RMxprt-电枢绕组基本术语和类型

RMxprt-电枢绕组基本术语和类型

作者：电机设计青年/MotorDesign Youth

时间：202201

作者简介：曾担任ANSYS低频电磁工程师一职，后入职电机企业，从事电机产品研发工作，电机类型涉及电励磁同步电机、永磁同步电机、空心杯电机、轴向磁通电机等，应用行业涉及新能源汽车、航空、医疗器械等，精通软件且设计经验丰富。

电枢绕组是电机核心的部件，电枢绕组产生的电枢磁场和励磁绕组（或永磁体）产生的励磁磁场相互作用而产生电磁转矩，从而将机械能转换为电能（发电机）或者将电能转化为机械能（电动机），本文将介绍RMxprt中关于电枢绕组的基本术语和类型。

1 基本绕组术语

1.1 导体和并绕根数

导体是指一匝线圈的一半，它可能是一股绝缘导线，也可能是由多股绝缘导线绞合并绕而成。

导体可以由多股相同线规的导线并绕而成，也可以由多股不同线规的导线并绕而成，并绕股数也常称为导体的并绕根数。导体电流并不一定均匀地分布在每条导线中，但电流密度是均匀分布的。

1.2 线圈和线圈节距

线圈一般是由绝缘电磁线在绕线模上连续绕制而成。线圈可以有多匝，每一匝由一个或多个导体组成。导体的直线部分嵌放在铁心槽内，称为线圈的有效边。

线圈的两个有效边在电枢铁心上所跨过的槽数称为节距，用y表示。例如：第1槽线圈边，跨过8个槽，与第9槽线圈边连接，此时线圈节距为y=8=1~9。

极距：相邻磁极之间的距离，用槽数表示：极距=总槽数/极数；

整距线圈：线圈节距=极距；

短距线圈：线圈节距<极距；

长距线圈：线圈节距>极距；

1.3 线圈组

一个（对）极下属于同一相的线圈串联在一起，形成一组，称为线圈组。

1.4 绕组

同一相的线圈（或线圈组）按一定规律连接起来，称为相绕组。一个相绕组可以有多条并联支路，但每条支路必须有相同的反电势和相电阻。因而，相绕组电流是均匀地分布在每条支路中。

总而言之，绕组是由多条并联支路并联而成，每条支路由一个或者多个线圈组串联而成，一个线圈组由一个或者多个线圈串联而成，线圈可以有很多匝，每匝由一个或多个导体构成，每个导体由一股或多股相同规格或不同规格的导线并绕而成。

2 绕组类型

常见的多相交流电机的电枢绕组的类型，可以按如图1所示分类：

图1 多相交流绕组类型

3 全极式绕组

当交流绕组每相的线圈组数与极数相同时，也就是说每个极下每相有1个线圈组时，称为全极式绕组，如图2所示。

a. 单层	b. 双层

图2 全极式绕组

4 半极式绕组

当交流绕组的每一对极下每相只有一个线圈组时，绕组类型称为半极式，如图3所示。

a. 单层	b. 双层

图3 半极式绕组

5 单层绕组

当每个槽的导体都属于同一个线圈，称为单层绕组。用户可以在Winding Properties窗口的Winding选项中设定绕组层数。与双层绕组相比，单层绕组的特点是：

      a.线圈数量少一半；

      b. 槽内无需层间绝缘，槽利用率高；

      c.线圈节距取决于连接方式，不可调整；

      d.广泛用于小容量电机中；

按端部连接方式的不同，单层绕组可分为链式、叠式、同心式和交叉式。

5.1 单层链式绕组

单层链式绕组，因端部外形形似锁链而得名。对于链式绕组，每一个线圈组只有一个线圈。

        a.半极式链式绕组：三相6极18槽单层半极式链式绕组如图4所示；

图4 单层链式绕组：3相6极18槽半极式

       b.全极式链式绕组：三相4极24槽单层全极式链式绕组如图5所示；

图5 单层链式绕组：3相4极24槽全极式

5.2 单层叠式绕组

单层叠绕组因其端部成交叠状而得名。在单层叠绕组中，每个线圈组至少由两个或者两个以上相互交叠的线圈组成。

       a.半极式叠绕组：三相4极24槽半极式单层叠绕组，如图6所示；

图6 单层叠式绕组：3相4极24槽半极式

        b.全极式叠绕组：三相4极48槽全极式单层叠绕组，如图7所示；

图7 单层叠式绕组：3相4极48槽全极式

5.3 单层交叉式叠绕组

在叠绕组中，如果某些线圈组只有一个线圈，这种绕组类型也称为交叉式叠绕组。

        a.半极式交叉叠绕组：三相8极36槽单层半极式交叉叠绕组，如图8a所示；

        b.全极式交叉叠绕组：三相4极36槽单层全极式交叉叠绕组，如图8b所示；

a. 3相8极36槽半极式	b. 3相4极36槽全极式

图8 单层交叉式叠绕组

5.4 单层同心式绕组

单层同心式绕组由具有相同中心线、不同节距的同心式线圈构成，具有端部可分层排布、方便嵌线的工艺特点，但端部漏磁较大。

        a.半极式同心绕组：三相4极24槽半极式同心绕组，如图9a所示。

        b.全极式同心绕组：三相4极48槽全极式同心绕组，如图9b所示。

a. 3相4极24槽半极式	b. 3相4极48槽全极式

图9 单层同心式绕组

5.5 单层交叉式同心绕组

在同心式绕组中，如果某些线圈组只有一个线圈，绕组类型称为交叉式同心绕组。

       a.半极式交叉同心绕组：三相8极36槽单层半极交叉式同心绕组，如图10a所示。

       b.全极式交叉同心绕组：三相4极36槽单层全极式交叉同心绕组，如图10b所示。

a. 3相8极36槽半极式	b. 3相4极36槽全极式

图10 单层交叉式同心绕组

6 双层绕组

双层绕组中，每槽导体可分为上、下两层，线圈的一条直线边嵌于槽的上层，而另一条直线边嵌于另一槽的下层。用户可以在Winding Properties窗口的Winding选项中设定绕组层数。与单层绕组相比，双层绕组的特点为：

       a.线圈数量多一倍；

       b.需要层间绝缘，槽利用率有所降低，且存在相间击穿的可能；

       c.线圈节距可调，可采用适当的短矩系数削弱电势谐波，改善电磁性能；

       d.广泛用于容量在10kW以上的电机中；

在单速电机中，双层绕组一般都采用全极式绕组。而对于变极双速电机，高速时一般采用全极式双层绕组，低速一般采用半极式双层绕组。

按线圈构成方法和导体连接次序的不同，双层绕组可分为叠绕组、同心绕组和波绕组。

在单速电机中，双层绕组一般都采用全极式绕组。而对于变极双速电机，高速时一般采用全极式双层绕组，低速一般采用半极式双层绕组。

按线圈构成方法和导体连接次序的不同，双层绕组可分为叠绕组、同心绕组和波绕组。

6.1 双层叠绕组

例如三相4极24槽双层全极式叠绕组（短距y=5），如图11所示。

图11 三相4极24槽双层全极式叠绕组

6.2 双层同心式绕组

例如三相4极24槽全极式双层同心式绕组（短距y=4/6），如图12所示。

图12 三相4极24槽全极式双层同心式绕组

6.3 双层波绕组

双层波绕组因其展开图，形似波浪而得名，如图13所示。

图13 三相4极36槽全极式双层波绕组

与叠绕组相比：

       a.每相绕组先在不同极下串联沿圆周绕行一周后，回到第一个线圈的左边，再继续绕行第二周，直到绕完该相的全部线圈为止；

       b.一般用于低压大电流电机中，单匝成型绕组；

       c.极间连线较少；

6.4 分数槽绕组

首先，介绍每极每相槽数q：

                      

其中：Z-槽数，p-极数，m-相数。

对于分数槽绕组电机，q是一个分数：

                       

例：三相6极45槽双层分数槽绕组(q=1/2,极距τ=7+1/2,节距y=7)，如图14所示：

图14 三相6极45槽双层分数槽绕组

6.5 不对称绕组

对于分数槽绕组，如果分母d是相数m的倍数，则分数槽绕组成为不对称绕组。一般地，尽量避免使用不对称绕组，不过有时为了使用冲片，可能会使用带有少量不对称的多相绕组。

例：三相6极66槽不对称双层绕组（q=2+2/3，极距=11，节距y=11），如图15所示：

图15 三相6极66槽不对称双层绕组

7 小结

本文介绍RMxprt中电枢绕组的基本术语和类型，这是电机设计者所应具备的最基本的知识。

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