直流电机电枢绕组优化方案

电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量变换的关键部件，所以称为电枢。它是由许多线圈（以下称元件）按一定规律连接而成的，线圈采用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成，不同线圈的线圈边分上下两层嵌放在电枢槽中，线圈与铁芯之间以及上、下两层线圈边之间都必须妥善绝缘。为防止离心力将线圈边甩出槽外，槽口用槽楔固定，如图2-12所示。线圈伸出槽外的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎。为满足生产要求，电枢绕组应满足以下条件：在通过规定的电流和产生足够的电势和电磁转矩前提下，所消耗的有效材料最少，且强度高（机械、电气、热），运转可靠，结构简单。

图2-12　单叠绕组元件

1－首端；2－末端；3－元件边；4－端接部分；5－换向片

1.电枢绕组的基本概念

（1）元件：指构成绕组的线圈，分单匝和多匝两种，如图2-12所示。

（2）元件的首末端：每一个元件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，如图2-13所示。

（3）极距：指相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用τ表示，计算式为

式中　D——电枢绕组直径；

p——磁极对数。

（4）叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。

（5）波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联起来，整个绕组成波浪式前进。

（6）第一节距：指一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离，用y1表示，如图2-14所示。第一节距计算式为

式中　Ze——虚槽数；

ε——用于使y1为整数的参数。

（7）第二节距：指连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下层边与第二个元件的上层边间的距离，用y2表示，如图2-14所示。

（8）合成节距：指连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离，用y表示。

对于单叠绕组

y＝y1－y2

对于单波绕组

y＝y1＋y2

（9）换向器节距：指同一元件首末端连接的换向片之间的距离，用yk表示。

图2-13　元件实物图

1－首端；2－下元件边；3－上元件边；4－末端

图2-14　元件各节距之间的关系图

2.单叠绕组

单叠绕组的连接规律是：所有的相邻元件依次串联（即后一元件的首端与前一元件的尾端相连），同时每个元件的出线端依次连接到相邻的换向片上，最后形成一个闭合回路。

单叠绕组的合成节距等于一个槽，换向器节距等于一个换向片，即

式（2-5）中，当y＝yk＝＋1时，绕组为右行，取－1时，绕组为左行。

左行绕组每个元件的首端和末端交叉，用铜较多，不常采用。

单叠绕组的展开图是把放在铁芯槽里、构成绕组的所有元件取出来画在一张图里，展示元件相互间的电气连接关系及主磁极、换向片、电刷间的相对位置关系。

绕组展开图就是将电机电枢绕组或定子绕组用刀切开并摊平，按电机绕组在铁芯上的布置，画出的一种绕组展开图。绘制直流电机绕组展开图的过程一般可分3个步骤：按槽展开、绕组放置、安放磁极和电刷。

【例2-1】　画一直流电机的绕组展开图，其参数为：p＝2，Ze＝S＝K＝16，采用单叠绕组形式。

解　具体过程应为先计算数据y和y1，然后画绕组展开图，最后安放电刷和磁极。

（1）数据计算如下。

（2）绕组放置如下。

元件1：上元件边在1槽，下元件边放在相距y1＝4即5槽下层。

元件2：上元件边在2槽，下元件边放在相距y1＝4即6槽下层，以此类推。

（3）确定某一瞬间电刷、磁极放置。

磁极：磁极宽度约0.7τ，均匀分布，N、S极交替安排。

电刷：连接内、外电路。为了在正负电刷间获得最大直流电势以及产生最大的电磁转矩，电刷放在被电刷短路的元件电势为零的位置。

电势为零的元件：在一个主极下的元件边电势具有相同的方向。在磁极的几何中心线上电势为零。

电刷放置：电刷放置在使电刷的中心线与主磁极轴线对准的换向片上。

如图2-15所示为单叠绕组展开图。

图2-15　单叠绕组展开图

（4）元件连接顺序表：绕电枢一周，所有元件互相串联构成一闭合回路。用连接顺序图表示，如图2-16所示。

图2-16　元件连接顺序表

（5）绕组电路图：结合电刷的放置，得到该瞬时的电路图，如图2-17所示。

图2-17　单叠绕组元件瞬时电路图(www.xing528.com)

由图2-17可以看出每个极下的元件组成一条支路，即单叠绕组的并联支路数正好等于电机的极数。

提　醒

单叠绕组有以下特点。

（1）元件的两个出线端连接于相邻两个换向片上。

（2）并联支路数等于磁极数，2a＝2p。

（3）整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动势的总和为零，绕组内部无换流。

（4）每条支路由不相同的电刷引出，电刷不能少，电刷数等于磁极数。

（5）正负电刷引出的电动势即为每一支路的电动势，电枢电压等于支路电压。

（6）由正负电刷引出的电枢电流Ia各支路电流之和，即Ia＝2aia。

3.单波绕组

单波绕组的连接规律是：把相隔大约两个极距，即在磁场中位置差不多相对应的元件连接起来。

为了使相串联的元件所产生的电势同向相加，元件边应处于相同磁极极性下，即合成节距y≈2τ，y≠2τ，为了使绕组从某一换向片出发，沿电枢铁芯一周后回到原来出发点相邻的一片上，则可由此再绕下去，如图2-18所示。

图2-18　单波绕组连接图

1－首端；2－末端；3－元件边；4－端接部分；5－换向片

单波绕组和换向极距yk必须符合p×yk＝K－1，即

【例2-2】　画一直流电机的绕组展开图，其参数为：p＝2，Ze＝S＝K＝15，采用左单波绕组形式。

解　具体过程为先计算数据y和y1，然后画绕组展开图，最后安放电刷和磁极。

（1）绕组数据计算如下。

（2）元件、换向片的放置：1号元件上层边1号槽，下层边4号槽；首末端所连的换向器相距yk＝7；为了端部对称，首末端所连的两换向片之间的中心线与1号元件的轴线重合。1号元件上层边所连的换向片定为1号。依次连接。

（3）磁极放置：N、S极磁极均匀交替的排列。

电刷的放置：放在与主极轴线对准的换向片上。

如图2-19所示为单波绕组展开图。

（4）元件连接顺序表：从绕组展开图可以看出，全部15个元件串联而构成一个闭合回路的顺序是：1→8→15→7→14→6→13→5→12→4→11→3→10→2→9→1。

用连接顺序图表示，如图2-20所示。

图2-19　单波绕组展开图

图2-20　元件连接顺序表

（5）绕组电路图：结合电刷的放置，得到该瞬时的电路图，如图2-21所示。

图2-21　单波绕组元件瞬时电路图

由图2-21可得：单波绕组把相同极性下的全部元件串联起来组成一条支路。由于磁极只有N、S之分，所以单波绕组的支路对数a与极对数p多少无关，永远为1，即a≡1。

提　醒

单波绕组有以下特点。

（1）同极性下各元件串联起来组成一条支路，支路对数a≡1，与磁极对数p无关。

（2）当元件的几何尺寸对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线，支路电动势最大。

（3）电刷组数应等于极数（采用全额电刷）。

（4）电枢电流Ia＝2ia。

直流电机绕组的特点归纳为如下几点。

（1）所有的直流电机的电枢绕组总是自成闭路。

（2）电枢绕组的支路数2a永远成对出现，这是由于磁极数2p为一个偶数。

（3）为了得到最大的直流电动势，电刷总是与位于几何中性线上的导体相接触。

思考分析

分析单叠绕组和单波绕组的区别。

二者的区别如下。

（1）单叠绕组：先串联所有上元件边在同一极下的元件，形成一条支路。每增加一对主极就增加一对支路，即2a＝2p。

叠绕组并联的支路数多，每条支路中串联元件数少，适用于较大电流、较低电压的电机。

（2）单波绕组：把全部上元件边在相同极性下的元件相连，形成一条支路。整个绕组只有一对支路，极数的增减与支路数无关，即为2a＝2条支路。

波绕组并联的支路数少，每条支路中串联元件数多，适用于较高电压、较小电流的电机。