1.2 直流电机的电枢绕组

1.2.1 电枢绕组的基本知识

电枢绕组是直流电机的核心部分。它是按一定的规律缠绕在定子上的多个绕组线圈。在直流电机中，它的作用是产生感应电动势和电磁转矩，实现机电能量的转换。没有电枢绕组，直流电机就不能工作，它因此而得名，并且人们把直流电机的转子称为电枢。根据连接规律的不同，电枢绕组可分为单叠绕组、单波绕组、复叠绕组、复波绕组及混合绕组五种形式。这里只分析单叠绕组和单波绕组。

直流电机对电枢绕组的要求是：在保证产生足够大的感应电动势和电磁转矩的前提下，尽可能地节约有色金属和绝缘材料，并且要求结构简单，运行可靠，散热良好。

1．极距

极距就是一个磁极在电枢表面的空间距离，即

式中，τ表示极距；D表示电枢直径；p表示磁极对数（又称极数）。

实际上，常用一个磁极表面所占的虚槽Zu来计算极距，即

2．绕组元件

构成绕组的线圈称为绕组元件（以下简称元件），它的两端分别与换向片相连接，有单匝或多匝的。直流电机的电枢绕组是双层的，即每个槽分上、下两层嵌放元件的有效边。每个元件的一个边嵌放在一个槽子的上层，另一个边嵌放在另一个槽子的下层，如图1-9所示。

一个元件有两个边，而一个槽的上、下层可以嵌放不同元件的两个边，因此元件数和槽数相等。一个元件有两个端头，分别连到两个不同的换向片上，而每一个换向片上接两个不同元件的两个端头，因此元件数和换向片数相等。由此可见，元件数=换向片数=槽数。

3．叠绕组和波绕组

叠绕组是指相串联的后一个元件端接部分紧叠在前一个元件端接部分的上面，整个绕组成折叠式前进；波绕组是指相串联的两个元件像波浪式前进，如图1-10所示。

4．绕组的节距

为了正确地把各元件安放入电枢槽内，并且和相应的换向片按一定规律连接起来，就必须先了解电枢绕组的节距。

（1）第一节距y1。第一节距是指一个线圈的两个有效边之间在电枢表面上的跨距，用虚槽数表示，如图1-10所示。由于线圈边要放入槽内，所以y1应是整数。而为了让绕组能感应出最大的电动势，应使y1接近或等于极距，即

式中，ε为正分数，是将y1补成整数的一个正分数。若ε=0，则y1=τ，称为整距绕组；若取正号，则y1＞τ，称为长距绕组；若取负号，则y1＜τ，称为短距绕组。为了节省铜线及某些工艺要求，一般采用短距或整距绕组。

（2）第二节距 y2。第二节距是指相串联的两个相邻线圈中，第一个线圈的下层边与相邻的第二个线圈的上层边之间的距离，用虚槽数表示。

（3）换向片节距 yk。换向片节距是指线圈的两端所连接的换向片之间的距离，用该线圈跨过的换向片数来表示。

（4）合成节距y。它是指相串联的两个相邻线圈对应的有效边之间的距离，用虚槽数表示。合成节距与第一和第二节距的关系为y=y1+y2。

1.2.2 单叠绕组

单叠绕组是指一个元件的两个出线端分别接到相邻的两片换向片上，如图1-10（a）所示。单叠绕组的合成节距y和换向节距yk都等于1，即y=yk=1。将其余元件依次串联（都是后一个元件的首端与前一个元件的尾端连在一起，再并联接到同一个换向片上），再将最后一个元件的尾端与第一个元件的首端连在一起，所有元件便形成一个闭合回路。由于后一个元件总是叠在前一个元件上，所以形象地称之为“叠绕组”。

1．单叠绕组的连接规律

单叠绕组的连接规律可用绕组展开图来表示。绕组展开图是人们想象把电枢沿轴向剖开展成平面后所见到的绕组图。绘制绕组展开图的步骤如下。

第一步：计算绕组的极距τ和各节距，包括y、y1。

第二步：画槽、画元件，按顺序编号。电机有多少个槽，就有多少个标号，并且标号是连续的，但起始标号可从任意槽开始。由于直流电机的电枢绕组是双层的，所以每槽用两条短线表示，实线表示上层，虚线表示下层。注意，实线上的标号既表示槽号，又表示元件号，同时还表示该元件的上层边所在的位置。

第三步：画换向片，按顺序编号。用小方块代表各换向片，换向器与电枢同周长，换向片的编号也遵循从左向右的顺序，并以第一元件上层边所连接的换向片作为第一换向片号。

第四步：排列、连接绕组。根据各节距按规律排列、连接绕组。

第五步：放置主磁极。主磁极应N、S极交替地、均匀地放置在各槽之上，且每个磁极的宽度约为0.7倍的极距。

第六步：安放电刷。放置电刷时，应使正、负电刷间的感应电动势最大，或使被电刷短路的元件的感应电动势最小。在绕组展开图中，直流电机的电刷置于磁极中心线下，电刷大小与换向片相同，电刷数与主磁极数相同。在实际生产过程中，直流电机电刷的位置是通过实验方法确定的。

例如，已知一台直流电机的2p=2, S（元件数）=K（换向片数）=Zu=8，试画出单叠绕组展开图。

计算：

极距

第一节距

合成节距

y=yk=1

按照上述步骤绘制单叠绕组的展开图，结果如图1-11所示。

2．单叠绕组的并联支路图

画出元件的连接及有关的换向片和电刷，就构成了绕组的并联支路图。并联支路图实际就是绕组的电路简图。

单叠绕组的瞬时并联支路图如图1-12所示。

从图中可知，同一磁极下的相邻线圈构成一条支路，如N极下的2、3、4三个线圈依次串联（构成一条支路）, S极下的6、7、8三个线圈依次串联（构成一条支路）。电刷A接触1号和2号换向片，电刷B接触5号和6号换向片。电枢旋转时，各元件的位置都在不断地变化。虽然每条支路所包含的元件号不断变化，但每条支路所包含的元件数基本不变，即单叠绕组是几极的就会有几条支路，因此有

式中，a为并联支路对数；p为磁极对数。

综上所述，单叠绕组的同一个主磁极下的元件串联在一起组成一个支路，有几个主磁极就有几条支路；电刷数等于主磁极数，且电刷位置应使支路的感应电动势最大；电枢电流等于各并联支路电流之和。

1.2.3 单波绕组

单波绕组是直流电机电枢绕组连接的另一种基本形式。因为其绕组线圈呈波浪形连接，所以称之为波绕组。

1．单波绕组的排列规律

（1）单波绕组的节距。单波绕组线圈的第一节距和上述单叠绕组相同，但其端接部分的形状和连接规律与单叠绕组就不同了。单波绕组直接相连的两个线圈的对应边不在同一个主磁极下面，而是分别处于相邻两对主磁极中的同极性磁极下面，其合成节距约等于两个极距，如图1-10（b）所示。这样，两个线圈在磁场中的相对位置基本上是相同的，使得两者产生的感应电动势方向相同，电磁转矩方向也相同。设直流电机有p对磁极，单波绕组的线圈沿电枢表面绕行一周应串联p个线圈，第p+1个线圈的位置不能与第1个线圈相重合，只能放在第一个线圈相邻的电枢槽中，因此，单波绕组线圈一定满足下列条件：

从换向器上看，第 p个线圈的末端不能接到与第1个线圈的首端相连的第1个换向片上，只能连接到与第1个换向片相邻的换向片上，显然，单波绕组线圈也应该满足下列条件：

根据式（1-9）可得：

式（1-10）应满足 y或 yk为整数的条件。当取正号时，第 p个线圈的末端将置于第1个换向片的右边，称为右行绕组；当取负号时，第p个线圈的末端将置于第1个换向片的左边，称为左行绕组。左行绕组端接线较短，易于制作，因此它得到了广泛应用。

（2）单波绕组的展开图。单波绕组的展开图的画图步骤与单叠绕组基本相同，从略。如图1-13所示是2p=4, Zu=15的左行单波短距绕组的展开图。

2．单波绕组的并联支路图

单波绕组的瞬间并联支路图如图1-14所示。由图可知，单波绕组只有一对并联支路，即a=1，这说明支路对数与磁极对数 p无关。

综上所述，单波绕组的电枢电动势等于支路的感应电动势；正、负电刷间的电动势最大。单叠绕组适用于低电压、大电流的直流电机，而单波绕组适用于较高电压、较小电枢电流的直流电机。