基于三相定子绕组的排线技巧与分析

河南 万玉吉 田春燕

引言

定子绕组是电机的心脏,是电机中最薄弱的部位，是电机设计人员和电机维修人员必须掌握的一个技术难题,为此，本文将用通俗易懂的语言,清晰明了的步骤,形象直观的插图,系统地介绍一下三相定子绕组的排线技巧与分析过程。下面就以3相24槽4极交流电机为例说明，在实践中就可以举一反三。

1 计算参数

在电机理论中，涉及到许多参数，但在电机的排线设计中，仅需掌握极距、槽距角、相带、相位差这四个参数[1]，这是电机排线设计的技巧之一。

1.1 计算极距(τ)

三相对称定子绕组通入三相对称交流电后,在定子内圆上会形成N、S…多对磁极,这些磁极同时旋转时带动转子旋转。

每个磁极所占有的槽数叫极距(τ)，τ＝Z/2P(槽)，Z叫定子槽数,2P叫定子磁极数,P叫极对数,那么,3相24槽4极交流电机的极距为:τ＝24/2×2＝6(槽)。

1.2 计算槽距角(a)

在电机理论中，每一对磁极(即N、S极)所形成的电角度为360°,那么,P对磁极所形成的电角度为P×360°。通常可以从电机的铭牌中查到电机的磁极数,例如：型号为Y120M—4的三相交流电机,定子磁极数为2P＝4极，磁极对数为P＝2对，其定子内圆上形成的电角度为2×360°＝720°。

相邻两槽之间的电角度叫槽距角(a)，a＝P×360°／Z,那么,3相24槽4极交流电机的槽距角为:a＝2×360°／24＝30°。

1.3 计算相带（Q）

每个磁极中包含有三相绕组，每个磁极中每相绕组所占有的槽数叫相带(Q)[2]，三相交流电机的相带为Q＝τ/3（槽）,那么，3相24槽4极交流电机的相带为:Q＝6/3＝2(槽)。

1.4 计算位置差（Φ）

三相交流电机的三相绕组分别叫U相绕组、V相绕组、W相绕组。U相绕组的头和尾分别用U1、U2表示；V相绕组的头和尾分别用V1、V2表示；W相绕组的头和尾分别用W1、W2表示。三相绕组的头U1、V1、W1依次相差的槽数叫相位差（Φ），Φ＝120°／a（槽）,那么,3相24槽4极交流电机的相位差是Φ＝120°／30°＝4（槽）。

2 划分极距、相带、电流

极距、相带、电流瞬时方向的划分方法有多种，下面按最简单的方法设计，这是电机排线设计的技巧之二。

2.1 划分极距

先画出定子铁心展开后的Z槽,并标上槽号；再按τ的宽度划分出各磁极的极距，并按N、S…的规律标出各磁极的名称，那么,3相24槽4极交流电机的各极距（由1.1知τ＝6槽）如图1。

图1 划分极距

2.2 划分相带

在各磁极中，按Q的宽度划分出各相带,并按U-W-V…的规律标出各相带的名称,那么,3相24槽4极交流电机的各相带（由1.3知Q＝2槽)如图2。

图2 划分相带

2.3 划分电流的瞬时方向

按N极面中电流方向向上,S极面中电流方向向下的规律标出各槽中电流的瞬时方向[3],那么,3相24槽4极交流电机各槽中电流的瞬时方向如图3。

图3 划分电流的瞬时方向

3 画展开图

3.1 三个重要概念

同一个线圈的两个边之间所间隔的槽数叫节距（y），例如，线圈的左边在第2槽，右边在第8槽，那么，该线圈的节距为y＝6槽。

绕组的形式有链式（包括单链、双链等），即每组中各线圈节距相同,只不过前后错开一槽；有同心式，即每组中各线圈的大小象同心圆；有交叉式，即组与组之间的串联是一个大组和一个小组。

每相中组与组之间接线规律有反串，即组与组之间是头接头或尾接尾的连接；有顺串，即组与组之间是尾接头或头接尾的连接。

3.2 先画U相绕组展开图

电机展开图的设计方法有多种，但只要符合以下三点原则，就能设计出最简易的展开图，这是电机排线设计的技巧之三。

以U相为例说明每相绕组设计时应符合的三点原则[4][5]：①U相带的槽中嵌放U相线圈;②U相带中所有线圈要串联（一路），且要符合电流的瞬时方向;③线圈的节距要最短，以便节省铜线。

按照原则①和②可画出3相24槽4极交流电机的U相展开图如图4，它有三种形式。

图4 U相展开图

再按照③的要求进行分析。如表1，节距分析，显然，绕组节距最短的是图4(c)，故而得出结论：3相24槽4极交流电机的U相展开图采用图4（c）为最佳，绕组形式为单链式，接线规律为反串，线圈节距为y＝5槽。

表1 节距分析

3.3 再画V、W相绕组展开图

先确定 V1、W1的位置。因为3相24槽4极交流电机的 U1、V1、W1要依次滞后4槽，又由于U1在第2槽，故V1应在第6槽，W1应在第10槽，如图5。

再按照与图4（c）同样的规律分别从第6槽和第10槽开始，复制出V、W相绕组即可。那么，3相24槽4极交流电机的三相绕组展开图,如图5。

图5 三相展开图

4 画端线图（或实际下线图）

端线图既能表达出实际下线规律，又能表达出接线规律，通过下面两步的介绍，就可画出形象直观的端线图，这是电机排线设计的技巧之四。

4.1 给各线圈编号

给展开图中各线圈依次编号为①、②、③…，如图6。

图6 给各线圈编号

4.2 画端线图（或实际下线图）

由图6知，线圈⑩、⑨、⑧、…依次向左错开1槽，因此，在画端线图或实际下线时要采用“隔一槽下一个线圈”的规律布线，即从第20槽开始，沿顺时针方向，按⑩、⑨、⑧、…依次下每个线圈，那么,3相24槽4极交流电机的端线图（或实际下线图），如图7。

表2 下线顺序

具体下线顺序，参见表2。⑩线圈下第20槽和第1槽，⑨线圈下第18槽和第23槽，⑧线圈下第16槽和第21槽…，采用“隔一下一”的规律，自然容易下线。

说明：⑴三相交流电机通常采用单平面下线法，如图7，即每个线圈的一个边在外档，另一个边在内档，这样的端线图美观整齐，少占空间；⑵在实际下线时要注意吊把，本例中，开始的两个线圈⑩和⑨的第1槽和第23槽先不下到槽中，等到最后一个线圈下完之后，再把第1槽和第23槽下进槽中，这就是吊把。

图7 端线图

5 连线

所有线圈下完之后，要按照3.2中的接线规律，线圈①④⑦⑩反串成U相绕组；线圈③⑥⑨反串成V相绕组；线圈⑤⑧②反串成W相绕组。最后再把三相绕组的六个端头引到接线盒中，接线盒中第一排的顺序是U1、V1、W1,第二排的顺序是 W2、U2、V2。

结束语

按照3.2中的原则①②所设计出每种电机的线圈节距或绕组形式可以有多种，都能形成旋转磁场，但还要按照原则③的要求进行分析，本例中的3相24槽4极电机最佳的设计是单链式，但如果设计成同心式或双链式，电气性能照样可以，只不过线圈节距变大，浪费铜线。

掌握了本文介绍的设计技巧，对于电机的大修、空壳电机的重绕、电机的改绕将会起到很好的作用，至于线圈的匝数、漆包线的线径可参考原数据或参考同规格的电机查得。

［1］包玉华.电工学［M］.北京：北京煤炭工业出版社,1992.

［2］贾大义.常用电机原理与设计［M］.北京：北京轻工业出版社,1996.

［3］杨天明.电动机绕组维修技术［M］.北京：北京化学工业出版社,2006.

［4］黄永铭.电动机与变压器［M］.北京：高等教育出版社,1993.

［5］松柏.电动机修理技术［M］.北京：北京科学技术出版社,1994.