杜世勤

直流電機電樞繞組分布排列和連接解析

杜世勤

（上海電機學(xué)院，上海 201306）

隨著網(wǎng)絡(luò)信息化的快速發(fā)展，在電氣類專業(yè)本科教學(xué)課程中，越來越重視電子和信息方面課程的教學(xué)，以便于使學(xué)生畢業(yè)之后盡快適應(yīng)工作環(huán)境，強電內(nèi)容只得壓縮。直流電機在調(diào)速拖動等方面還在應(yīng)用中，直流電機的現(xiàn)代控制理論是交流電機控制的基礎(chǔ)，有些學(xué)有余力的學(xué)生，在課外對直流電機繞組有學(xué)習(xí)需求，因此，對直流電機電樞常用的疊繞組和波繞組的分布排列和連接進行了解析，用以對電機與拖動課程內(nèi)容進行補充和提高。

直流電機；電樞繞組；疊繞組；波繞組

1 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)信息化的快速發(fā)展，在電氣類專業(yè)本科教學(xué)課程中，越來越重視電子和信息方面課程的教學(xué)，計算機方面的應(yīng)用課程也在加大力度開發(fā)，以便于使學(xué)生畢業(yè)之后盡快適應(yīng)工作環(huán)境。同時，強電中的“電機學(xué)”和“拖動課程”往往被壓縮成“電機與拖動”一門課，甚至包含實驗內(nèi)容也只有32課時，電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)的教學(xué)簡單化，考試內(nèi)容較少涉及。直流電機的使用在許多方面被交流電機取代，但直流電機在調(diào)速拖動等方面還在應(yīng)用中。直流電動機的現(xiàn)代控制理論中，電流環(huán)控制電樞轉(zhuǎn)子的加速度、轉(zhuǎn)速環(huán)控制電機的轉(zhuǎn)速、位置環(huán)控制轉(zhuǎn)子的具體位置是學(xué)習(xí)交流電機現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)。

電機是機電能量轉(zhuǎn)換裝置，磁場是其耦合場。無論直流電機的耦合磁場是電勵磁的還是永磁磁場，磁極的結(jié)構(gòu)和勵磁工作原理相比于電樞繞組而言，容易被學(xué)生理解和接受。直流電機的電樞是直流電機機電能量轉(zhuǎn)換的樞紐部件，包括電樞繞組、電樞沖片和換向器，電樞沖片是磁路的一部分，換向器是電路的一部分，只要學(xué)生到相關(guān)的電機生產(chǎn)企業(yè)實習(xí)過，則容易理解和掌握。

電樞繞組的排布方面，現(xiàn)在常用的繞組有疊繞組、波繞組，這部分內(nèi)容學(xué)生掌握困難，因此，可以借用期刊和網(wǎng)絡(luò)的傳播功能，對“電機和拖動”課程中有關(guān)直流電機繞組的內(nèi)容加以具體解析，用以加強學(xué)生對電機理論的理解。

2 直流電機電樞繞組的分布和端部連接的總體要求

為使相同幾何尺寸的電機最有效地完成機電能量轉(zhuǎn)換，要求排布在電機各個勵磁磁極磁場下的繞組導(dǎo)體感應(yīng)相反方向的電動勢，流過相反方向的電流，一般應(yīng)避免NS極下的導(dǎo)體感應(yīng)電勢相互抵消、電磁轉(zhuǎn)矩相互抵消的現(xiàn)象發(fā)生。

直流電機電樞繞組分布排列和連接也是有規(guī)律可循的。直流電機的電樞繞組由許多線圈組成，每個線圈的兩端分別與兩個換向片相連接，這樣的線圈被稱為繞組元件，線圈安排在電樞槽內(nèi)部，一個槽內(nèi)一般有幾個線圈，組成線圈組。槽內(nèi)的線圈邊分上、下兩層疊置，形成雙層繞組。線圈邊與換向片之間按照一定的規(guī)律連接起來，按繞組元件循行，形成閉合回路。在換向器上安置電刷后，由繞組元件組成的閉合回路即被正、負極性的電刷分成多對并聯(lián)支路，并通過電刷與外電路相連，實現(xiàn)發(fā)電機提供電能、電動機吸收電能的功能。

以下就常用的直流電機電樞繞組的排布逐一解析，用以幫助學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容的學(xué)生入門，進而消化吸收，最后掌握和理解。

繞組的基本數(shù)據(jù)說明如下：為電樞槽數(shù)，為電樞每槽并列的元件邊數(shù)，為電樞繞組元件總數(shù)，為換向器片總數(shù)，a為每個元件的匝數(shù)，a為電樞繞組總的導(dǎo)體數(shù)，1為電樞繞組的第一節(jié)距，k為電樞繞組的換向器節(jié)距，為電樞繞組的合成節(jié)距，2為電樞繞組的第二節(jié)距，為電樞繞組的并聯(lián)支路對數(shù)，為復(fù)倍系數(shù)，下腳標用以表示疊繞組，下腳標用以表示波繞組。對于初學(xué)者來說，為了簡化分析，取=1，在此情況下==。

3 疊繞組的分布和端部連接特點

以單疊繞組，即電樞繞組復(fù)倍系數(shù)L=1為例來解析，單疊繞組如圖1所示。

在圖1中，本例電樞沖片上有16個槽，標號為1～16，元件以上層邊所在的槽號命名，共有1～16個元件，即有16個槽和16個元件。元件上層邊編號與槽號一致，下層邊則以元件號上加撇。這樣第一號槽的上層元件邊編號為1，第五號槽下層元件邊編為1′，1和1′組成1號元件，端部用導(dǎo)線連接；第二號槽的上層元件邊編號為2，第六號槽下層元件邊編為2′，2和2′組成2號元件，端部用導(dǎo)線連接；余下類推。

圖1 單疊繞組（極數(shù)2p=4，mL=1，2a=4，S=K=Z=16，u=1，y1=4，y2=3，yk=1，Wa=1）

16號槽的上層元件邊編號為16，第四號槽下層元件邊編為16′，16和16′組成16號元件，端部用導(dǎo)線連接，至此，16個元件完整地分布在16個槽中。

每個元件都有兩個出線接線頭，接到換向片上。1號元件上層元件邊接到1號換向片上，1號元件下層元件邊接到2號換向片上；2號元件上層元件邊接到2號換向片上，2號元件下層元件邊接到3號換向片上；余下類推。16號元件上層元件邊接到16號換向片上，16號元件下層元件邊接到1號換向片上，至此，繞組沿電樞圓周形成閉合回路。

為了完成機電能量轉(zhuǎn)換的工作，還要在換向器上面安置電刷，把上層元件邊在N極下面的元件和上層元件邊在S極下面的元件分在不同的支路里，這樣N極下面的元件和S極下面的元件的感應(yīng)電勢不會相互抵消。

元件1、元件5、元件9、元件13感應(yīng)電勢為0，電刷應(yīng)與這4個元件邊所連接的換向片相接觸，如圖1所示。上層邊在N極下面的元件2、元件3、元件4相串聯(lián)，上層邊在S極下面的元件6、元件7、元件8相串聯(lián)，上層邊在N極下面的元件10、元件11、元件12相串聯(lián)，上層邊在S極下面的元件14、元件15、元件16相串聯(lián)，4條支路通過電刷并聯(lián)在一起。

4 波繞組的分布和端部連接特點

以單波繞組，即電樞繞組復(fù)倍系數(shù)w=1為例來解析，單波繞組如圖2所示。

在圖2中，本例電樞沖片上有15個槽，標號為1～15，元件以上層邊所在的槽號命名，共有1～15號15個元件，即有15個槽和15個元件。元件上層邊編號與槽號一致，下層邊則以元件號上加撇。這樣第一號槽的上層元件邊編號為1，第四號槽下層元件邊編為1′，1和1′組成1號元件，端部用導(dǎo)線連接；第二號槽的上層元件邊編號為2，第五號槽下層元件邊編為2′，2和2′組成2號元件，端部用導(dǎo)線連接；余下類推。

15號槽的上層元件邊編號為15，第三號槽下層元件邊編為15′，15和15′組成15號元件，端部用導(dǎo)線連接，至此，15個元件完整地分布在15個槽中。

圖2 單波繞組（極數(shù)2p=4，mw=1，2a=2，S=K=Z=15，u=1，y1=3，y2=4，yk=7，Wa=1）

波繞組每個元件都有兩個出線接線頭，接到換向片上。1號元件上層元件邊接到1號換向片上，1號元件下層元件邊接到8號換向片上，這是與前述疊繞組最大的不同點；8號元件上層元件邊接到8號換向片上，8號元件下層元件邊接到15號換向片上；15號元件上層元件邊接到15號換向片上，15號元件下層元件邊接到7號換向片上；余下類推。元件的連接次序如下：1→8→15→7→14→6→13→5→12→4→11→3→10→2→9→1。

9號元件上層元件邊接到9號換向片上，9號元件下層元件邊接到1號換向片上，至此，繞組形成閉合回路。

為了完成機電能量轉(zhuǎn)換工作，還要在換向器上面安置電刷，把上層元件邊在N極下面的元件和上層元件邊在S極下面的元件分在不同的支路里，這樣N極下面的元件和S極下面的元件的感應(yīng)電勢，不會相互抵消。

在該波繞組直流電機圓周上，均布4個勵磁磁極N極、S極、N極、S極。一般情況下，會采用全額電刷，電刷也均布于主極軸線下的換向片上，在圖2中，磁極和電刷是靜止的，繞組和換向片是圓周旋轉(zhuǎn)的。

無論主磁極與電樞各槽的位置如何變化，從電刷外面看繞組時，永遠只有2個并聯(lián)支路，即元件上層邊在N極下面的串聯(lián)支路和元件上層邊在S極下面的串聯(lián)支路。

具體而言，在圖2中，元件1、元件9和元件5感應(yīng)電勢近似為0，電刷與這3個元件邊所連接的換向片1號、8號、9號、1號、5號、12號相接觸，短路時環(huán)流很小，在輸入輸出電能時利于換向。上層邊在N極下面的元件12、元件4、元件11、元件3、元件10、元件2串聯(lián)起來，組成一條支路，上層邊在S極下面的元件8、元件15、元件7、元件14、元件6、元件13串聯(lián)起來，組成另一條支路，2條支路通過電刷并聯(lián)在一起。

5 結(jié)束語

直流電機電樞繞組排布和連接在許實章主編的《電機學(xué)》，湯蘊璆編著的《電機學(xué)》，李發(fā)海、朱東起編著的《電機學(xué)》，黃堅、郭中醒主編的《實用電機設(shè)計計算手冊》以及其他的電機學(xué)和電機設(shè)計教材中都有論述[1-4]。本文在參考上述文獻的基礎(chǔ)上，結(jié)合教學(xué)實踐，對直流電機常用疊繞組、波繞組，采用元件上層邊和下層邊同一編號的方法重新畫圖，使學(xué)生一目了然，為想借助網(wǎng)絡(luò)期刊學(xué)習(xí)直流電機繞組分布和連接內(nèi)容的學(xué)生提供了另外一種理解的視角。

［1］許實章.電機學(xué)（修訂本）［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1986.

［2］湯蘊璆.電機學(xué)（修訂本）［M］.5版.北京：清華大學(xué)出版社，2014.

［3］李發(fā)海，朱東起.電機學(xué)［M］.5版.北京：科學(xué)出版社，2013.

［4］黃堅，郭中醒.實用電機設(shè)計計算手冊［M］.2版.上海：上海科學(xué)技術(shù)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，上海電機學(xué)院電氣學(xué)院電機系，研究方向為電機及其自動化系統(tǒng)、電機設(shè)計。

〔編輯：張思楠〕