杜世勤

直流電機(jī)電樞繞組分布排列和連接解析

杜世勤

（上海電機(jī)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(qiáng)電內(nèi)容只得壓縮。直流電機(jī)在調(diào)速拖動(dòng)等方面還在應(yīng)用中，直流電機(jī)的現(xiàn)代控制理論是交流電機(jī)控制的基礎(chǔ)，有些學(xué)有余力的學(xué)生，在課外對(duì)直流電機(jī)繞組有學(xué)習(xí)需求，因此，對(duì)直流電機(jī)電樞常用的疊繞組和波繞組的分布排列和連接進(jìn)行了解析，用以對(duì)電機(jī)與拖動(dòng)課程內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充和提高。

直流電機(jī)；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(jì)算機(jī)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(shí)，強(qiáng)電中的“電機(jī)學(xué)”和“拖動(dòng)課程”往往被壓縮成“電機(jī)與拖動(dòng)”一門課，甚至包含實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也只有32課時(shí)，電機(jī)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(jī)的使用在許多方面被交流電機(jī)取代，但直流電機(jī)在調(diào)速拖動(dòng)等方面還在應(yīng)用中。直流電動(dòng)機(jī)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(jī)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(jī)現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)。

電機(jī)是機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，磁場是其耦合場。無論直流電機(jī)的耦合磁場是電勵(lì)磁的還是永磁磁場，磁極的結(jié)構(gòu)和勵(lì)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(jī)的電樞是直流電機(jī)機(jī)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(jī)生產(chǎn)企業(yè)實(shí)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(duì)“電機(jī)和拖動(dòng)”課程中有關(guān)直流電機(jī)繞組的內(nèi)容加以具體解析，用以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)電機(jī)理論的理解。

2 直流電機(jī)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(jī)最有效地完成機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，要求排布在電機(jī)各個(gè)勵(lì)磁磁極磁場下的繞組導(dǎo)體感應(yīng)相反方向的電動(dòng)勢(shì)，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(shì)相互抵消、電磁轉(zhuǎn)矩相互抵消的現(xiàn)象發(fā)生。

直流電機(jī)電樞繞組分布排列和連接也是有規(guī)律可循的。直流電機(jī)的電樞繞組由許多線圈組成，每個(gè)線圈的兩端分別與兩個(gè)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(gè)槽內(nèi)一般有幾個(gè)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(fù)極性的電刷分成多對(duì)并聯(lián)支路，并通過電刷與外電路相連，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)提供電能、電動(dòng)機(jī)吸收電能的功能。

以下就常用的直流電機(jī)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(jìn)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(gè)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(duì)數(shù)，為復(fù)倍系數(shù)，下腳標(biāo)用以表示疊繞組，下腳標(biāo)用以表示波繞組。對(duì)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(diǎn)

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(gè)槽，標(biāo)號(hào)為1～16，元件以上層邊所在的槽號(hào)命名，共有1～16個(gè)元件，即有16個(gè)槽和16個(gè)元件。元件上層邊編號(hào)與槽號(hào)一致，下層邊則以元件號(hào)上加撇。這樣第一號(hào)槽的上層元件邊編號(hào)為1，第五號(hào)槽下層元件邊編為1′，1和1′組成1號(hào)元件，端部用導(dǎo)線連接；第二號(hào)槽的上層元件邊編號(hào)為2，第六號(hào)槽下層元件邊編為2′，2和2′組成2號(hào)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(hào)槽的上層元件邊編號(hào)為16，第四號(hào)槽下層元件邊編為16′，16和16′組成16號(hào)元件，端部用導(dǎo)線連接，至此，16個(gè)元件完整地分布在16個(gè)槽中。

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

為了完成機(jī)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(shì)不會(huì)相互抵消。

元件1、元件5、元件9、元件13感應(yīng)電勢(shì)為0，電刷應(yīng)與這4個(gè)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(diǎn)

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(gè)槽，標(biāo)號(hào)為1～15，元件以上層邊所在的槽號(hào)命名，共有1～15號(hào)15個(gè)元件，即有15個(gè)槽和15個(gè)元件。元件上層邊編號(hào)與槽號(hào)一致，下層邊則以元件號(hào)上加撇。這樣第一號(hào)槽的上層元件邊編號(hào)為1，第四號(hào)槽下層元件邊編為1′，1和1′組成1號(hào)元件，端部用導(dǎo)線連接；第二號(hào)槽的上層元件邊編號(hào)為2，第五號(hào)槽下層元件邊編為2′，2和2′組成2號(hào)元件，端部用導(dǎo)線連接；余下類推。

15號(hào)槽的上層元件邊編號(hào)為15，第三號(hào)槽下層元件邊編為15′，15和15′組成15號(hào)元件，端部用導(dǎo)線連接，至此，15個(gè)元件完整地分布在15個(gè)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(gè)元件都有兩個(gè)出線接線頭，接到換向片上。1號(hào)元件上層元件邊接到1號(hào)換向片上，1號(hào)元件下層元件邊接到8號(hào)換向片上，這是與前述疊繞組最大的不同點(diǎn)；8號(hào)元件上層元件邊接到8號(hào)換向片上，8號(hào)元件下層元件邊接到15號(hào)換向片上；15號(hào)元件上層元件邊接到15號(hào)換向片上，15號(hào)元件下層元件邊接到7號(hào)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(hào)元件上層元件邊接到9號(hào)換向片上，9號(hào)元件下層元件邊接到1號(hào)換向片上，至此，繞組形成閉合回路。

為了完成機(jī)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(shì)，不會(huì)相互抵消。

在該波繞組直流電機(jī)圓周上，均布4個(gè)勵(lì)磁磁極N極、S極、N極、S極。一般情況下，會(huì)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(shí)，永遠(yuǎn)只有2個(gè)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(shì)近似為0，電刷與這3個(gè)元件邊所連接的換向片1號(hào)、8號(hào)、9號(hào)、1號(hào)、5號(hào)、12號(hào)相接觸，短路時(shí)環(huán)流很小，在輸入輸出電能時(shí)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(jī)電樞繞組排布和連接在許實(shí)章主編的《電機(jī)學(xué)》，湯蘊(yùn)璆編著的《電機(jī)學(xué)》，李發(fā)海、朱東起編著的《電機(jī)學(xué)》，黃堅(jiān)、郭中醒主編的《實(shí)用電機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算手冊(cè)》以及其他的電機(jī)學(xué)和電機(jī)設(shè)計(jì)教材中都有論述[1-4]。本文在參考上述文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，對(duì)直流電機(jī)常用疊繞組、波繞組，采用元件上層邊和下層邊同一編號(hào)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(jī)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(shí)章.電機(jī)學(xué)（修訂本）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986.

［2］湯蘊(yùn)璆.電機(jī)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(jī)學(xué)［M］.5版.北京：科學(xué)出版社，2013.

［4］黃堅(jiān)，郭中醒.實(shí)用電機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算手冊(cè)［M］.2版.上海：上?？茖W(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(jī)學(xué)院電氣學(xué)院電機(jī)系，研究方向?yàn)殡姍C(jī)及其自動(dòng)化系統(tǒng)、電機(jī)設(shè)計(jì)。

〔編輯：張思楠〕