多相绕组基本理论的五四三表述及习得三步曲.doc

多相绕组基本理论的“五 四 三”表 述 及 习 得“三 步 曲”程小华华南理工大学电力学院 ,广州 (510640)摘 要 对多相绕组的基本理论总结出了一个精炼的“五四三”表述 : 5S 构成原则 ( Symmet2rical ,Sinusoidal ,Superlative ,Small ,Simple ,即对称 ,正弦 ,最大 ,省铜 ,简便) ; 4N 分类标准 ( Pole Number , Phase Number ,Layer Number ,Pole - Phase Group Slot Number ,即极数 ,相数 ,层数 ,极相组槽数) ;3S 设计 术语 ( Slot Phasor Displacement Electrical Degrees , Slot Phasor Astral Diagram , Slot Number Per Pole Per Phase ,即槽距电角 ,槽相量星形图 ,每极每相槽数) 。还提出了多相绕组理论习得的“三步曲”:首先 认识电气旋转磁场产生的基本原理 ;其次学习三相绕组基本理论的“五四三”表述 ; 最后学习双层 和单层绕组的设计 。关键词 多相 绕组 习得“Five2Four2Three”Explanation on the polypha se Winding Ba sicTheory and“Trilogy”Obta ined by Studying ItCheng XiaohuaThe concise “five2four2three ”explanation , i . e . constructral principle 5SAbstract( Symmetrial ,Sinusoidal ,Superlative ,Small ,and Simple) ,classification standard 4N ( Pole Num2ber ,Phase Number ,Layer Number , and Pole2Phase Group Slot Number) , and design term 3S ( Slot Phasor Displacement Electrical Degrees ,Slot Phasor Astral Diagram ,and Slot Number Per Pole Phase) is summarized from the basic theory of polyphase winding. And“trilogy”obtained by studying the basic theory of polyphase winding is put forward ,i . e . first understanding the basic theory of producing the electrical rotatory field , second learning the“five2four2three”ex2 planation of the basic theory of three2phase winding ,and finally learning the design of double2 layer and single2lager windings.Key wordsPolyphase ,winding ,obtained by studying.电机学的内容比较多 ,大致可分为六大部分 :直流电机 、变压器 、交流绕组 ( 包括交流绕组的基 本理论 、交流绕组的电势和磁势) 、异步电机 、同步 电机 ,以及电机瞬变过程的初步知识 。在这六大 部分中 ,普遍反映以交流绕组这一部分为最难学 。 可见 ,交流绕组是难中之难了 。为了克服这个最难点 ,本人对多相绕组基本 理论进行了概括 ,名之为“五四三”表述 ,并对多相绕组基本理论的习得提出了三个步骤 。1引言电机学是强电类专业的一门必修的 、非常重要的专 业 课 。学 过 这 门 课 的 人 , 从 专 科 生 、本 科生 ,直到研究生 ,无不反映这门课程难学 。本人从 学士 、硕士到博士 ,都是读电机专业 ,自然要学电 机学 (当然也学电磁场) 。本人也有同感 ,也觉得这两门课难学 ,电机学尤其难 。收稿日期 :2004 - 03 - 301本文以三相绕组为例 ,所得结论不难推至其它的多相绕组的情形 。上尽可能良好 ( 散热条件好) 等原则 ,但这些更多地属于绕组的制造工艺 、运行维护 ,而较少地属于 绕组的原理和设计 ,故这里不予详述 。2 . 2交流绕组的四个分类标准 交流绕组有四个主要的分类标准 ,由于这四个分类标准用英文表示时 , 刚好都是以字母“N” 打头 ,故又可称之为 4N 分类标准 。4N 分类标准 如下 :(1) Number of the Winding Poles ,即极数标准 。 按该标准可把交流绕组分为两极绕组 、四极绕组 、 六极绕组 、八极绕组 、十极绕组等等 。(2 ) Number of the Winding Phases , 即 相 数 标 准 。按该标准可把交流绕组分为三相绕组 、单相 绕组等 。( 3) Number of the Winding Layers ,即层数标准 。 按该标准可把交流绕组分为双层绕组 、单层绕组 等 。(4) Number of the Pole2Phase Group Slots ,即极 相组槽数 q 标准 ,简称 q 标准 。按该标准可把交 流绕组分为整数槽绕组 、分数槽绕组等 。2 . 3三相绕组的三个设计术语 三相绕组有三个主要的设计术语 ,由于这三个术语用英文表示时 ,刚好都是以字母“S”打头 ,故又可称之为 3S 设计术语 。3S 设计术语如下 : (1) Slot Phasor Displacement Electrical Degrees ,即槽 (电动势或磁动势) 相量相距的电角度 ,简称 槽距电角 ,用希腊字母表示 。(2) Slot Phasor Astral Diagram ,即槽 ( 电动势或 磁动势) 相量星形图 ,简称槽相量星形图 。有些著 作上称“槽矢量星形图”,笔者以为不妥 ,因为严格 来讲 ,矢量和相量有本质区别 ,其最大的区别是 , 前者的方向是固定的 ,而后者的方向是时变的 ,因 为相量在相平面上以一定的角速度旋转 。与槽相量星形图相当的术语是槽号相位表 。 把圆形的槽相量星形图沿半径切一刀然后沿圆周 方向展开 ,进一步 ,去掉代表相量的带箭头线段 , 留下代表相量位置的槽号 ,并把槽号放入表格中 , 这样便得到一个其中填满槽号的矩形表格 ,称之 为槽号相位表 。有些著作上称“槽号相位图”,笔 者以为不妥 ,因为从形式上看 ,图是图 ,表是表 ,既 然已经由图变成了表 ,那么就应当称表 。槽相量星形图的优点是直观 ,缺点是难画 ;槽三相绕组基本理论的“五四三”表述三相绕组基本理论的“五四三”表述是一个简 称 ,其中“五”是指三相绕组的五个主要的构成原 则 “, 四”是指三 相 绕 组 的 四 个 主 要 的 分 类 标 准 , “三”是指三相绕组设计基本理论的三个主要的术 语 。2 . 1三相绕组的五个构成原则 三相绕组有五个主要的构成原则 ,由于这五个原则用英文表示时 ,刚好都是以字母“S”打头 ,故又可称之为 5S 构成原则 ,5S 构成原则如下 :(1) Symmetrical Principle , 即 对 称 原 则 。该 原 则要求当被旋转磁场切割时 ,三相绕组能够产生 对称的相绕组电动势 ; 当通以三相对称交流电流 时 ,三相绕组能够产生对称的相绕组磁动势 。对称原则导致三相绕组在铁心中沿圆周的对称分布 。2(2) SinusoidalPrinciple ,即正弦原则 。该原则要求当被旋转磁场切割时 ,三相绕组能够产生尽可能接近正弦的相绕组基波电动势 ; 当通以对称 的三相正弦交流电流时 ,对称的三相绕组能够产 生尽可能接近正弦的相绕组基波磁动势 。正弦原则导致短距线圈 、分布绕组和斜槽技 术 。(3) Superlative Principle ,即最大原则 。该原则 要求当被旋转磁场切割时 ,三相绕组能够产生最 大的相绕组基波电动势 ,当通以三相对称交流电 流时 ,三相绕组能够产生最大的相绕组基波磁动 势 。最大原则导致正负相带和 60°相带 。(4) Small Copper Consumption Principle ,即小的 用铜量原则 ,又称省铜原则 。该原则要求绕组的 用铜量尽量小 。省铜原则导致绕组多极时的波绕组 。(5) Simple Structure Principle , 即 简 单 结 构 原 则 ,简称简便原则 。该原则要求绕组的结构尽可 能简单 ,以方便制造 。简便原则导致叠绕组 。另外 ,构成绕组还有绝缘上尽可能可靠 (绝缘 强度高) 、机械上尽可能坚固 ( 机械强度高) 、散热号相位表的优点是易画 ,缺点是不太直观 。初学的时候可以使用槽相量星形图 ,一旦熟悉 ,就应当 转为使用槽号相位表 。(3) Slot Number of the Pole2Phase Group ,即极相 组的槽数 ,亦即每极每相槽数 q 。第 2 . 1 小节中提到的相带的概念 ,和这里的 每极每相槽数的概念 ,都是对极相组这一概念的 描述 。相带的概念是从电角度的角度去描述极相 组 ,看它占多少电角度 ;每极每相槽数的概念是从 槽数的角度来描述极相组 ,看它占多少槽数 。注 意 ,如果是 120°相带 , 则相应的有“对极相 组”和 “每对极每相槽数”的概念 ,但由于在通常情况下 ,几乎从不采用 120°相带 ,故不必给予重视 。极距 (此时的合成节距 = 一对极距) 的两个线圈串连起来 ; (2) 每串连 p ( 设 p 是极对数) 个线圈 ( 相 当于完成了一个串连循环) 就改变一次合成节距 , 使之 + 1 或 - 1 (一般是 - 1 ,以便遵循最省原则) 。 如果在完成了一个串连循环后不改变合成节距 , 那么就不能继续串连新的线圈 ,因为当一个串连 循环结束的时候又回到了该循环的第一个线圈的 上层边 。当串连完 qp ( q 为每极每相槽数) 个线 圈后 ,即得到一个线圈串 。找到其电动势相量与 该线圈中 qp 个线圈的电动势相量反相的另外 qp 个线圈 ,根据同样的连接规律把它们串连起来 ,得 到另一个线圈串 。显然 ,这两个线圈串的电动势 大小相等 , 相位相反 , 它们可以串连组成一条支 路 ,亦可以并联组成一对并联支路 。这里的 讲 法 与 一 般 的 电 机 学 教 科 书 有 所 不 同 。一般的电机学教科书2 ,3 的讲法是 ,先把合成 节距定义为“相串连的两个线圈之对应边之间用 槽数表示的距离”,然后把合成节距等价为一对极 下的槽数 ,即 y = zp ( y 是合成节距 , z 是槽数 , p 是极对数) ;最后要求在每完成一个串连循环的时 候 “, 人为地后退一个槽”。这种讲法严格来说是 自相矛盾的 ,因为 ,当你后退一个槽的时候 ,合成 节距就已经不等于一对极下的槽数了 。所以 ,不 能把合成节距等价为一对极下的槽数 。因为合成 节距是变的 ,而一对极下的槽数是固定的 。本文 采用改变合成节距的说法 ,既避免了“人为地 ” 这种极不严谨的说法 ,也避免了自相矛盾 。在完成了 A 相绕组的连接后 ,不难根据对称 原则完成 B 相和 C 相的连接 。显然 ,当极数为 2 时 ,没有波绕组可言 ( 因为 没有合成节距的概念) ,只能采用叠绕组 。3 . 2. 2学习单层绕组的设计3 . 2. 2. 1认识单层绕组的特点 单层绕组有四个特点 :(1) 单层绕组只有一层导体 。(2) 三 相 单 层 绕 组 的 相 带 宽 度 都 是 60°电 角 度 。因为 120°相 带 的 单 层 绕 组 无 法 构 成 电 流 回 路 。(3) 当每极每相槽 数 q 为 整 数 时 , 三 相 单 层 绕组都可以看作是整距绕组 ,因而其短距系数恒 为 1 。(4) 三相单层绕组是分布绕组 。因为三相单3三相绕组基本理论的习得笔者以为 ,虽然绕组难学 ,但如果按照如下三个步骤循序渐进 ,那么三相绕组基本理论的习得应是不难的 。这三个步骤可称为“三步曲”: 首先 认识电气旋转磁场产生的基本原理 ; 其次学习三 相绕组基本理论的“五四三”表述 ; 最后学习双层 和单层绕组的设计 。3 . 1认识电气旋转磁场产生的基本原理 关于电气旋转磁场产生的基本原理 。首先 ,应该认识到旋转磁场有两种 : 一种是机械旋转磁 场 ,一种是电气旋转磁场 。前者是指一个有着固 定 N 、S 极的磁场在原动机的拖动下 ,以原动机的 转速旋转 ,从而在电机气隙中表现为一个旋转磁 场 ,如同步发电机中的主磁场 ;后者是指一个固定 的三相对称绕组在通以对称的三相交流电流时 , 在电机气隙中建立一个以一定的转速旋转的磁势 波 ,与此同时 ,该磁势波建立相应的磁场波 。磁势 波和磁场波的转速相同 ,称之为同步转速 。推导 表明 ,同步转速与电流的频率成正比 ,与绕组的极 数成反比 。对电气旋转磁场产生的基本原理的描 述可参考文献 1 。3 . 2 学习双层和单层绕组的设计3 . 2 . 1学习双层绕组的设计 双层绕组有两种形式 ,一曰叠绕组 ,一曰波绕组 。叠绕组较简单 ,此略 。这里只讲波绕组 。 波绕组的中心概念是合成节距 ,它定义为相串连的两个线圈 之 对 应 边 之 间 用 槽 数 表 示 的 距离 。波绕组的连接规律是 : (1) 把上层边相距一对层绕组的每极每相槽数 q 2 。3. 2. 2. 2认识单层绕组连接方式的多样性 单层绕组的连接方式比双层绕组多 。双层绕组只有叠式 、波式两种形式 ,而单层绕组有等元件 式 、同心式 、分半同心式 、链式 、交叉式等至少五种 连接方式 。单层绕组的连接方式比双层绕组的多的原因 简单分析如下 。双层绕组有两层导体 ,线圈的两个有效边必 须是一个位于上层 ,另一个位于下层 。在由导体 构成线圈时 ,所有线圈的节距是相同的 ,否则 ,由 于一个线圈涉及到两层导体 ,节距不同势必导致 有些槽中的导体 (上层边或下层边) 被越过而不能 被利用 ,因而导致槽空间的浪费 ,进而导致电机性 能的下降 。因而双层绕组都是等元件的 。单层绕 组只有一层导体 ,线圈的两个有效边位于同一层 中 。在由导体构成线圈时 ,在满足对称 、正弦两个 原则后 ,只要能把属于同一相的导体尽可能简单 地 (简便原则) 用较短的连接线 (省铜原则) 全部连 起来 (最大原则) 即可 。因此 ,单层绕组线圈的节 距是自由的 ,可以相同 ,亦可以不相同 。正是由于 单层绕组线圈节距的灵活性 ,才导致单层绕组连 接方式的多样性 。3. 2. 2. 3单层绕组连接方式的连接范畴和分类 单层绕组有两对连接范畴 。 第一对范畴为单向连接和双向连接 。单向连接是指 ,每一相带的所有导体都朝一个方向与属 于同一相的相邻相带的导体连接而组成线圈 。双 向连接是指每一相带的导体都分成两部分 ,一部 分朝一个方向与属于同一相的相邻相带的导体连 接而组成线圈 ,另一部分朝相反方向与属于同一 相的相邻相带的导体连接而组成线圈 。第二对范畴为叠式和同心式 。但从概念层面 上来看 ,属于第一对连接范畴之下 。按第一对范畴单层绕组可分为两大类 : 单向单层绕组 、双向单层绕组 。单向单层绕组按第二对范畴分为两类 : 单向叠式 、单向同心式 。 双向单层绕组按第二对范畴分为三类 : (1) 叠式 叠式双向单层绕组 ; (2) 叠式 同心式双向单 层绕组 ; (3) 同心式一同心式双向单层绕组 。3 . 2. 2. 4用连接范畴的观点来观察单层绕组已 有的连接方式按照连接范畴的观点 ,文献 2 所称的等元件 单层绕组就是 q = 3 时的单向叠式单层绕组 , 文 献 2 所称的同心式单层绕组就是 q = 3 时的单向 同心式单层绕组 ,文献 3 所称的同心式单层绕组 就是 q = 4 时的双向同心式单层绕组 ,文献 2 ,3 所称的交叉式单层绕组就是 q = 3 时的双向单层 绕组 ,文献 3 所称的链式单层绕组就是 q = 2 时 的双向单层绕组 。可见 ,教科书中现有的单层绕组的连接方式 均可纳入本文所提出的两对连接范畴 。事实上 , 通过这两对连接范畴和不同的 q 值 ,还可以演绎出单层绕组的新的连接方式 。结语本文提炼的关于多相绕组基本理论的“五四 三”表述 ,能够准确地描述多相交流绕组主要的构 成原则 、分类标准和设计术语 ,具有精炼 、易记的 特点 。本文提出的多相绕组理论习得的“三步曲”, 能够反映多相绕组理论的出发点 、目标和手段 ,循 序渐进 ,切实可行 ,既适合于初学者自学 ,又适合 于已学者巩固提高 。参考文献4沈阳机电学院电机系 1 三相异步电动机原理 、设计1与试验 M 1 北京 :科学出版社 ,1977.2许实章 1 电机学 (第三版) M 1 北京 :机械工业出版社 ,1996.汤蕴,史乃 1 电机学 M 1 北京 :机械工业出版社 ,31999.敬告读者 :防爆电机从 2005 年开始由原来的季刊改为双月刊 ,全年定价由原来 24 元 变为 36 元 ,请广大读者到当地邮局订阅 ,邮发代号 :14 195 。file:/D|/新建 Microsoft Word 文档.txtdf机及ov及ojxlkvjlkxcmvkmxclkjlk;jsdfljklem,.xmv/.,mzxlkjvolfdjiojvkldffile:/D|/新建 Microsoft Word 文档.txt2012/8/2 16:09:56