变为了 4 个（p —> 2p）；
（2）短距情况：
每相线圈组由 2 个变为了 4 个（p —> 2p）；
整距变短距
若串联：同端相连；
（为了保持方向一致）
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27
二、 交流绕组小结
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4.6 单相交流绕组的磁动势
一、 单相单层集中整距绕组的磁场
通入的交流电：i  2 I c sin t ，注：
sin t 亦可写成 cos t
结论：
 定转子之间各处气隙消耗的磁动势大小相同（iNc/2）；
 以 AX 为界，上、下方半周的磁动势方向相反；
29
Θ 空间变化；
ωt 时间变化；
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小结：
 单相单层集中整距绕组的磁动势：矩阵波，是脉振磁动势；
 该磁动势经傅里叶级数分解后的基波及各次谐波是正弦波；
仍然是脉振的；
问题：如何让矩形波变成想要的正弦波？
二、 单相单层分布整距绕组的磁场
31
求解思路：矢量叠加
结果：矩形波 —> 阶梯波
32
定量分析 q 个线圈，由集中变分布带来的影响（即分布系数 kq𝜐）
33
关于分布的小结：
 磁动势由矩形波变为阶梯波（更接近正弦波）；
 因为其中基波分量几乎保持不变，谐波分量大幅下降；
 分布系数：
v
2
kqv 
v
q sin
2
sin q
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三、 单相双层分布短距绕组的磁场
35
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4.7 单相交流绕组脉振磁动势分解
1
2
注：使用的是积化和差公式： sin  cos   sin(   )  sin(   ) 
后续研究的主要是基波分量
Q：θ 轴是什么？
A：电机中气隙所处的空间位置。（旋转空间）
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驻波、行波的动画实例参考：
https://en.wikipedia.org/wiki/Standing_wave
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A：由三相脉振磁动势合成
小结：

单相交流绕组的磁动势本身、基波、谐波均是脉振的，即是驻波；

基波的正向基（谐）波的正（反）向分量，可理解为一个正弦波，
它随着时间的推移，不断地在 θ 轴上平移，即旋转的，是行波。；

正（反）向分量旋转的角频率即未通入交流电的角频率 ω；

正（反）向分量在幅值、角频率上相同；在旋转的方向上相反；
单相交流绕组通入正弦交流电产生的是脉振磁势，该脉振磁势可
以分解为两个旋转速度、幅值相同，但旋转方向相反的旋转磁势。
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4.8 三相旋转磁动势分析
一、 三相旋转磁场图解法
前文已介绍，详见 4.2 节
二、 三相旋转磁场解析法
通入三相对称电流，时间上对称；通在三相对称绕组，空间上对称
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令 A = ωt + θ，可得：
右红框 = sinA+sin(120°+A)-sin(120°-A)
= sinA+sin120°cosA+cos120°sinA-(sin120°cosA-cos120°sinA)
= sinA+ 2cos120°sinA
= sinA - 2cos60°sinA
= sinA-sinA
= 0
三、 三相旋转磁场矢量合成法
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四、 三相旋转磁场特点总结
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五、 旋转磁动势特点分析（略）
1、产生圆形旋转磁场的条件
2、两相对称绕组形成的磁场
3、圆形旋转磁场 vs.椭圆形旋转磁场
六、 三相绕组谐波磁动势
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ν 次谐波波长为基波的 1/ν；极对数为基波的 ν 倍，极距为基波的 1/ν
A：不能完全消除，只能抑制和削弱
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七、 交流电机磁路分析
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4.9 交流绕组电动势
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一、 基波电动势
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二、 谐波电动势
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让 q 为分数
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