直流电机电枢绕组分布排列和连接解析

杜世勤

直流电机电枢绕组分布排列和连接解析

杜世勤

（上海电机学院，上海 201306）

随着网络信息化的快速发展，在电气类专业本科教学课程中，越来越重视电子和信息方面课程的教学，以便于使学生毕业之后尽快适应工作环境，强电内容只得压缩。直流电机在调速拖动等方面还在应用中，直流电机的现代控制理论是交流电机控制的基础，有些学有余力的学生，在课外对直流电机绕组有学习需求，因此，对直流电机电枢常用的叠绕组和波绕组的分布排列和连接进行了解析，用以对电机与拖动课程内容进行补充和提高。

直流电机；电枢绕组；叠绕组；波绕组

1 引言

随着网络信息化的快速发展，在电气类专业本科教学课程中，越来越重视电子和信息方面课程的教学，计算机方面的应用课程也在加大力度开发，以便于使学生毕业之后尽快适应工作环境。同时，强电中的“电机学”和“拖动课程”往往被压缩成“电机与拖动”一门课，甚至包含实验内容也只有32课时，电机内部结构的教学简单化，考试内容较少涉及。直流电机的使用在许多方面被交流电机取代，但直流电机在调速拖动等方面还在应用中。直流电动机的现代控制理论中，电流环控制电枢转子的加速度、转速环控制电机的转速、位置环控制转子的具体位置是学习交流电机现代控制理论的基础。

电机是机电能量转换装置，磁场是其耦合场。无论直流电机的耦合磁场是电励磁的还是永磁磁场，磁极的结构和励磁工作原理相比于电枢绕组而言，容易被学生理解和接受。直流电机的电枢是直流电机机电能量转换的枢纽部件，包括电枢绕组、电枢冲片和换向器，电枢冲片是磁路的一部分，换向器是电路的一部分，只要学生到相关的电机生产企业实习过，则容易理解和掌握。

电枢绕组的排布方面，现在常用的绕组有叠绕组、波绕组，这部分内容学生掌握困难，因此，可以借用期刊和网络的传播功能，对“电机和拖动”课程中有关直流电机绕组的内容加以具体解析，用以加强学生对电机理论的理解。

2 直流电机电枢绕组的分布和端部连接的总体要求

为使相同几何尺寸的电机最有效地完成机电能量转换，要求排布在电机各个励磁磁极磁场下的绕组导体感应相反方向的电动势，流过相反方向的电流，一般应避免NS极下的导体感应电势相互抵消、电磁转矩相互抵消的现象发生。

直流电机电枢绕组分布排列和连接也是有规律可循的。直流电机的电枢绕组由许多线圈组成，每个线圈的两端分别与两个换向片相连接，这样的线圈被称为绕组元件，线圈安排在电枢槽内部，一个槽内一般有几个线圈，组成线圈组。槽内的线圈边分上、下两层叠置，形成双层绕组。线圈边与换向片之间按照一定的规律连接起来，按绕组元件循行，形成闭合回路。在换向器上安置电刷后，由绕组元件组成的闭合回路即被正、负极性的电刷分成多对并联支路，并通过电刷与外电路相连，实现发电机提供电能、电动机吸收电能的功能。

以下就常用的直流电机电枢绕组的排布逐一解析，用以帮助学习这部分内容的学生入门，进而消化吸收，最后掌握和理解。

绕组的基本数据说明如下：为电枢槽数，为电枢每槽并列的元件边数，为电枢绕组元件总数，为换向器片总数，a为每个元件的匝数，a为电枢绕组总的导体数，1为电枢绕组的第一节距，k为电枢绕组的换向器节距，为电枢绕组的合成节距，2为电枢绕组的第二节距，为电枢绕组的并联支路对数，为复倍系数，下脚标用以表示叠绕组，下脚标用以表示波绕组。对于初学者来说，为了简化分析，取=1，在此情况下==。

3 叠绕组的分布和端部连接特点

以单叠绕组，即电枢绕组复倍系数L=1为例来解析，单叠绕组如图1所示。

在图1中，本例电枢冲片上有16个槽，标号为1～16，元件以上层边所在的槽号命名，共有1～16个元件，即有16个槽和16个元件。元件上层边编号与槽号一致，下层边则以元件号上加撇。这样第一号槽的上层元件边编号为1，第五号槽下层元件边编为1´，1和1´组成1号元件，端部用导线连接；第二号槽的上层元件边编号为2，第六号槽下层元件边编为2´，2和2´组成2号元件，端部用导线连接；余下类推。

图1 单叠绕组（极数2p=4，mL=1，2a=4，S=K=Z=16，u=1，y1=4，y2=3，yk=1，Wa=1）

16号槽的上层元件边编号为16，第四号槽下层元件边编为16´，16和16´组成16号元件，端部用导线连接，至此，16个元件完整地分布在16个槽中。

每个元件都有两个出线接线头，接到换向片上。1号元件上层元件边接到1号换向片上，1号元件下层元件边接到2号换向片上；2号元件上层元件边接到2号换向片上，2号元件下层元件边接到3号换向片上；余下类推。16号元件上层元件边接到16号换向片上，16号元件下层元件边接到1号换向片上，至此，绕组沿电枢圆周形成闭合回路。

为了完成机电能量转换的工作，还要在换向器上面安置电刷，把上层元件边在N极下面的元件和上层元件边在S极下面的元件分在不同的支路里，这样N极下面的元件和S极下面的元件的感应电势不会相互抵消。

元件1、元件5、元件9、元件13感应电势为0，电刷应与这4个元件边所连接的换向片相接触，如图1所示。上层边在N极下面的元件2、元件3、元件4相串联，上层边在S极下面的元件6、元件7、元件8相串联，上层边在N极下面的元件10、元件11、元件12相串联，上层边在S极下面的元件14、元件15、元件16相串联，4条支路通过电刷并联在一起。

4 波绕组的分布和端部连接特点

以单波绕组，即电枢绕组复倍系数w=1为例来解析，单波绕组如图2所示。

在图2中，本例电枢冲片上有15个槽，标号为1～15，元件以上层边所在的槽号命名，共有1～15号15个元件，即有15个槽和15个元件。元件上层边编号与槽号一致，下层边则以元件号上加撇。这样第一号槽的上层元件边编号为1，第四号槽下层元件边编为1´，1和1´组成1号元件，端部用导线连接；第二号槽的上层元件边编号为2，第五号槽下层元件边编为2´，2和2´组成2号元件，端部用导线连接；余下类推。

15号槽的上层元件边编号为15，第三号槽下层元件边编为15´，15和15´组成15号元件，端部用导线连接，至此，15个元件完整地分布在15个槽中。

图2 单波绕组（极数2p=4，mw=1，2a=2，S=K=Z=15，u=1，y1=3，y2=4，yk=7，Wa=1）

波绕组每个元件都有两个出线接线头，接到换向片上。1号元件上层元件边接到1号换向片上，1号元件下层元件边接到8号换向片上，这是与前述叠绕组最大的不同点；8号元件上层元件边接到8号换向片上，8号元件下层元件边接到15号换向片上；15号元件上层元件边接到15号换向片上，15号元件下层元件边接到7号换向片上；余下类推。元件的连接次序如下：1→8→15→7→14→6→13→5→12→4→11→3→10→2→9→1。

9号元件上层元件边接到9号换向片上，9号元件下层元件边接到1号换向片上，至此，绕组形成闭合回路。

为了完成机电能量转换工作，还要在换向器上面安置电刷，把上层元件边在N极下面的元件和上层元件边在S极下面的元件分在不同的支路里，这样N极下面的元件和S极下面的元件的感应电势，不会相互抵消。

在该波绕组直流电机圆周上，均布4个励磁磁极N极、S极、N极、S极。一般情况下，会采用全额电刷，电刷也均布于主极轴线下的换向片上，在图2中，磁极和电刷是静止的，绕组和换向片是圆周旋转的。

无论主磁极与电枢各槽的位置如何变化，从电刷外面看绕组时，永远只有2个并联支路，即元件上层边在N极下面的串联支路和元件上层边在S极下面的串联支路。

具体而言，在图2中，元件1、元件9和元件5感应电势近似为0，电刷与这3个元件边所连接的换向片1号、8号、9号、1号、5号、12号相接触，短路时环流很小，在输入输出电能时利于换向。上层边在N极下面的元件12、元件4、元件11、元件3、元件10、元件2串联起来，组成一条支路，上层边在S极下面的元件8、元件15、元件7、元件14、元件6、元件13串联起来，组成另一条支路，2条支路通过电刷并联在一起。

5 结束语

直流电机电枢绕组排布和连接在许实章主编的《电机学》，汤蕴璆编著的《电机学》，李发海、朱东起编著的《电机学》，黄坚、郭中醒主编的《实用电机设计计算手册》以及其他的电机学和电机设计教材中都有论述[1-4]。本文在参考上述文献的基础上，结合教学实践，对直流电机常用叠绕组、波绕组，采用元件上层边和下层边同一编号的方法重新画图，使学生一目了然，为想借助网络期刊学习直流电机绕组分布和连接内容的学生提供了另外一种理解的视角。

［1］许实章.电机学（修订本）［M］.北京：机械工业出版社，1986.

［2］汤蕴璆.电机学（修订本）［M］.5版.北京：清华大学出版社，2014.

［3］李发海，朱东起.电机学［M］.5版.北京：科学出版社，2013.

［4］黄坚，郭中醒.实用电机设计计算手册［M］.2版.上海：上海科学技术出版社，2014.

TM33

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.16.023

2095－6835（2019）16－0057－02

杜世勤（1967—），男，上海电机学院电气学院电机系，研究方向为电机及其自动化系统、电机设计。

〔编辑：张思楠〕