直流电机电枢绕组设计

【学习任务】（1）正确说出电枢绕组的常用术语。

（2）正确认识电枢绕组的基本规范。

（3）正确说出单叠绕组与单波绕组的特点和区别。

微课9.2：电机的电枢绕组

电枢绕组是直流电机的核心部分。电枢绕组放置在电机的转子上，当转子在电机磁场中转动时，不论是电动机还是发电机，绕组均产生感应电动势。当转子中通有电流时将产生电枢磁动势，该磁动势与电机气隙磁场相互作用产生电磁转矩，从而实现机电能量的相互转换。

1.电枢绕组的常用术语

电枢绕组是由多个形状相同的绕组元件，按照一定的规律连接起来的。根据连接规律的不同，绕组可分为单叠绕组、单波绕组、复叠绕组、复波绕组及混合绕组等几种形式。下面介绍绕组中的常用术语。

（1）元件：构成绕组的线圈称为绕组的元件，元件分为单匝和多匝两种。

（2）元件的首、末端：每一个元件不管是单匝还是多匝，均引出两根线与换向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。

（3）叠绕组：是指相串联的后一个元件端接部分紧叠在前一个元件端接部分的上面，整个绕组呈折叠式前进。

（4）波绕组：是指相串联的两个元件呈波浪式的前进。

（5）节距：是指被连接的两个元件边或换向片之间的距离，节距用跨过的元件边数或换向片数表示。

2.电枢绕组的基本规范

对电枢绕组的基本要求是：一方面能够产生足够大的电动势，通过一定大小的电流，产生足够的转矩；另一方面要尽可能节约材料，且结构简单。

绕组是由元件构成的，而元件由两条元件边和端接线组成。元件边放在槽内，能切割磁力线产生感应电动势，称为“有效边”；端接线放在槽外，不切割磁力线，仅作为连接线使用。为了便于嵌线，每个元件的一个边放在某一个槽的上层，称为上层边；另一个边则放在另一个槽的下层，称为下层边，如图9－10所示。绘图时，为了表达清晰，将上层边用实线表示，下层边用虚线表示。

1）实槽与虚槽

电机电枢上实际开出的槽称为实槽。电机电枢绕组往往由较多的元件来构成，通常在每个槽的上、下层各放置若干个元件边，如图9－11所示。所谓“虚槽”，即单元槽，每个虚槽的上、下层各有一个元件边。一个电机有Z个实槽，每个实槽有u个虚槽，则虚槽数为uZ。

图9－10　绕组元件在槽内的放置

图9－11　实槽与虚槽

2）元件数、换向片数与虚槽数

每个元件有两个元件边，而每一个换向片连接两个元件边，又因为每个虚槽里包含两个元件边，所以绕组的元件数S、换向片数K和虚槽数Zi三者应相等。

3）极距

极距就是沿电枢表面圆周上相邻两磁极间的距离，用τ表示。通常用虚槽数表示较为方便，即

式中　p——磁极对数。

4）绕组节距

绕组节距通常都用虚槽数或换向片数表示。

（1）第一节距y1。

同一个元件两个有效边之间的距离称为第一节距，如图9－12所示。为了获得较大的感应电动势，y1应等于或接近于一个极距，即

式中　ε——小于1的正分数，用它来把y1凑成整数。

若ε＝0，则y1＝τ，称为整距绕组；若y1＞τ，则称为长距绕组；若y1＜τ，则称为短距绕组。

图9－12　绕组节距示意图

（a）单叠绕组；（b）单波绕组

（2）第二节距y2。

表示相邻的两个元件中，第一个元件下层边与第二个元件上层边之间的距离，如图9－12所示。

（3）合成节距y。

相邻两个元件对应边之间的距离称为合成节距，如图9－12所示。它表示每串联一个元件后，绕组在电枢表面前进或后退了多少个虚槽，是反映不同形式绕组的一个重要标志。

（4）换向节距yk。

一个元件两个出线端所连接的换向片之间的距离称为换向节距，如图9－12所示。由于元件数等于换向片数，所以换向片节距等于合成节距，即yk＝y。

3.单叠绕组

1）展开图

单叠绕组是指每个元件的首端和末端分别连接到相邻的两个换向片上，后一元件的首端与前一元件的末端连在一起，并接到同一个换向片上，依次串联，最后一个元件的末端与第一个元件的首端连在一起，形成一个闭合的结构，如图9－13所示。

图9－13　单叠绕组示意图

（a）右行绕组；（b）左行绕组

已知电机的极数，实槽与虚槽数相同，且Z＝S＝K＝16，绕制一个单叠右行整距绕组，其展开图如图9－14所示。此时，y＝yk＝1。

图9－14　单叠绕组展开图

2）绕组的并联支路数

由单叠绕组并联支路图9－15可知，每个支路的电流是电枢总电流的四分之一。

图9－15　单叠绕组并联支路图(www.xing528.com)

由图9－15不难看出，单叠绕组的支路数恒等于主磁极数，或者说支路对数等于主磁极的对数，即

式中　a——并联支路对数；

p——磁极对数。

图9－15表明，支路内的元件随电枢旋转是变化的，但支路的几何位置是不变的。

4.单波绕组

1）展开图

单波绕组是指相串联的两个元件呈波浪式的推进，其换向节距接近2倍极距的绕组，如图9－16所示。单波绕组是指首先串联位于某一极性（如N极）下面上层边所在的全部元件，之后再串联位于另一极性下面上层边所在的全部元件，最后将所有元件组成一个闭合回路。

图9－16　单波绕组示意图

（a）左行绕组；（b）右行绕组

由图9－16可以看出，单波绕组沿电枢表面绕行一周时，串联了p个元件，第p个元件绕完后恰好回到起始元件所连换向片相邻的左边或右边的换向片上，由此再绕行第二周、第三周，一直绕到第（K＋1）/2周，将最后一个元件的下层边连接到起始元件上层边所连的换向片上，构成闭合绕组。

若已知电机极数2p＝4，实槽与虚槽数相同，且Z＝S＝K＝15，绕制单波左行绕组。

式（9－4）中若取负号，则绕行一周后，比出发时的换向片后退一片，称为左行绕组，如图9－16（a）所示；如取正号，绕行一周后，则前进一片，称为右行绕组，如图9－16（b）所示。由于右行绕组端线耗铜较多，又交叉，所以一般采用左行绕组。单波左行绕组展开图如图9－17所示。

图9－17　单波左行绕组展开图

2）绕组的并联支路数

单波绕组的并联支路如图9－18所示。由图不难看出，无论电机有多少对磁极，单波绕组并联支路数恒等于2，即

图9－18　单波绕组并联支路

从支路图来看，单波绕组只要有正、负各一组电刷即可，但实际上仍使电刷组数与主磁极的数目相等，这样可以减少每组电刷通过的电流，又能缩短换向器的长度，节约用铜量。

综上所述可知，单叠绕组的支路数等于主磁极数，电枢电动势就是每个支路电动势，电枢电流是各支路电流之和。单波绕组的支路数恒等于2，电枢电动势也是每个支路的电动势，电枢电流是各支路电流之和。在绕组元件数、磁极对数（p＞l）和导线截面等均相同的情况下，单叠绕组多用于电压较低、电流较大的电机，单波绕组多用于电压较高、电流较小的电机。

自测题

一、填空题

1.构成绕组的线圈称为绕组的元件，元件分为________和________两种。

2.________是指相串联的后一个元件端接部分紧叠在前一个元件端接部分的上面，整个绕组呈折叠式前进。

3.极距就是电枢表面圆周上相邻两磁极间的距离，用τ表示，τ＝____________。

4.同一个元件两个有效边之间的距离称为第一节距，y1＝________________。

5.单叠绕组的支路数恒等于__________，单波绕组并联支路数恒等于________。

二、选择题

1.一台他励直流发电机，额定电压为200 V，六极，额定支路电流为100 A，当电枢为单叠绕组时，其额定功率为（　　）。

A.20 W　　　　　　　B.40 kW　　　　　　　C.80 kW　　　　　　　D.120 kW

2.y＝yk＝（　　）为单叠绕组。

A.（K＋1）/2p　B.1　C.2　D.yc＝K－1

3.单叠绕组的电刷数目应（　　）主磁极的数目。

A.等于　B.小于　B.大于　D.A和B

4.一台直流电机，2p＝8，绕成单波绕组形式，它的支路对数是（　　）。

A.4　B.3　C.2　D.1

5.有2对磁极的直流电机，单波绕组，则此电机的支路数应为（　　）。

A.8　B.6　C.4　D.2

三、判断题

1.直流电机的电枢绕组并联支路数等于极数，即2a＝2p。（　　）

2.直流电机的电枢绕组至少有两条并联支路。（　　）

3.单叠绕组形成的支路数比同极数的单波绕组形成的支路数多。（　　）

4.直流电机单叠绕组，并联电路的支路数等于其极对数。（　　）

5.直流电机单叠绕组元件两端应连接在相邻的两个换向片上。（　　）

四、分析计算题

1.主磁极和电刷的放法。

2.为什么叠绕组常采用右行绕组，而波绕组常用左行绕组？

3.某4极直流电机，电枢槽数Z＝36，单叠绕组，每槽导体数为6，每极磁通为2.2×10－2 Wb，电枢电流Ia＝800 A，问此时电磁转矩为多少？如改为单波绕组，保持支路电流不变，其电磁转矩为多少？