電樞繞組

電機的電樞中按一定規律繞制和連接起來的線圈組。它是電機中實現機電能量轉換的主要組成部件之一。組成電樞繞組的線圈有單匝的,也有多匝的,每匝還可以由若干並聯導線繞成。所示為一隻線圈在槽中安置的情況。

電樞繞組設計要求：電樞繞組的構成，應能產生足夠的感應電動勢，並允許通過一定的電樞電流，從而產生所需的電磁轉矩和電磁功率，此外，還要節省有色金屬和絕緣材料，結構簡單，運行可靠。 ^[1] 

電樞繞組分直流電樞繞組和交流電樞繞組兩大類。它們分別用於直流電機和交流電機。

電樞繞組的常用術語

元件（線圈）：繞組線圈稱為繞組元件，分單匝和多匝。一個元件由兩條元件邊和端接線組成，元件邊放在槽內，能切割磁力線而產生感應電動勢，叫“有效邊”，端接線放在槽外，不切割磁力線，僅作為連接線用。每個元件的一個元件邊放在某一個槽的上層，另一個元件邊則放在另一槽的下層。

元件的首末端：每一個元件均引出兩根線與換向片相連，其中一根稱為首端，另一根稱為末端。每一個元件的兩個端點分別接在不同的換向片上，每個換向片接兩個不同的線圈端頭。

實槽：電機電樞上實際開出的槽叫實槽。實槽數用Q表示。

虛槽：即單元槽(每層元件邊的數量等於虛槽數)，每個虛槽的上、下層各有一個元件邊。虛槽數用Qμ表示。設槽內每層有μ個虛槽，若實槽數為Q，虛槽數為Qμ，則Qμ= μQ。

極軸線：磁極的中心線。

幾何中性線：是指主磁極N極和S極的機械分界線。

物理中性線：把N極與S極磁場為零處的分界線稱為物理中性線。 ^[2] 

通常採用雙層繞組。線圈的有效部分包含左、右兩個有效邊。放在槽內且靠近槽口的有效邊叫上層邊，靠近槽底的有效邊叫下層邊。同一槽中上下層間用絕緣紙隔開。同一線圈上下兩有效邊沿圓周方向的距離即為線圈的跨距，通常用槽距（兩相鄰槽間距離）的倍數表示。跨距約等於一個極距（相鄰兩磁極的距離，也常用槽距的倍數表示）。

　直流電樞繞組分疊繞組、波繞組和蛙繞組3種。每個線圈的兩個出線端連接到換向器的兩個換向片上，兩者在換向器圓周表面上相隔的距離稱為換向器節距，用Ys表示。不同形式的繞組具有不同的換向器節距。

指串聯的兩個元件總是後一個元件的端接部分緊疊在前一個元件端接部分，整個繞組成摺疊式前進。

有單疊繞組和復疊繞組之分。單疊繞組是將同一磁極下相鄰的線圈依次串聯起來，構成一條並聯支路，所以對應一個磁極就有一條並聯支路。單疊繞組的基本特徵是並聯支路數等於磁極數。各條支路間通過電刷並聯。

單疊繞組線圈的換向器節距Ys=1。Ys>1者稱復疊繞組。比較常用的是Ys=2的復疊繞組，又稱雙疊繞組。雙疊繞組在一個磁極下有兩條並聯支路。例如一台四極直流電機，採用雙疊繞組時,共有8條並聯支路。各條支路間也是通過電刷並聯。電刷組數等於電機的極數。其中一半為正電刷組，另一半為負電刷組。疊繞組的並聯支路數較多，它等於極數或為極數的整倍數，所以又叫並聯繞組。

指把相隔約為一對極距的同極性磁場下的相應元件串聯起來，象波浪式的前進。

有單波繞組和復波繞組。單波繞組的特點是將同極性下的所有線圈按一定規律全部串聯起來，形成一條並聯支路。所以整個電樞繞組只有兩條並聯支路。波繞組線圈的換向器節距式中P為磁極對數;k為換向片數；a為使Ys等於整數的正整數，它等於波繞組的並聯支路對數。單波繞組的a=1，而a=2的復波繞組稱雙波繞組,它可以看成是由兩個單波繞組並聯而成的復波繞組,故有4條並聯支路；a>2者可類推，但用得很少。

波繞組從並聯電路連接原理上説,只需兩組電刷,即一組正電刷和一組負電刷。然而，通常直流電機中波繞組的電刷組數仍然等於其極數，這是為了減輕電刷和換向片接觸面上的電流負荷，從而可以縮短換向器的長度。此外，對線圈電流的換向也有好處。

直流電樞繞組常由於某種原因造成各並聯支路的電流不均勻分配,使銅耗增加,電樞繞組過熱；有時也會使電刷下發生有害的火花，給電機運行帶來不利影響。將電樞繞組內部理論上的等電位點用導線直接連接，就可以改善電機的運行條件。專門為此而設置的連接導線稱為均壓線。

由適當配合的疊繞組和波繞組混合而成的一種直流電樞繞組。疊繞組和波繞組的線圈接在同一換向器上並聯工作。由於其線圈組合的外形很像青蛙而得名。這種繞組因波繞組線圈和疊繞組線圈之間互相起着均壓線作用，故無需另外加接均壓線。採用蛙繞組的直流電機有良好的運行性能，故其應用日益廣泛。

電樞繞組是直流電機的核心部分．當電樞在磁場中旋轉時，電樞繞組中會感應電動勢．當電樞繞組中有電流流過時，會產生電樞磁動勢，它與氣隙磁場相互作用，又產生電磁轉矩．電動勢與電流相互作用，吸收或放出電磁功率．電磁轉矩與轉子轉速相互作用，吸收或放出機械功率．二者同時存在，構成電磁能量與機械能量的相互轉換，完成直流電機的基本功能．因此，電樞繞組在直流電機中起着重要的作用。

根據不同的聯結方法，電樞繞組可分為：(1)單疊繞組，(2)單波繞組；(3)復疊繞組；(4)復波繞組；(5)混合繞組等．它們的主要差別在於從電刷外看進去，電樞繞組聯結成了不同數目的並聯支路，以滿足不同額定電壓和電流的要求，其中單疊繞組和單波繞組是兩種基本的型式．由於篇幅的限制，本書主要介紹單疊和單波繞組。

電樞繞組雖然有不同類型，但在結構上有其共同的特點：它們都是由結構形狀相同的繞組元件(簡稱元件)按一定的規律聯結而成．繞組元件又叫線圈，一台電機的總元件數用s表示，每一元件有兩個放在槽中能切割磁通感生電動勢的有效邊稱元件邊．元件在槽外的部分不切割磁通，不感生電動勢，稱為端部．元件可分為單匝元件和多匝元件，前者的元件邊只有一根導體，後者元件邊則有多根導體串聯繞制而成，元件匝數以N。表示，每個元件有兩根引出線，一根為首端，一根為尾端，它們接到不同的換向片上。

繞組的各個元件之間通過換向片相互聯結起來，這樣就必須在同一換向片上，既連有一個元件的首端，又連有另一個元件的尾端，使整個電樞繞組的元件數S和換向片數X相等，即S=K。

繞組元件被嵌放在電樞鐵心的槽內，如第七章圖7—8(a)所示，它的一個元件邊被放在槽的上層，稱為上層邊，另一邊被嵌放在另一槽的下層，稱為下層邊，同一槽上下二層放置了不同元件的有效邊，而一個元件也只有兩個邊，這樣電樞的槽數Q就應該等於元件數J。

為了正確地把繞組嵌放在槽內並與換向片相聯結，首先應瞭解電樞和換向器上各種繞組元件的節距．所謂節距是指相關的兩個元件邊之間的距離，通常以所跨過的槽數或換向片數來表示。

1.第一節距

2．第二節距J2

y2為元件的下層邊與其相聯結的元件上層邊之間的距離，以虛槽數計。

3．合成節距y和換向片節距yt

y是相串聯的兩個元件的對應邊的距離，以虛槽數計．y與y1、y2的關係為

y=y1十y2

yK是一個元件的首尾端在換向器上的距離，以換向片數表示.yK的大小應使串接元件的電動勢方向——致，以免方向相反相互抵消．圖9—2(a)為單疊繞組，其yx=1．圖9—2(b)為單波繞組，其yx很大．但它們都是將感應電動勢同方向的元件串聯起來。

交流電樞繞組可分為卷線式和籠式兩大類。

卷線式繞組又有以下幾種分類法。

有單相繞組和三相繞組。如果是三相的，要求三相繞組在磁場空間位置上對稱分佈，也就是各相間互差120°電角度。

三相繞組可接成星形(Y)或三角形(△)，如圖4所示。如果把D1～D6等6個線端都引出來,則可根據需要接成Y或△形。例如為了降低起動電流,使異步電動機起動時接成Y形，而運轉時接成△形。

還有一種星－三角混合的接法。這種混接可有串聯和並聯兩種。利用星－三角混接可以從三相電源中獲得相當於十二相的電流系統。

並聯混接中星形繞組部分和三角形繞組部分之間容易產生環流，所以實際上採用的以串聯混接為多。

按每相繞組在圓周上連續佔有空間的電角度（相帶）分類：有120°相帶、60°相帶和30°相帶等繞組。通常三相交流電機採用 60°相帶繞組。在相同串聯導體數下,60°相帶繞組感應電動勢約比120°相帶繞組的感應電動勢大 15%以上。30°相帶繞組雖然可以進一步提高繞組利用率，但由於其繞組製造複雜，而感應電動勢提高不多，故僅用在一些有特殊要求的場合，例如用於高效率電動機中。

有單層繞組、雙層繞組和單雙層繞組。

單層繞組多用於小功率電機。和雙層繞組相比，它的線圈數減半，故繞線及嵌線工作量較少。雙層繞組可以任意選擇繞圈跨距以改善電動勢和磁通勢波形，或用來削弱某一特定的有害諧波。它的所有線圈幾何尺寸一致，便於製造，並且端部結構整齊，有利於散熱，機械強度也高，因而，除了小型電機外，雙層繞組在所有容量範圍內都得到了廣泛應用。單雙層繞組是雙層短距繞組的一種變形，其性能和對應的雙層短距繞組相同，但端部接線較短。線圈的幾何尺寸不等是它的一個缺點。

有整數槽和分數槽兩種。整數槽繞組應用最為廣泛。

分數槽繞組主要用以削弱同步電機中危害極大的齒諧波，改善電動勢波形和減少表面損耗。在低速多極的水輪發電機中用得很多。與整數槽繞組相比，分數槽繞組的磁通勢中諧波較多，必須防止可能引起的振動和噪聲。

此外，單層繞組中還可按線圈端部的連接方法分為同心式、鏈式和交叉式3種。

籠式繞組是異步電機中應用最廣的一類交流電樞繞組。它的結構和定子繞組很不相同。在異步電機轉子鐵心的槽內各有一根導體條。鐵心兩端槽口外有兩個端環分別將所有導體條的兩端都連接起來，成一短接的迴路。如果去掉磁路部分的鐵心，只考慮導電的電路部分，則此繞組的形狀像一個籠子（見三相異步電動機），故得名。籠式繞組的每根導體條就是一相。它可以和任意極數的旋轉磁場相配合，在其中感生電流。籠式繞組中的感應電動勢很小，所以一般不需要絕緣。

優點

繞組不受極數的限制,即同樣的繞組可供不同極數的電機使用。

缺點

中空鐵心內側導體無法切割磁極磁通（無磁通可切）以產生電勢,即只有一半導體產生電動勢，浪費材料且增加電樞電阻須手工繞制,製造費時,且絕緣處理不易使自感及互感增大致換向不良。

優點

導體利用率較環形繞組高可採用成形的繞組,繞置容易及易於絕緣自感及互感較環形繞組小,因此換向較環形繞組優。

缺點

不能適用於不相同極數的電機,有可能電動勢方向或電磁力方向會相反而抵消一部分。 ^[2]