同步电机绕组的制造与维护

【学习任务】（1）正确说出同步电机绕组的基本概念。

（2）正确说出同步电机绕组的构成原则。

（3）正确绘制三相双层叠绕组的展开图。

（4）正确绘制三相双层波绕组的展开图。

（5）正确说出三相双层绕组的特点。

微课13.2同步电机的绕组

同步电机与异步电机一样，其定子绕组（电枢绕组）都可称为交流绕组，它们是电机实现机电能量转换的主要部件之一，是电机的电路组成部分。研究交流绕组是研究电机电磁关系、电动势、磁动势的关键，下面介绍同步电机定子绕组的基本知识。

1.定子绕组的构成原则

在制造线圈构成绕组时，对定子绕组提出以下原则：

（1）在一定导体数下，获得较大的电动势和磁动势。

（2）对于定子三相绕组，各相电动势和磁动势要对称，各相阻抗要平衡。

（3）绕组的合成电动势和磁动势在波形上力求接近正弦波。

（4）用铜量要少，绝缘性能和机械强度要高，散热好，制造、检修方便。

一台电机的定子绕组首先由绝缘漆包铜线经绕线机绕制成单匝或多匝线圈，再由若干个线圈组成线圈组；各线圈组电动势的大小和相位相同；根据需要，各相线圈可并联或串联，从而构成一相绕组；三相绕组之间可接成Y形或△形。

线圈是组成绕组的最基本的单元，也叫元件，每一嵌放好的绕组元件都有两条切割磁力线的边，称为有效边，有效边嵌放在定子铁芯的槽内。在双层绕组中，一条有效边在上层，叫上层边；另一条在下层，叫下层边，在槽外用以连接上、下层边的部分称为端接。如图13－19所示。

图13－19　三相双层叠绕组

（a）绕组元件示意图；（b）双层叠绕组元件构成；
（c）双层叠绕组上、下层圈边连接示意图

2.交流绕组的有关概念

1）电角度和机械角度

电机圆周在几何上分为360°，这个角度称为机械角度。从电磁的观点看，一对磁极所占空间为360°，这是电角度。若导体切割正弦磁场，经过一对N、S极时，电磁感应产生的电动势的变化正好也是一个周期，即360°。根据以上观念，有

若电机的磁极对数为p，则电机定子内腔整个圆周有p×360°电角度。

2）极距τ与节距y

相邻的一对磁极，轴线间沿气隙圆周即电枢表面的距离叫极距。极距τ既可用电角度表示，也可以用定子表面长度表示，但在电机学上通常用每个极面下所占的槽数表示。如定子槽数为Z、磁极对数为p（极数为2p），则极距用槽数表示时为

同一线圈的两个有效边间的距离称为第一节距，用y1表示；第一个线圈的下层边与第二个线圈的上层边间的距离称第二节距，用y2表示；第一个线圈与第二个线圈对应边间的距离称合成节距，用y表示。由图13－20可见，叠绕组的y＝y1－y2＝1，波绕组的y＝y1＋y2＝2τ。

y1＝τ称为整距绕组，y1＜τ称为短距绕组，y1＞τ称为长距绕组。长距绕组与短距绕组均能削弱高次谐波电动势或磁动势，但长距绕组的端接部分较长，故很少采用。短距绕组由于其端接部分较短，故采用较多。

图13－20　绕组节距

（a）叠绕组；（b）波绕组

3）槽距角α

槽距角是指相邻槽间的距离用电角度表示。电机定子的内圆周是p×360°电角度，被其槽数Z所除，可得槽距角α为

4）每极每相槽数q与线圈组

每相绕组在每个磁极下平均占有的槽数称为每极每相槽数q，若电机的相数为m，则有

将同一相带的q个线圈按一定规律连接起来构成一个线圈组（也叫极相组），将属于同一相的所有线圈组并联或串联起来，构成一相交流绕组。

5）相带

每个磁极极面下每相连续占有的电角度叫相带，交流电机一般采用60°相带。

6）并联支路数a

每相交流绕组形成的并联支路数目。

7）线圈组数

3.定子绕组分类

同步电机和异步电机的电枢绕组都是交流绕组，其种类很多。按相数分，有单相、两相和三相绕组；按槽内层数可分为单层、双层绕组和单双层绕组；根据绕法可分为叠绕组和波绕组；根据节距是否等于极距可分为整距绕组和短距绕组；根据每极每相槽数是整数还是分数，可分为整数槽绕组和分数槽绕组。无论是哪种类型，构成交流绕组的原则是一致的。

三相单层绕组在模块二已经叙述，这里仅以三相双层绕组为主，研究交流绕组的连接规律。

双层绕组的每个槽内放置上、下两层线圈边，如图13－19（c）所示。每个线圈的一个有效边放置在某一槽的上层，另一个有效边则放置在相隔节距为y1的另一槽的下层，整台电机的线圈总数等于定子槽数。双层绕组所有线圈尺寸相同，便于绕制，端接部分排列整齐，有利于散热，且机械强度高。合理选择交流绕组的节距y1可改善电动势和磁动势波形。

双层绕组的构成原则和步骤与单层绕组基本相同，根据双层绕组形状和端部连接方式不同，可分为三相双层叠绕组和三相双层波绕组两种。

4.三相双层叠绕组展开图的绘制

以绘制Z＝36，2p＝4，a＝1的电机定子绕组展开图为例，来研究三相双层叠绕组的连接规律。绘制叠绕组展开图时，相邻的两个串联线圈中，后一个线圈紧“叠”在前一个线圈上，其合成节距y＝y1－y2＝1。画展开图的步骤如下：

（1）画槽：用竖线表示电动机定子槽，因为要画的是36槽的电动机绕组，所以先绘制36根竖线。

（2）定槽号：分别将槽进行编号，也就是给每根线编号，一共有36根槽，所以编36个数。

（3）分极：因为Z＝36，2p＝4，所以极距

即每个磁极下有9个槽，或者说9个槽是在同一磁极下。我们按照1－9，10－18，19－27，28－36进行分极。

（4）画电流：按照同一磁极下电流方向相同、不同磁极下电流方向相反的规则，绘制电流方向。(www.xing528.com)

（5）分相：因为

即每一磁极下有9个槽，每一磁极下有三相绕组，所以每个磁极下每一相的槽数为3。以A相为例，A相在每极下应占有3个槽，整个定子中A相共有12个槽。在第一个N极下取1、2、3三个槽作为A相带，在第一个S极下取10、11、12三个槽作为X相带。1、2、3三个槽向量间夹角最小，合成电动势最大，而10、11、12三个槽分别与1、2、3三个槽相差一个极距，即180°电角度，这两个线圈组（极相组）反接以后合成电动势代数相加，其合成电动势最大。同理将19、20、21和28、29、30也划为A相，然后把这些槽里的线圈按一定规律连接起来，即得A相绕组。因此可以得到首端A对应的槽为1、2、3、19、20、21，末端X对应的槽为10、11、12、28、29、30。

为了使三相绕组对称，应将距A相120°处的7、8、9、16、17、18和25、26、27、34、35、36划为B相，而将距A相240°处的13、14、15、22、23、24和31、32、33、4、5、6划为C相。由此得一对称三相绕组，每个相带各占60°电角度，称为60°相带绕组。

（6）连接A相：根据头接头，尾接尾的原则连线，注意所有的接线要向同一个方向。

按照以上步骤，得到如图13－21所示A相绕组展开图。

5.三相双层波绕组展开图的绘制

交流电机的波绕组与直流电机的波绕组类似，其线圈示意图如图13－20所示，相邻线圈串联沿绕制方向波浪形前进，其合成节距y＝y1＋y2＝2τ。

以Z＝36，2p＝4，a＝1的电机为例，来研究三相双层波绕组的连接规律以及绘制其中一相绕组（A相）的展开图。绘制绕组展开图的步骤与叠绕组类似，得到如图13－22所示A相绕组展开图。

图13－21　三相双层叠绕组A相展开图（Z＝36，2p＝4）

图13－22　三相双层波绕组A相展开图（Z＝36，2p＝4）

6.双层绕组特点

（1）双层绕组的每个线圈，一个边放在一个槽的上层，另一个边放在相隔一个极距或接近一个极距的另一个槽的下层，线圈的形式相同，线圈数等于槽数。

（2）双层绕组的节距可以根据需要来选择，一般做成短距，以削弱高次谐波电动势，改善电动势波形。

（3）绕组端部排列方便，便于整形；可以得到较多的并联支路数。

（4）缺点是线圈数目多一倍，绕线、下线费事；槽内上、下层线圈边之间应垫层间绝缘，降低了槽的利用率；短距时，有些槽的上、下层线圈边不属于同一相，存在相间绝缘击穿的薄弱环节，适用于电机容量大于10 kW的交流电机。

通常容量较大的同步发电机均采用三相双层短距叠绕组，波绕组主要用于水轮发电机中。

自测题

答案13.3

一、填空题

1.采用__________绕组和____________绕组可以有效地削弱谐波分量，同时使基波分量__________。

2.电角度和机械角度之间的关系为______________。

3.一同步电机，Z＝48，2p＝4，极距τ＝____________________。

4.一同步电机，Z＝48，2p＝4，槽距角α＝______________。

5.一同步电机，Z＝48，2p＝4，每极每相槽数q＝____________。

6.叠绕组第一节距y1、第二节距y2、合成节距y之间的关系为____________，波绕组三者之间的关系为__________________。

二、选择题

1.同步电机绕组采用短距绕组时，相比长距绕组而言（　　）。

A.增加了基波电动势　　　　　　　　B.消除了高次谐波电动势

C.基波磁势减小了　D.基波电势没有变化

2.一台4极三相异步电动机定子槽数为48，槽距角为（　　）。

A.15°　　　　　　　　B.30°　　　　　　　　C.60°　　　　　　　　D.45°

3.同步电机绕组产生的电动势，集中安放和分布安放时，其（　　）。

A.电动势相等，与绕组无关　B.电动势不等，与绕组无关

C.分布电动势大于集中电动势　D.分布电动势小于集中电动势

4.频率为50 Hz的48极交流电机，旋转磁势的转速为（　　）r/min。

A.48　B.62.5　C.250　D.125

5.三相绕组通以交流电时，其磁动势为（　　）。

A.圆形旋转磁动势　B.椭圆磁动势　C.脉动磁动势　D.不能确定

三、判断题

1.同步发电机定子绕组一般采用单层绕组。（　　）

2.同步发电机定子绕组一般采用双层绕组。（　　）

3.定子三相双层绕组可以采用短距和分布的办法来改善感应电动势波形。（　　）

4.同步发电机定子绕组都采用整距绕组。（　　）

5.同步发电机定子三相绕组接成星形，可以消除三次谐波和三的倍数次谐波。（　　）

四、分析计算题

1.一个整距线圈的两个边，在空间上相距的电角度是多少？如果电机有p对磁极，那么它们在空间上相距的机械角度是多少？

2.有一台交流电机，Z＝36，2p＝4，y1＝7，2a＝2，试绘出槽电势星形图，并标出60°相带分相情况。