交流电机绕组
AC Motor Windings

在发电机中绕组是产生电动势的部件,在电动机中绕组是产生机械力的部件,电机绕组是能量转换的主要部件,绕组是电机中最重要的部件,定子铁心转子铁芯只是为了减少磁阻,增大磁通的磁路。

在直流电机中有定子绕组与转子绕组,在交流电机中同样有定子绕组与转子绕组,本课件介绍交流电机绕组的基础知识。

交流电机主要有单相电机多相电机,多相电机主要是三相电机

在本栏目“三相交流发电机原理模型”课件中介绍了三相交流发电机的原理,在电动机栏目中“三相交流电产生的旋转磁场”课件中介绍了三相交流电的特点。那里的模型用的是单圈导线代表绕组,距实际应用有点距离,在本课件中我们介绍实际交流电机绕组的基本结构。

图1是一个交流电机的定子铁芯,由多片冲压成形的硅钢片叠成,在铁芯内圆周均匀分布着齿与槽,定子线圈嵌放在槽内。

交流电机定子铁芯

图1--交流电机定子铁芯

圆周排列的线圈不易观看与分析,在描述一个电机绕组的布置与连接时,通常采用展开图来表示,也就是把在圆柱面的铁芯展开成平面,铁芯槽中分布的绕组也展开成平面,就直观多了。

一个电机的绕组由多个线圈组成,在图2中介绍了在展开图中线圈的表示方法。

  -线圈的表示图
图2--线圈的表示图

图2左图是一截铁芯上的一个线圈,一个线圈是由多圈导线绕制而成,是多匝线圈,嵌在铁芯槽内的部分称为有效边,在铁芯两边的称为端部,可以理解为线圈的有效边是参与切割主磁场,是有效部分,而线圈在槽外部分仅起连接有效边的作用。线圈的两个线端称为首端尾端,本课件中按绕制方向定义首端与尾端。

为简单清晰的表示,在展开图中用线框来表示线圈,图2中图是用开口线框表示只有一匝的线圈(在复杂的图中也用来表示多匝线圈),图2右图是用闭合线框表示多匝线圈。一个线圈的两个有效边间隔的槽数称为节距 y,图2中线圈的节距为3。

绕组的分类

按槽内线圈的层数分为单层绕组、双层绕组、多层绕组。 在单层绕组中有链式绕组、同心式绕组、交叉式绕组,在双层绕组中有叠绕组与波绕组,这仅是常见的分类。

单层叠式绕组 同一相的几个线圈叠在一起,后一个线圈叠在前一个线圈后面。图3右图是绕组的展开图,左图是展开的立体图。

图3--单层叠式绕组
单层同心式绕组 同一相的几个线圈根据需要一个套一个按同心排列,图4是2个同心线圈的展开立体图。

单层同心式绕组立体图

图4--单层同心式绕组立体图
图5是两个同心线圈组成的绕组的展开图,左图有两个线圈连接线。在许多展开图中采用简单画法,中图是用直接连接方法表示两个线圈的连接;右图是省去连接线的表示方法。

单层同心式绕组展开图

图5--单层同心式绕组展开图
单层链式绕组 同一相的几个线圈根据需要一个接一个呈链式排列,图6右图是绕组的展开图,左图是展开的立体图。

单层链式绕组

图6--单层链式绕组
双层叠绕式绕组 两个线圈根据需要一个的一个边叠在另一个的一个边上,图7右图是绕组的展开图,左图是展开的立体图。

双层叠绕式绕组

图7--双层叠绕式绕组
以上只是常见的绕组形式,其他形式请自找资料查阅。
交流电机绕组构成基础

交流电机中具体的绕组构成主要依据以下几个数据:

磁极对数p,磁极对数p的电机的磁极个数为2p。例如1对磁极的电机在每秒50周的三相交流电产生的旋转磁场为每分钟3000转,2对磁极的电机在每秒50周的三相交流电产生的旋转磁场为每分钟1500转。

极距τ,每个极所占的宽度(用槽数计量),τ=Z/2p   Z为定子的总槽数

相带q,每个极下每相所占的宽度(用槽数计量), q=Z/2pm   m为相数

例如:对于一台总槽数为24,有2对磁极的三相电机,其极距为6,相带为2。

采用相带划分来设计绕组是一种基本的方法,简单易行,主要步骤为:

1. 首先确定电机的相数,电机的极数,确定绕组的形式

2. 绘出有所有槽的圆图

3. 计算每极与每相的槽数

4. 计算极距与节距

5. 划分相带

6. 连接端部,构成线圈 7. 连接线圈,构成绕组

对于较复杂的绕组需其他方法,本课件仅介绍相带划分法。

单相交流电机绕组构成
由于单相交流电不能产生旋转磁场,实际应用是把单相交流电分成二相交流电U相与V相,两相间相位相差90度,所以单相交流电机绕组实际是二相交流绕组。下面举例介绍单相交流电机绕组的构成。
单相2极8槽单层链式绕组

二相交流绕组由两个相互垂直的绕组组成,对于2极电机有2相绕组,最简单是一个绕组仅一个线圈,整个电机只需2个线圈4个槽。只有4个槽的铁芯利用率太低,实际电机至少是8个槽,对于8槽定子极距为4,相带宽度为2。

在图8右图中右图是圆形图,圆形图较直观。先分配1号槽至4号槽为北极,分配5号槽至8号槽为南极。在N极(北极)下分配1号槽与2号槽为U相带,分配3号槽与4号槽为V相带。在S极(南极)下分配5号槽与6号槽为U相带,分配7号槽与8号槽为V相带,见图中彩色标记。

在图上的槽内有效边标上导线的绕制方向(首端到尾端),在同一极下相邻的相带方向相反。

在U相带建立线圈,1号槽与6号槽为一个线圈,定1号槽为首端;2号槽与5号槽为另一个线圈,定2号槽为首端,2个线圈首尾相连组成U相绕组,定2号槽为U1端,6号槽为U2端。

在V相带建立线圈,3号槽与8号槽为一个线圈,4号槽与7号槽为另一个线圈,2个线圈首尾相连组成V相绕组,定8号槽为V1端,4号槽为V2端。

U相绕组与V相绕组成90度角。图8左图是按此规则排列的展开图。

单相2极8槽单层链式绕组

图8--单相2极8槽单层链式绕组
 单相4极16槽单层链式绕组
对于转速慢一倍的单相电机采用4极电机,下例是单相2极16槽电机,仍采用单层链式绕组,就不再进行解析了,仅显示布线图。图9是圆形图,图10是展开图。

单相4极16槽单层链式绕组圆图

图9--单相4极16槽单层链式绕组圆图

单相4极16槽单层链式绕组展开图

图10--单相4极16槽单层链式绕组展开图
单相2极16槽单层同心式绕组
图11是采用单层同心式绕组的2极16槽电机圆图,图12是采用单层同心式绕组的2极16槽电机展开图。

单相2极16槽单层同心式绕组圆图

图11--单相2极16槽单层同心式绕组圆图

单相2极16槽单层同心式绕组展开图

图12--单相2极16槽单层同心式绕组展开图
 
在后续课件将介绍三相交流电机的绕组
 
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