电机绕组：磁极、多相和短路绕组详解

1.电机绕组的分类

绕组构成了电机的电系统，是电机的重要部件。电机绕组可分为磁极绕组（或称为励磁绕组）、换向器绕组、交流绕组以及短路绕组等，如图7-3所示。

图7-3 电机绕组的分类

磁极绕组中通以直流励磁电流即可建立起电机的主极磁场。直流电机和凸极同步电机的磁极绕组为套装在磁极极身上的集中绕组，隐极同步电机的磁极绕组为嵌放在转子槽中的同心式绕组。因磁极绕组负责建立电机的主极磁场，因此常称为励磁绕组。

换向器绕组是一种闭合绕组，它的每一个线圈元件的首端和末端都按一定规律与换向器的换向片相连接，利用电刷将绕组截分成若干条并联支路，并通过电刷与外部电路相连接。直流电机的电枢绕组和交流换向器电机的电枢绕组均为换向器绕组。换向器绕组一般为双层绕组，有叠绕组、波绕组及蛙绕组等几种类型。

单相交流绕组主要用于单相感应电动机的定子绕组。为了解决单相感应电动机的自起动问题，单相交流绕组通常都做成两相绕组，两相绕组可以是对称绕组（正反转运行电机），也常常为不对称绕组。为了改善单相电机的性能，单相交流绕组又常常设计成正弦绕组。

多相交流绕组一般为多相对称绕组，主要是三相对称绕组，主要用于三相感应电机定子绕组和同步电机电枢绕组。多相交流绕组的对称性表现在两个方面，即多相绕组沿电机圆周分布的对称性和每相绕组在相邻磁极下分布的对称性。多相绕组沿电机圆周分布的对称性影响到合成磁场的椭圆度，从而直接影响电机的运行性能；每相绕组在相邻磁极下分布的对称性决定了电机磁场和绕组电动势波形是否满足镜对称特性。对称分布的绕组连同对称分布的磁路一起，构成了电机电磁结构上的对称性。

短路绕组是一种在电机内部被自行短路的绕组。例如，笼型感应电机的转子绕组，其所有导条被前后两个端环短路而构成了笼型短路绕组，笼型绕组导条与气隙磁场相互作用产生电磁转矩；同步电机的阻尼绕组也是短路绕组，其结构与笼型感应电机的转子笼型绕组相似，可用来提高同步电机运行的动态稳定性。

2.电机绕组的基本概念

在学习电机设计理论时，常常会遇到一些有关电机绕组的基本概念，这些基本概念不解决，电机设计理论的学习就会感到困难重重。这里将一些主要概念作了归纳。风力发电中主要使用交流电机，因此这里也主要介绍交流电机绕组的基本概念。

交流绕组可以有很多种。按相数可分为单相绕组和多相绕组；按相带可分为30°相带、60°相带、120°相带以及其他非正规相带绕组；按每极每相槽数可分为整数槽绕组和分数槽绕组；按槽内层数可分为单层绕组、双层绕组以及单双层绕组；按线圈连接方式可分为叠绕组和波绕组以及同心式、链式、交叉式等。

下面把有关交流绕组的一些基本概念作简要介绍。

（1）线圈

线圈是构成交流绕组的基本单元，分为叠绕线圈和波绕线圈，如图7-4所示。二者的主要区别是叠绕线圈的两个相连线圈距离很近（一般相差1个槽），下线时后面的线圈叠在前面的线圈上，而波绕线圈的两个相连线圈距离很远（一般接近2个极距），将其展开后形似波浪，故而得名。

图7-4 交流绕组的线圈

a）叠绕组线圈 b）波绕组线圈

（2）节距

交流绕组的节距分为前节距和后节距，一般用槽数表示。一个线圈的两个线圈边在电枢（定子）圆周所垮的距离称为绕组的前节距y₁；对于相互串联的两个线圈，第一个线圈的后线圈边与第二个线圈的前线圈边在电枢（定子）圆周所垮的距离称为绕组的后节距y₂；相互串联的两个线圈的对应线圈边之间的距离称为合成节距y，显然，合成节距y为前节距y₁与后节距y₂之和，即y=y₁+y₂，如图7-4所示。通常所说的绕组节距一般是指前节距y₁。为了获得较大的感应电动势，线圈节距y₁一般等于或接近一个极距τ，为了改善磁动势和电动势波形，交流电机大多采用短距绕组。

（3）机械角度和电角度

机械角度就是电枢铁心圆周的几何角度，显然，整个铁心圆周为360°机械角度。而电枢导体每经历（切割）了气隙磁场的一对N、S极，导体中的电动势和电流就将变化一个周期，这是360°电角度。电角度又有空间电角度和时间电角度之分。将一对磁极在空间占有的电角度称为360°空间电角度，将电动势或电流随时间变化一个周期所经历的电角度称为360°时间电角度。显然，对于极对数为p的电机，铁心圆周上总共有p360°电角度，因此，电角度是机械角度的p倍。进行电机的理论分析和设计计算时，常使用电角度。

（4）槽距角

两个相邻槽中心线之间所夹的电角度称为槽距角。若铁心的总槽数为Q、极对数为p，则槽距角α按下式计算：

（5）每极每相槽数

电机每极下每相绕组所占的槽数称为每极每相槽数。每极每相槽数q按下式计算：

式中 m——电机的相数。

显然，式（7-8）可能为整数，也可能为分数。当每极每相槽数q为整数时，称为整数槽绕组；每极每相槽数q为分数时，称为分数槽绕组。少极数高转速电机大多采用整数槽绕组，而多极数低转速电机一般采用分数槽绕组。例如，双馈异步发电机（4极、1500r/min）一般为整数槽绕组，而直驱式永磁同步发电机（88极、15r/min）则为分数槽绕组。

（6）相带

相对集中的每相绕组在电机圆周所占的电角度称为相带。电机中常用的相带为60°和120°相带，一般称为正规相带，此外的其他相带则统称为非正规相带。60°相带一般指每极下每相绕组所占的电角度；而120°相带则一般是指每对极下每相绕组所占的电角度。整数槽绕组一般采用60°相带，即qα=60°。采用60°相带绕组可以提高铜线的利用率，即获得较大的感应电动势。(www.xing528.com)

双速笼型感应发电机大多采用4/6变极。做成双绕组双速电机时，4极和6极均可做成60°相带整数槽绕组；但做成单绕组双速电机时，若4极时做成60°相带整数槽绕组，则变为6极时将变成非正规相带绕组（例如变为180°相带）。非正规相带绕组电动势中的谐波成分较多，电动势波形较差。因此，双速笼型感应发电机大多做成双绕组双速电机。

（7）绕组系数

绕组系数k_dp是绕组分布系数k_d与绕组短距系数k_p的乘积。基波绕组系数k_dp1是表明绕组铜线利用率的一个参数。相绕组串联匝数N₁与k_dp1的乘积（k_dp1N₁）称为每相绕组有效串联匝数。显然，总有k_dp1≤1。

为了有效削弱绕组磁动势和电动势中的高次谐波，交流绕组一般都设计成分布绕组和短距绕组。绕组基波分布系数k_d1与基波短距系数k_p1如以下二式：

两个公式的中间部分分别表明了分布系数和短距系数的物理意义，适用于各种型式的绕组，而右侧的计算公式则只适用于60°相带整数槽绕组。

绕组基波分布系数k_d1与基波短距系数k_p1的乘积即为基波绕组系数，即

k_dp1=k_d1k_p1 （7-11）

对于60°相带分数槽绕组，每极每相槽数可表示成如下分数：

式中 q′——等效每极每相槽数，q′=bd+c。

等效槽距角α′可用下式计算

α′=60/q′ （7-13）

60°相带分数槽绕组的基波分布系数仍可用式（7-9）表示，只是其中的q和α需要用q′和α′来代替，即

采用分布、短距绕组是削弱高次谐波，改善电动势和磁动势波形的有效方法。但电机中还存在一种叫做齿谐波的高次谐波，这种齿谐波是不能用分布、短距绕组来削弱的。这是因为齿谐波绕组系数与基波绕组系数相等，因此，在削弱齿谐波的同时，基波也将受到同样的削弱，这是不允许的。工程上常采用斜槽、斜极以及采用分数槽绕组等来抑制齿谐波，收到了很好的效果。

（8）感应电动势

感应电动势是电机中最重要的物理量之一。电动机依靠感应电动势从电网吸收电能，然后转换成机械能输出；发电机则从轴上吸收机械能，依靠感应电动势建立端电压并向负载输出电能。交流电机电枢相绕组基波电动势的有效值E₁为

E₁=4.44f₁N₁k_dp1Φ₁ （7-15）

式中 f₁——电动势的频率（Hz）；

N₁——绕组每相串联匝数；

k_dp1——基波绕组系数；

Φ₁——每极磁通量（Wb）。

对于60°相带整数槽绕组，可按下式确定每相串联匝数N₁：

式（7-15）是交流电机的一个重要公式。可以看出，电枢绕组感应电动势的大小与频率、每相有效串联匝数以及每极磁通量等有关。对于变速恒频风力发电机组，随着机组转速的变化，电动势频率成正比变化，电动势的有效值也将成比例变化。因此，发电机设计时，其额定频率的确定常可不必拘泥于某一特定频率，而应全面考虑发电机的综合性能以及经济性，适当加以确定。当发电机的主要尺寸和额定频率确定后，常通过调整每槽导体数（即调节每相串联匝数）来调节电动势的大小，尽管可供调整的范围很有限，而且会引起一系列参数和性能的重新计算。

（9）绝缘结构

绕组是电机的重要部件，也是电机中事故率较高的部件。绕组中最薄弱的部分是绕组的绝缘，人们常说的“电机烧毁”主要指的是绕组绝缘烧毁。实际上，电机的绝缘结构主要是指电机绕组的绝缘结构，主要包括：匝间绝缘、槽绝缘、层间绝缘、相间绝缘、槽楔、端部绑扎、引接线绝缘以及浸漬漆等。电机设计时，合理选择绝缘材料和绝缘结构，可以提高电机运行的可靠性和使用寿命，降低电机的制造成本。

电机的绝缘结构分级见表7-3。我国一般用途中小型电机常采用B级和F级绝缘。对于有特殊要求的电机及高温、频繁起制动、频繁正反转以及冲击性负载等场合使用的电机，多采用F级或H级绝缘。风力发电机的绝缘结构等级一般为F级，为了提高发电机的可靠性和使用寿命，常采用H级绝缘材料，但其温升一般仍按F级考核。

表7-3 绝缘结构分级及空气间接冷却交流绕组温升限值