技能培训资料:什么是电动机
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2024-10-04
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电机是一种基于电磁效应的机电能量转换装置,因此电机里离不开
电和磁,而电机中的绕组则是电和磁的桥梁,在绕组中通以电流,
就会在电机气隙中产生磁场;气隙磁场相对于绕组做切割磁力线运
动,就会在绕组中产生感应电势;而通电的绕组在气隙磁场中又会
产生电磁力(转矩)。由此可见,绕组是机、电、磁的枢纽,在电机
中起到核心的作用。电机绕组由许多导体通过一定的连接方式连接
而成,不同的绕组匝数、导体截面、空间分布、连接方式、绝缘等
级等绕组结构参数,所体现出的电磁性能、力能指标也不同,可以
说电机绕组从很大程度上决定了电机的各项性能,因此人们常把绕
组称作是电机的“心脏”。绕组同时也是电机中最复杂的组件,无
论是结构、材料、电气连接还是成型工艺、嵌装工艺、绝缘处理等
各方面,所涉及的专业面广,技术复杂,相互影响因素多,对电机
的性能影响大,设计制约因素也多。绕组的设计及电磁性能的分析
涉及的理论知识较为复杂,特别是绕组的磁势和电势谐波分析,是
一大难点,电机绕组的种类繁多,从电机绕组的功能和作用来分:
有励磁绕组、阻尼绕组、电枢绕组等类别。励磁绕组主要是用来产
生电机的气隙磁场或改变气隙磁场分布的,通常通以直流电流,常
见的励磁绕组有同步电机的励磁绕组(常布置在同步电机转子测)和
直流电机的主极绕组、换相极绕组、补偿绕组(常布置在直流电机的
定子侧);阻尼绕组通常是自行短路的绕组,布置在同步电机的转子
上,对同步电机的振荡起阻尼作用,还可对同步电动机起到起到作
用;电枢绕组是用于机电能量转换的,电枢绕组又分交流电枢绕组
和直流电枢绕组,其中交流电枢绕组是指交流电机电枢上嵌装的绕
组,同步电机和异步电机都属于交流电机,它们的电枢多为定子侧,
无论是同步电机还是异步电机,它们的定子绕组是一样的,因此统
称交流电机的电枢绕组为交流绕组或交流电机的定子绕组;除此之
外还有直流电机的电枢绕组 ,常嵌装于直流电机的转子上,也称直
流电机的转子绕组,通常直流电枢绕组与换向器连接,因此直流电
枢绕组也称换向器绕组。由于励磁绕组和阻尼绕组的结构和原理相
对比较简单,这里只介绍电枢绕组,特别是交流电枢绕组,简称交
流绕组。
导体和线圈端部:
Þ Þ Þ所谓导体,也叫线圈的直线边或有效边,顾名思义是电机
的导电部分,通常用铜或铝等电的良导体包覆上绝缘制成,嵌放在
电枢铁心的槽内,是用来感应电动势和通电后产生磁场的有效部分,
也就是说导体是嵌装在铁心槽内的导线棒。
Þ Þ Þ只有导体是不能构成闭环电路的,必须在铁心的两端用导
线按照一定的规律把不同的导体连接起来才能构成回路,这些在端
部把不同导体连接起来的导线称为线圈端部,简称端部。通常线圈
端部与所连接的导体用同样的材料制成,对高压电机,有时为了加
强端部的绝缘,还要在端部增加一些绝缘和防电晕的材料。如图 1
所示。
极数和极对数
Þ Þ Þ电机是基于电磁效应的机电能量转换装置,因此电机里面
就少不了磁场,既然有磁场就必然有磁极。电机的气隙圆周上分布
着许多磁极,这些磁极的个数叫做极数。由于在旋转电机的气隙圆
周上分布的磁极都是 N极和 S极成对出现的,有时为了论述方便,
也常用到极对数的概念,极对数就是极数除以 2 得到极对数,通常
极对数用 p 表示,极数就是 2p。
机械角度和电角度
Þ Þ Þ电机的气隙是一个闭合的圆周,一个闭合圆周的角度是
360º(或 2π),这 360º(2π)的角度就称作整个气隙圆周的机械角度,
如果某些论述中指的不是整个气隙圆周,而是圆周的某一部分(圆
弧),那么这一部分圆弧的实际几何角度就叫作这部分圆弧的机械角
度。
Þ Þ Þ电机气隙圆周上分布着许多对磁极,设这些磁极的磁场是
按正弦分布的,当这些磁极旋转时,定子槽内的导体就会感应出交
流电势,感应电势为 e=Em•sinωt,其中正弦(sin)后面的 ωt 也代
表的是一个角度,这个角度被称为电角度。
Þ Þ Þ显然旋转磁场每扫过一对磁极,导体内的感应电势就会变
化一次,意味着电角度变化了360º,也就是说磁场每转过一对磁极
的机械角度,就相当于扫过了 360º 的电角度,若气隙圆周上有 p对
极,则每旋转一圈(360º 机械角度),就相当于扫过了 p•360º 的电角
度,因此电角度和机械角度的关系就是:电角度=p•机械角度,相应
地:电角速度(或角频率)=p•机械角速度,即:
ω=p•Ω Þ Þ Þ Þ Þ Þ ⑴
对于两极电机(p=1),电角度与机械角度就是相等的,电角频率 ω
也与机械角速度Ω相等。
电槽距角和机械槽距角
Þ Þ Þ电枢(定子)铁心圆周上均匀开有许多的槽,导体就是嵌放
在这些槽内。相邻两个槽之间间隔的几何角度称为机械槽距角,若
电枢铁心圆周上均匀开有 Z1 个槽,则机械槽距角就是 360º/Z1。
Þ Þ Þ当磁场旋转时,定子槽内导体就会被旋转磁场依次扫过,
前面的槽内导体总是被先扫过,后面槽内的导体被依次后扫过,因
此后面槽内导体中的感应电势总是滞后前面槽内导体中的感应电势,
也就是说相邻两个槽内导体的感应电势总是存在着一定的相位差,
这个相位差显然是一个电角度,我们把相邻两槽内导体感应电势的
相位差称为电槽距角。由于电角度与机械角度的关系是:电角度=p•
机械角度,因此:电槽距角=p•机械槽距角。由于电槽距角这个概念
在许多文献中,包括本系列文章后续论述中会经常用到,而机械槽
距角用得较少,因此通常把电槽距角简称为槽距角,因此在没有特
别说明的情况下,后续内容中出现的槽距角都是指电槽距角,如果
用到机械槽距角会专门用全称以示区别。
相数和相带
Þ Þ Þ导体通过一定的连接方式连接起来就构成了绕组,电机运
行时,总是有某些导体中的电流相位是相同的,我们称这些具有同
相位电流的导体组成的绕组叫一相绕组,不同相绕组中的电流相位
是不同的,有多少个不同相位的绕组就称相数是多少。只有一相绕
组的电机叫单相电机,相数为 2及2以上的电机为多相电机,理论
上电机绕组的相数可以是任意正整数,常见电机绕组的相数包括单
相、三相、五相、六相…等,最为常见的还是三相。
Þ Þ Þ 所以一相绕组是由许多内部电流同相位的导体连接而成的,
同一相绕组中的导体在一个极下往往是集中分布在一定角度范围内
的槽里,我们把一个极下属于同一相绕组所占的槽的电角度分布范
围叫做相带。这样的定义显得比较拗口,你可能不大好理解,也就
是首先相带是指一个角度范围,这个角度范围是指电角度范围;其
次,在这个电角度范围内的槽里嵌放的所有导体(如果是双层绕组,
指所有上层边导体或下层边导体)都属于同一相绕组,不存在其它不
同相的导体;第三,同一相绕组的导体都分布在这个电角度范围内,
没有导体分布超出这个电角度范围。
Þ Þ Þ我们知道一个极的电角度范围是180º,对于三相绕组,那
么每相就平均占有60º 的范围,因此我们称三相绕组的相带是60º
相带,如图2所示,如果是m相绕组,那么每相就占有180º/m 电角
度的范围,因此 m相绕组的相带就是 180º/m 相带。需要提醒的是,
这里说的相带是平均相带范围,实际电机的绕组可能在不同极下分
布的相带范围不一样,可能会出现同一相绕组在不同极下相带不相
等,或同一极下不同相的绕组相带也不相等,即出现所谓的“大小
相带”情况,但无论什么情况,它们的平均相带都是 180º/m。关于
实际电机绕组的相带划分和绕组分布,非常复杂,我们会在后续的
内容中详述,这里只是先给个温馨提示。
每极每相槽数
Þ Þ Þ电枢铁心上开有许多的槽,我们又把它们分配到各个极和
各个相里。所谓每极每相槽数,就是每个极每相分得的槽数,即总
槽数除以极数再除以相数就得到每极每相槽数。设定子总槽数为
Z1,极数为 2p,相数为 m,则每极每相槽数:
q=Z1/(2p•m) Þ Þ Þ Þ ⑵
Þ Þ Þ 需要指出的是,这个每极每相槽数 q可能是一个整数,我
们称这种绕组为整数槽绕组;也可能是一个除不尽的分数,我们称
这种绕组为分数槽绕组。对于分数槽绕组,每极每相槽数 q是一个
分数,而实际电机中槽数不可能有分数,因此对于分数槽绕组,q
指的是每极每相所占槽数的平均值,实际电机中一相绕组会在有的
极所占槽数多,有的极所占槽数少,但平均值为q。
线圈和线圈的匝数
Þ Þ Þ通过端部把不同两个槽内的导体连接起来就构成一个完整
的线圈。一个线圈可能只有两个导体串联而成,我们称之为单匝线
圈,也就是说单匝线圈就是只绕一圈的线圈,它包括两个导体;如
果线圈绕了 N圈,就称之为 N匝线圈,这个N就叫线圈的匝数,也
就是线圈绕的圈数。一个N匝线圈由 2N 个导体串联而成。
并绕根(股)数和每槽导体数
Þ Þ Þ电机运行时,线圈里是有电流存在的,如果线圈中的电流
比较大,就需要用更粗一些的导线来绕制,但导线太粗时绕线就比
较困难,使得线圈制造的工艺性不好,同时导线太粗,通交流电流
时会存在集肤效应和临近效应等问题,使得导线的利用率降低,为
了解决这些问题,往往采用多根(股)导线并绕的方式来绕制线圈,
也就是采用一束截面较细的导线来代替一根截面较粗的导线来绕制,
这一束截面较细的多根导线其实就相当于一根截面较粗的导线,我
们把这一束细导线的根数称为并绕根数,也叫并绕股数。
Þ Þ Þ导体都是嵌放在槽内的,一个槽内嵌放了多少根导体,就
叫作每槽导体数。
Þ Þ Þ关于并绕根(股)数和每槽导体数这两个术语,经常有人在
概念上弄混淆,这里补充解释三点:
Þ Þ Þ① 如果线圈是单根导线并绕的,那么每个槽内有多少根导
线,每槽导体数就是多少。
Þ Þ Þ② 如果线圈是由多股(设为 n 股)导线并绕的,那么这n 股
导线相当于一根导体,如果这n 股导线并绕了 N匝,那么对于单层
绕组,在一个槽里会有 n•N 根导线,但每槽导体数不是 n•N,而是
N;对于双层绕组,每槽导体数应该是上下两层线圈边的导体数总和。
Þ Þ Þ③ 并绕根数和每槽导体数的本质区别在于:并绕的各股导
线之间是并联关系,在同一个位置截面上,各股之间是等电位的(忽
略集肤效应和临近效应时),从这个角度看,股间可以不需要绝缘,
但考虑到集肤效应和临近效应,股间通常还是需要一定的绝缘的,
只不过因集肤效应和临近效应产生的电势差很小,所以股间绝缘可
以比较简单、较薄,以致于有的用表面氧化层作为股间绝缘;而每
槽导体中的各导体之间是串联关系,不同导体之间存在电势差,需
要用匝间绝缘来隔离开来。
线圈组、每相串联匝数、并联支路数
Þ Þ Þ用线圈端部把两个槽内的导体串联起来就构成了一个线圈,
一个线圈的匝数可以是 1匝(单匝)或多匝,再把一个或若干个相带
内的线圈串联起来就构成一个线圈组,也叫极相组。极相组是构成
绕组的基本单元,一个电机中可能有一个或多个极相组,每个极相
组均有一个共同的特点,就是同一相里所有的极相组产生的感应电
势都是大小相等,相位相同(或相反)的,每相的各个极相组之间可
以串联也可以并联,可以根据电磁设计的需要,灵活地进行各种串
并联连接。
Þ Þ Þ每相串联匝数是指每相中所有串联线圈的匝数之和。这里
要特别强调,串联!串联!串联!重要的事说三遍,是所有串联线
圈的匝数之和,多路并联时,只看一条并联支路的总匝数即为每相
串联匝数。举个例子如图3所示:某相绕组由四条支路并联而成,
每条支路有九只线圈串联而成,每个线圈的匝数是七匝,那么该绕
组的每相串联匝数为 9*7=63 匝,而不是 9*7*4=252 匝!有时为了论
述方便,用每相串联导体数,由于每匝包括两个导体,因此每相串
联导体数 N和每相串联匝数 W的关系为N=2W。
Þ Þ Þ由于极相组之间可以串联也可以并联,每相绕组并联支路
的条数称为并联支路数,如果把所有的极相组都并联起来,就构成
了最大并联支路数,最大并联支路数对电机设计具有重要的意义,
最大并联支路数越多,绕组的串并联组合方式就越多,设计的灵活
性就越大。最大并联支路数取决于每相的极相组数,有多少个极相
组最多就可以得到多少条并联支路,而每相能有多少个极相组,则
取决于极数、相数、槽数以及绕组种类等多种因素。
摘要:
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电机是一种基于电磁效应的机电能量转换装置,因此电机里离不开电和磁,而电机中的绕组则是电和磁的桥梁,在绕组中通以电流,就会在电机气隙中产生磁场;气隙磁场相对于绕组做切割磁力线运动,就会在绕组中产生感应电势;而通电的绕组在气隙磁场中又会产生电磁力(转矩)。由此可见,绕组是机、电、磁的枢纽,在电机中起到核心的作用。电机绕组由许多导体通过一定的连接方式连接而成,不同的绕组匝数、导体截面、空间分布、连接方式、绝缘等级等绕组结构参数,所体现出的电磁性能、力能指标也不同,可以说电机绕组从很大程度上决定了电机的各项性能,因此人们常把绕组称作是电机的“心脏”。绕组同时也是电机中最复杂的组件,无论是结构、材料、电...
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