一、概述

1. 电枢绕组的基本要求与类型

基本要求

• 高效性：在一定的导体数量下，能产生尽可能大的感应电动势。

• 承载能力：能流过所需电流，并承受及产生足够大的电磁力和电磁转矩。

• 可靠性：具有较高的机械强度、电气强度和耐热性，运行可靠。

• 工艺性：结构简单，方便制造、安装（下线）和维修。

基本类型

• 单叠绕组 (Lap Winding)

• 单波绕组 (Wave Winding)

2. 电枢绕组的常用术语

绕组元件

• 绕组元件（）：也叫线圈，是电枢绕组的基本单元。它由单匝或多匝导线绕制而成，其首端和末端分别连接到不同的换向片上。

• 元件边：也称有效边，是元件嵌在电枢槽内、能够切割磁力线产生感应电动势的部分。一个元件有两个有效边。
• 如果是双层绕组的话，一个槽内要放两个线圈，一个放上边一个放下边
• 因此对于某一个线圈而言，一个有效边放上边，另一个放下边

• 端部：连接两个有效边的部分，位于铁芯外部，不起电磁感作用。

• 匝数 ：一个绕组元件内导线绕的圈数。一匝（圈）有两个导体（有效边）。
• 注意：多匝线圈内各匝是串联关系，有电位差；而多股导线并绕是为了增大截面积，属于并联关系，无电位差。

• 电枢总导体数：在直流电机的理论分析中，“导体”（Conductor）特指绕组中能够切割磁力线并产生感应电动势的“有效边”（Active side）。

两种绕组类型

单叠绕组

所有相邻元件依次串联，后一个元件端部和前一元件端部交叠

单波绕组

相隔约一对极的同极性磁极下的元件依次串联，波浪前进。

 

槽、换向片与元件数

• 实槽数 ：电枢铁芯表面实际开的槽数。

• 虚槽数 ：如果一个实槽内的每层放置u个元件边，则一个实槽包含u个虚槽。

• 元件数 ：电枢上绕组元件的总数。

• 换向片数 ：换向器上铜片的总数。

• 三者关系：在最常见的双层绕组中，每个虚槽容纳上下两层共两个元件边，每个元件连接一片换向片。因此三者数量相等：

极距

• 极距 ：相邻两个主磁极轴线之间的距离，通常用虚槽数来表示。它占据了电枢表面的 。

• 是总极数， 是极对数

• 极距 的计算结果不一定是整数

实际上表示的是两个不同磁性磁极之间的最小距离

节距

第一节距 (元件节距)：

同一个绕组元件的两个有效边在电枢表面跨过的虚槽数。

为了使元件两边的感应电动势能最大程度地相加，两个有效边应分别位于不同极性的磁极下方，因此的长度应约等于一个极距 。

• 整距绕组：

• 短距绕组： （常用）
• 经济考量：减少端部连接的铜材（这部分只其连接作用，不产生感应电动势）
• 性能考量：改善换向（减少线圈的端部漏感）

• 长距绕组：（少用）

 

第二节距 ：

前一个元件的下层边到与之串联的后一个元件的上层边所跨过的虚槽数。其正负号表示绕线方向。

合成节距 ：

两个直接串联的元件的对应边（如上层边到上层边）之间跨过的虚槽数。

换向器节距 ：

一个元件的首、末端所连接的两片换向片之间的跨距（以换向片数计）。

由于换向片数 等于虚槽数 ，所以合成节距 和换向器节距 在数值上始终相等

对于叠绕组：

对于波绕组：

• -号：左行绕组（常用）
• +号：右行绕组

绕组的绕行方向

• 右行绕组：从一个元件出发，按串联顺序，绕组在电枢上向右前进。

• 左行绕组：从一个元件出发，按串联顺序，绕组在电枢上向左前进。

场移(m)

定义：用虚槽数或换向片数表示的相邻两串线圈在磁场中相对移过的距离，记作场移 。

节距是物理空间上移动的距离；

场移是相对磁场而言等效移动的距离；

叠绕组

• 串联规律：每前进一串（一个）线圈，移过一个换向片。

• 因此 ，。

• 场移：。

 

波绕组

• 串联规律：每前进 串线圈（，正好是电枢周长），总共只移过一个换向片。

• 约束：，故 为整数。

• 由于 （跨约一对极），场移

其正负号由右行或左行决定（通常左行）

Q：若 会怎样？

A：此时 ，绕组每前进一圈并未产生空间前移，绕一周后会回到同极、同相位的位置，此时回路已经闭合没办法继续绕下去。

波绕组不是总是可以绕成的！

需要满足的约束！

二、单叠绕组 (Lap Winding)

绕组数据计算

绕组连接表

绕电刷一周后，所有元件相互串联形成闭合回路

单叠绕组展开图

为了使得电刷间获得最大电动势：

1. 被电刷短路的元件感应电动势为零，正好位于 N 极和 S 极的交界处

2. 电刷中心线和主极中心线对齐

单叠绕组瞬时电路图和并联支路数

上元件边在同一个主极下的各元件感应电动势和电流方向相同，依次串联为一条支路

• 一个主极对应一条支路

• 单叠绕组并联支路数：

⚠️

术语说明： 在直流电机中， 表示并联支路对数，因此并联支路总数为 。这是因为直流电机的电刷成对出现，且由于磁极的 N-S 对称性，并联支路天然成对。

 

注意：交流电机中 的定义不同，表示并联支路数（不是对数）。这是历史习惯和物理结构差异导致的。

三、单波绕组 (Wave Winding)

👉🏻

这个电枢是不适合绕成单叠绕组的，因为 15/2p 不是整数，导致单叠绕组每个极下的有效绕组数不同，每个并联支路产生的电动势不相等，形成环流。

绕组数据计算

是因为，这里选择常用的短距绕法，因此（使得 为最接近的整数即可）

采用更常见的左行绕组，取-号：

绕组连接表

单波绕组展开图

单波绕组瞬时电路图和并联支路数

上元件边在N极下的所有元件串成一条支路，上元件边在S极下的所有元件串成另一条支路

并联支路数，和极对数无关

从右边的瞬时电路图也可以看出，理论上单波绕组使用 2 个电刷就足够了

但是实际工程中，为了分摊电流提高可靠性，还是会用 个电刷

四、单叠绕组与单波绕组的对比

• 电机的电磁功率（容量） 与绕组形式（叠绕或波绕；支路对数 ）无关。
功率仅取决于总导体数 、单根导体的平均感应电动势 和单根导体的电流 。
👉🏻
这里使用 N 进行计算并不精确，因为会有元件被短路掉。 但是真实的电机中元件数都非常多（远大于极对数），这一点损失是可以接受的

• 当电枢旋转时，虽然具体是哪个元件被电刷短路在不断变化，但由于磁极和电刷在空间位置上是固定的，因此从外部看，并联支路数、电动势极性和电流方向保持不变。