技能培训资料：什么是电动机.docx

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： 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。 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 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 电机的气隙是一个闭合的圆周，一个闭合圆周的角度是360(或2)，这360(2)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。 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=Emsint，其中正弦(sin)后面的t也代表的是一个角度，这个角度被称为电角度。 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360，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360的电角度，若气隙圆周上有p对极，则每旋转一圈(360机械角度)，就相当于扫过了p360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：=p 对于两极电机(p=1)，电角度与机械角度就是相等的，电角频率也与机械角速度相等。电槽距角和机械槽距角 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360/Z1。 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 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。 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。 我们知道一个极的电角度范围是180，对于三相绕组，那么每相就平均占有60的范围，因此我们称三相绕组的相带是60相带，如图2所示，如果是m相绕组，那么每相就占有180/m电角度的范围，因此m相绕组的相带就是180/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180/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 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/(2pm) 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 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 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。 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。 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： 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。 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nN根导线，但每槽导体数不是nN，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。 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 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。 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。 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。