無刷直流電機繞組

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上第三章 直流無刷電動機的繞組第一節(jié) 概述同其他類型電動機一樣，直流無刷電動機本體也是由定子和轉子兩大部件構成。轉子是指電動機在運行時可以轉動的部分，通常由轉軸、永久磁鋼及磁軛等部件組成。其主要作用是在電動機的氣隙內(nèi)產(chǎn)生足夠的磁感應強度，并同通電后的定子繞組相互作用產(chǎn)生感應電勢，以驅動自身運轉。定子是指電動機在運行時不動的部分，主要由硅鋼沖片同分布在它們槽內(nèi)的繞組以及機殼、端蓋、軸承等部件組成。所謂“繞組”，是指一些按一定的規(guī)律連接起來的線圈的總和。繞組通電后，與轉子磁鋼所產(chǎn)生的磁場相互作用，產(chǎn)生力或感應電勢驅使轉子帶動負載一塊轉動。轉子磁鋼轉動后，其磁力線反過來又切割

2、定子繞組，在定子繞組中產(chǎn)生感應電動勢，反過來又影響了電動機內(nèi)電動勢的平衡關系。可見通電繞組和磁場之間的相互作用，是電動機內(nèi)部機電能量轉換的主要媒介。只有搞清電動機內(nèi)磁場的分布和作用情況，才能確切地分析繞組所產(chǎn)生的感應電勢和感生電動勢的大小及方向，以便導出電動機的感應電勢平衡方程和電動勢平衡方程。然而離開了繞組的具體結構及聯(lián)接方式，很難講清楚電動機內(nèi)機電能量轉換的基本過程，對感應電動勢、電路參數(shù)和電磁感應電勢等基本問題，也會感到空洞或不著邊際。在本章里，將結合直流無刷電動機的基本性能要求來討論繞組結構的一些基本問題。為了簡明扼要地分析有關繞組問題，首先對直流無刷電動機的磁路及氣隙磁通作些必要的描

3、述和簡化。第二節(jié) 直流無刷電動機磁場的簡化在直流無刷電動機中，主磁場一般由轉子磁鋼產(chǎn)生，通常用主磁路如圖3.1所示，它通過相鄰兩個極的中心線，經(jīng)定子和轉子鐵心閉合。主磁路主要由氣隙、定子齒、定子軛和轉子軛幾部分組成。圖中，為工作磁通，為永久磁鋼內(nèi)磁通，S為漏磁通。 圖3.1電動機內(nèi)部磁路 1定子鐵心2軟鐵極靴3永久磁鋼嚴格地說，直流無刷電動機內(nèi)的磁場是含有不同磁介質的三維場，由于其幾何形狀復雜，又含有鐵磁物質等非線性因素，使得問題變得非常復雜。在工程分析中，為了突出主要的過程，抓住主要矛盾，常作下列簡化。如有必要，當對某些問題做進一步的深入研究時，再對某個被忽略的因素進行一定的補差和適當?shù)男拚?/p>

4、。（1）不計端部效應。即不計電動機主磁場向兩端的擴散，則在電動機繞組直線部分氣隙中的磁場沒有軸向分量，這樣一來，就把氣隙內(nèi)的磁場簡化為一個二維平面場；（2）不計鐵心部分的磁壓降及鐵心內(nèi)的磁滯、渦流效應。這樣，鐵心內(nèi)磁通是連續(xù)的。但場強為零，磁能及損耗皆為零，因而可以局限于研究氣隙內(nèi)的磁場；（3）不計定子鐵心表面開槽的影響，或者用一個等效的均勻氣隙來考慮定子開槽的影響。這樣，就使相當復雜的氣隙磁場大大簡化；（4）由于通常氣隙寬度遠小于氣隙半徑D，所以在氣隙中可不計磁場的切向分量及氣隙沿徑向的變化，即空氣隙中磁感應強度和場強只有一個值，方向是徑向的。于是整個問題就簡化為一維場。圖3.2理想氣隙磁感

5、應強度分布波形圖3.2示出了在上述假定條件下的直流無刷電動機氣隙磁感應強度B的分布情況。這時氣隙磁感應強度B與每極磁通量有以下關系： (3.1)式中：極距；L電動機鐵心的有效長度。由于磁通具有邊緣擴散現(xiàn)象，氣隙磁感應強度分布就變成如圖3.3所示，為了進一步改善氣隙磁感應強度的分布波形，通常都使轉子磁鋼外圓Rp與定子內(nèi)圓R有不同圓心，如圖3.4a所示，這時氣隙就不均勻了，磁極兩邊對應的氣隙比極中間的大，叫最大氣隙，用max表示。氣隙小的地方，磁阻小，磁力線密；氣隙大的地方，磁阻大，磁力線疏，所以氣隙里各處磁感應強度大小就不同了。最大氣隙與最小氣隙的比值一般取max/min=1.31.8。圖3.3

6、考慮邊緣擴散現(xiàn)象的氣隙磁感應強度波形 圖3.4氣隙不均勻時的磁感應強度波形滿足這些要求后，B的分布形狀就可變成圖3.4b所示的接近正弦形的氣隙磁感應強度。還要說明一下，圖3.4b所示的氣隙磁感應強度分布波形，是在假設定子鐵心表面沒有齒槽的條件下畫出的。實際上，電動機的定子表面有齒和槽，會對氣隙磁感應強度波形有影響，其中增加了與齒數(shù)有關的齒諧波，在此就不詳加討論了。第三節(jié) 繞組的構成及基本要求繞組的基本單元是線圈。每個線圈有兩個邊，分別放置在定子疊片的兩個槽內(nèi)。兩個線圈邊相聯(lián)接的部分，稱為線圈端部。線圈邊的直線部分放在槽內(nèi)，稱為線圈的有效部分，如圖3.5所示。直流無刷電動機中的電磁能量轉換主要通

7、過線圈的直線部分進行。線圈一般是由多匝導線組成，即由若干匝數(shù)的導線串聯(lián)構成，如圖3.5b所示。在特殊情況下，也可以是單匝的，如圖3.5a所示。圖3.5線圈的基本結構一個線圈的兩個有效邊沿圓周相隔的距離，稱為線圈的節(jié)距y，一般用定子內(nèi)的槽數(shù)或它與極距的比值來表示。當線圈的節(jié)距與極距相等時，稱為整距（或全距）繞組。節(jié)距小于極距時，稱為短距繞組。在特殊情況下，節(jié)距也可以大于極距，稱為長距繞組。例如，某直流無刷電動機轉子為兩對極（p=2），定子槽數(shù)Zs=36，則極距=Zs/2p=36/（2×2）=9槽。如采用整距繞組，則取節(jié)距y=9，即將一個線圈的兩邊分別放在第1槽和第10槽，如圖3.6所示

8、。如上例中節(jié)距小于極距（=9）。這時線圈兩邊分別放置在第1槽和第9槽中，這種繞組就稱為短距繞組。y=8 （3.2）或=8/9=0.889圖3.6 y=9時線圈在槽中的分布在直流無刷電動機內(nèi)，繞組又可分為單層繞組和雙層繞組。每個槽內(nèi)放置一個線圈邊時，稱為單層繞組；每個槽內(nèi)放置兩個線圈邊，且分為上、下層時，稱為雙層繞組。雙層繞組一般都采用短距繞組，其節(jié)距y在0.8左右，以使其5次和7次諧波的影響同時削減到比較小，這樣既改善了電動機的電磁性能，又可節(jié)省材料（因為繞組的端部接線縮短了）。單層繞組，每相每極僅一個線圈，而雙層繞組，每相每極僅兩個線圈時稱為集中繞組。單層繞組每相每極有兩個或更多個線圈、雙層

9、繞組每相每極有兩個以上線圈時，稱為分布繞組。電動機的定子（或轉子），其圓周等于360°，這種用機械關系計量的空間角度叫做機械角。但是在電工技術中，經(jīng)常用到電角度（簡稱電角）的概念。每對磁極占定子圓周的空間的機械角為360°/（極對數(shù)），但其電角度為360°。且每經(jīng)過一對磁極，就相應轉過360°電角度。顯然電角度是與磁極數(shù)有關，它與機械角度的關系（圖3.7）為電角度=極對數(shù)×機械角度 （3.3）歸納起來，直流無刷電動機對繞組有下列基本要求：圖3.7電動機機械角與電角的關系a）4極電機磁場示意圖 b）轉子導體1的感應電動勢波形（1）繞組導體沿定子圓

10、周排列，通電后產(chǎn)生的磁場，應形成與轉子磁場相同的極對數(shù)，這是最基本的要求。否則，它將無法運行；（2）節(jié)約用銅。在用銅量一定時，產(chǎn)生的感應電勢或電動勢最大；（3）繞組的結構應盡力使工藝簡單，制作維修方便；（4）絕緣可靠，散熱條件好。第四節(jié) 單層繞組前已指出，直流無刷電動機的繞組一般是由多個線圈串聯(lián)起來的，如圖3.8所示。若節(jié)距y等于極距時，叫整距繞組。最簡單的情況，用一個整距繞組作為電動機中一相的繞組稱為集中繞組。圖3.8整距繞組最簡單的三相直流無刷電動機由三個單相整距集中繞組組成。為了使三個相繞組所產(chǎn)生的對稱的感應電動勢，要求三相繞組完全對稱，所以在安排三相繞組時，各相繞組必須完全一樣，它們之

11、間的相位互差120°電角度。如果氣隙中磁通分布為正弦波，它們所產(chǎn)生的感應電動勢也應該為正弦波形，相互之間的相位差也是120°電角度。因此，可用矢量圖表示各相感應電動勢的基波，如圖3.9所示。圖3.9三相對稱基波對稱感應電動勢矢量圖為了有效地利用定子內(nèi)表面空間，便于繞組散熱。每相繞組一般不用一個集中繞組，而是用幾個線圈均勻地分散在定子表面上作為一個相繞組，這就是所謂的分布繞組。當一個集中繞組被幾個分布繞組代替后，怎樣組成三相繞組呢？又怎樣計算它們所產(chǎn)生的合成感應電動勢呢？由于各分布繞組在定子上的位置不同，它們所產(chǎn)生的感應電勢波形在相位上也不相同。我們知道，對于不同相位的感應電

12、勢所形成的合成感應電勢應該用矢量和來計算。為此在計算時不僅需要求出各個分布繞組里所產(chǎn)生感應電勢幅值的大小，還要找出它們之間的相位關系。如果每個分布繞組的匝數(shù)都一樣，且它們在同一磁感應強度的作用下，各分布繞組所產(chǎn)生的感應電勢幅值大小應該都是一樣的。問題是它們之間的相位關系如何確定。為此，通過一個具體實例來說明。設某直流無刷電動機的總槽數(shù)z=36，極對數(shù)2p=4，相數(shù)m=3，如圖3.10所示。在轉子磁鋼所產(chǎn)生的磁場作用下，產(chǎn)生一定的感應電勢，當轉子磁鋼轉過一對磁極的位置后，導體里所產(chǎn)生的感應電勢在時間上也完成了一個周期。即導體相對于磁極位移了360°空間電角度時，導體中基波感應電勢在時間

13、上也度過了360°電角度。圖3.10槽導體在定子上的分布 圖3.11導體感應電勢矢量 如果有兩根導體（如圖3.10中第36號導體和第1號導體）在定子表面上相距空間電角度，通電后一旦電動機開始轉動，在某一穩(wěn)定的轉速下，不難看出該繞組上所產(chǎn)生的基波感應電勢的在時間上必然也相差電角度，如圖3.11所示。這樣就可以把圖3.10中所有導體的基波感應電勢矢量畫出來。在畫圖前，先算出角的大小。=p×360°/ZD=2×360°/36=20°電角度式中p極對數(shù)；ZD總槽數(shù)。按照相鄰兩槽內(nèi)導體的感應電勢基波矢量相差電角度的規(guī)律，畫出電動機內(nèi)全部槽導體感

14、應電勢基波矢量圖（叫做星形矢量圖），如圖3.12所示。在星形矢量圖上，可以清楚地看出各槽導體感應電勢之間的相對關系。星形矢量圖對于安排繞組的聯(lián)接方法，以及計算繞組的感應電勢大小都有很大的用途。圖3.12星形矢量圖利用星形矢量圖，并根據(jù)三相繞組對稱和合成感應電勢最大的原則來分配各相繞組分別包含哪些槽導體，然后把它們聯(lián)成三相繞組。仍以圖3.10的電動機為例，把圖3.12的感應電勢矢量分成六等分。由每一等分里矢量對應的槽組成一個相帶（即每一相在電樞表面所占的空間地帶），并以順時針轉向依次標上A、C、B、A、C、B，每個相帶占有60°電角度空間，這種分法叫60°相帶法。為了分相帶方

15、便，可以先計算每個相帶中包含的槽數(shù)，即每極每相槽數(shù)q為q等于整數(shù)的，叫整數(shù)槽繞組；等于分數(shù)的，叫分數(shù)槽繞組，分數(shù)槽繞組在后面再介紹。把圖3.10沿軸向剖開，再展成一平面，磁極在定子上邊就不畫了，如圖3.13所示。這就是繞組展開圖。先畫36根等長又等距的直線，代表槽數(shù)，對每個槽標上號碼。從星形矢量圖中可清楚得知：1、2、3槽和19、20、21槽是屬于A相帶；10、11、12槽和28、29、30槽是屬于A相帶。它們之間相差180°電角度。于是，把屬于A相帶的一個槽和屬于A相帶的一個槽的導體聯(lián)接起來，構成繞組組合，引出線標以。同樣，可得另一對極下的繞組組合成。怎樣把兩個A相帶的繞組組合成一

16、個A相繞組呢？一般有兩種辦法：一種是把圖3.13中的和A2聯(lián)接起來成為串聯(lián)繞組；另一種是把圖3.13中的A1與A2聯(lián)接、A1與A2聯(lián)接，成為并聯(lián)繞組。同一繞組，如用串聯(lián)，則每相感應電動勢大，允許通過的相電流小；如用并聯(lián)，每相感應電動勢小，而通過的相電流大。同理可畫出B相繞組和C相繞組的聯(lián)接方法。圖3.13相繞組的聯(lián)接方式從圖3.13知道，在一對極里，屬于A相的槽有1和10、2和11、3和12，這些槽內(nèi)導體分別構成A相的三個線圈。如果用Ek1、Ek2、Ek3代表每個線圈的基波感應電勢。線圈基波感應電勢的相位依次相差角，如圖3.14a所示。要計算相感應電勢，必須把三個繞組感應電勢按矢量方式相加起來

17、，得到繞組總感應電勢EkEk=Ek1+Ek2+Ek3 (3.4)圖3.14各線圈的合成感應電勢圖3.14畫出了Ek1、Ek2、Ek3及合成的感應電勢Ek。根據(jù)幾何學，可作出它們的外接圓。如果外接圓半徑為R，則有 (3.5) (3.6)如果把分布繞組都集中在一起，每個繞組所產(chǎn)生的感應電勢彼此之間就沒有相位差了，它們的總感應電勢是qEk。把分布繞組時的總基波感應電勢Ek被繞組集中時的總基波感應電勢qEk去除，可得于是 (3.7)式中叫基波分布因數(shù)，它是比1小的數(shù)。這就是說，由于采用了分布繞組，合成總感應電勢比各個繞組集中在一起時的感應電勢減小了。從數(shù)學上看，就是把繞組集中在一起的感應電勢，乘上一個

18、小于1的因數(shù)，就是繞組分布以后的總感應電勢。仍以圖3.10所示的電動機為例，由于它的q=3、=20°，可得圖3.15繞組分布后能改善感應電勢波形由此可見，采用分布繞組，基波感應電勢所受的損失不大，只有4%。但是采用分布繞組后，除了可以更好地利用空間、改善散熱條件外，還帶來了另一個好處，就是分布繞組改善了合成感應電勢的波形。例如，某電動機的氣隙磁感應強度為平頂波，當繞組通以一定電流后，則集中繞組各相感應電勢波形與氣隙磁感應強度波形相似，也是平頂波（暫不考慮槽齒的影響），但是，分布繞組時情況就不同了。圖3.15b是由兩個分布的繞組串聯(lián)在一起的相繞組輸出感應電勢的波形。如果每個繞組里的感應

19、電勢是平頂波，加起來的相感應電勢波形已接近正弦波了，如圖3.15b所示。可見，把繞組分布開，就能改善相感應電勢的波形。同樣從諧波觀點來看，由于電動機氣隙中磁感應強度為平頂波，顯然集中繞組里含有比例較大的各次諧波感應電勢。但是，繞組一經(jīng)分布，各相的合成感應電勢里諧波的比例，就大大地降低了。這是由于繞組分布后，雖然各個繞組在定子表面空間上，分別相差一個電角度，所產(chǎn)生的基波感應電勢之間，也差了同一個相位角。但對諧波感應電勢而言，繞組分布以后的相位差不是角，而是角（是諧波的次數(shù)）。因此，它們所產(chǎn)生的諧波感應電勢，在時間上，當然也相應地相差電角度。計算分布繞組的諧波感應電勢時，仍然可以用分布因數(shù)的概念，

20、只不過用角代替基波時的角即可，于是有 (3.8)以圖3.10電動機為例，q=3，=20°，kd1=0.96，三次諧波的分布因數(shù)為五次諧波分布因數(shù)為由此可見，合成感應電勢的基波僅被削減了4%；三次諧波被削減了約1/3；五次諧波被削減了約4/5。所以說采用分布繞組后，合成感應電勢的基波感應電勢損失不大，諧波感應電勢卻可大大削減，因而起到了改善感應電勢波形的作用。第五節(jié) 單層繞組的聯(lián)接前已說過，對繞組最基本的要求，是通電后產(chǎn)生2p個極的磁場，極距相等。按這一要求，一相繞組的線圈邊沿圓周必然有規(guī)律分布，即相隔一個極距就存在一組槽屬于同一相，稱為一個相帶。上面介紹了利用星形矢量圖分出相帶后聯(lián)接

21、各相繞組的基本方法。為了縮短繞組的端接線，節(jié)約用銅，考慮到嵌線工藝的方便，提高勞動生產(chǎn)率，保證電動機的質量，在實際生產(chǎn)的電動機中，存在幾種不同聯(lián)接方式的單層繞組。常見的有鏈式繞組、同心式繞組和交叉式繞組。下面分別說明一下這幾種聯(lián)接法的特點。1.鏈式繞組為便于描述，現(xiàn)舉例說明，設某電動機的槽數(shù)Z=24，磁極數(shù)2p=4，則圖3.16星形矢量圖畫出星形矢量圖，并劃分出相帶，如圖3.16所示。由圖3.16可知，1、2槽和13、14槽屬于A相帶；7、8槽和19、20槽屬于A相帶。如果把1與7槽導體聯(lián)接成一個繞組；同樣，把2與8、13與19、14與20分別聯(lián)接成繞組，就可串聯(lián)組成A相繞組，如圖3.17所示

22、。圖3.17繞組的聯(lián)接圖3.18鏈式繞組由于繞組的端部接線不產(chǎn)生感應電勢，只起聯(lián)接槽內(nèi)有效導體的作用，所以只要把屬于A相帶的槽內(nèi)導體和屬于A相帶的槽內(nèi)導體全部聯(lián)接，組成A相繞組，聯(lián)接的原則是不管聯(lián)接的次序如何，只要每相所產(chǎn)生的合成感應電勢保持最大即可。為了縮短端部接線，節(jié)約用銅，可以把2與7槽、8與13槽、14與19槽、20與1槽聯(lián)成線圈，這時線圈的節(jié)距縮短了，故其端接線也就縮短了。再串接各線圈組成A相繞組，為了不使串聯(lián)中各線圈感應電勢相互抵消，必須注意各線圈應當首端與首端相接，尾端與尾端相接，如圖3.18所示。用這種聯(lián)接方法聯(lián)成的繞組，就叫做鏈式繞組。采用鏈式繞組，縮短了端接聯(lián)線，鏈式繞組主

23、要用于4級、6級、8級三相電動機中。2.交叉式繞組在每極每相槽數(shù)q=奇數(shù)（例如q=3）的單層繞組中，為了縮短繞組的端接線長度，經(jīng)常采用交叉式繞組?，F(xiàn)仍以具體例子加以說明。設某電動機z=36，2p=4，則即每相帶有三個槽。畫繞組展開圖，如圖3.19所示。1、2、3與19、20、21屬A相帶；10、11、12與28、29、30屬X相帶。如果把11槽與19槽、12槽與20槽、2槽與29槽、1槽與30槽聯(lián)成一種節(jié)距的線圈，再把3槽與10槽、21槽與28槽聯(lián)成另一種節(jié)距更短的線圈，然后，依次串接成A相繞組，稱為交叉式繞組。圖3.19交叉式繞組交叉式繞組的特點，是為了節(jié)省繞組端部接線，把線圈制成兩種節(jié)距。

24、如上述定子繞組，A相六個線圈，其中四個為節(jié)距大的線圈，兩個為節(jié)距小的線圈。這種繞組常用在q=3的小型異步電動機中。3.同心式繞組同心式繞組由不同節(jié)距的同心線圈組成。如某電動機的槽數(shù)z=24，2p=2，則每極每相槽數(shù)圖3.20畫出了繞組的展開圖，其中1、2、3、4槽屬于B相帶；13、14、15、16槽屬于B相帶。把4與13、3與14、1與16、2與15槽組成四個線圈，依次聯(lián)接成B相繞組。同心式繞組目前主要用在每極每相槽數(shù)較多（如q=4）的電動機中。因兩極電動機嵌線時端部較困難，用同心式，則端部的重疊層數(shù)少，便于布置。缺點是要制造節(jié)距不同的線圈，且端部接線也比鏈式的長。上述繞組的形式雖然各不相同，

25、但是在計算各相感應電勢的大小時，都可以看成為集中繞組乘上一個分布因數(shù)。圖3.20同心式繞組第六節(jié) 雙層繞組上節(jié)討論的單層繞組的優(yōu)點是槽內(nèi)只有一個線圈邊，嵌線方便，可提高工效，不像雙層繞組需要層間絕緣，因而提高了槽滿率，且沒有層間絕緣的擊穿問題，提高了電動機的可靠性。單層繞組的缺點是不能同時采用分布的任選節(jié)距的辦法來有效地抑制諧波。為了更好地改善電動機的性能，一般直流無刷電動機多數(shù)采用雙層繞組。所謂雙層繞組，是指電動機定子每槽安放著兩個不同線圈的線圈邊，分為上層和下層，中間用層間絕緣隔開。對于每個線圈來說，線圈的一邊放在某槽的上層，線圈的另一邊則放在其他槽的下層。同樣地，如果線圈的節(jié)距等于極距時

26、，這種繞組叫做整距繞組；節(jié)距小于極距的，叫做短距繞組。對雙層繞組而言，電動機定子有多少個槽，就會有多少個線圈，即線圈數(shù)等于槽數(shù)。雙層繞組特點之一是一般都用短距繞組。一般說來，節(jié)距縮短一或兩個槽時，對于各個線圈的安放，不會發(fā)生什么妨礙。而短距繞組的明顯好處是縮短了端接線，節(jié)省了銅線，而所產(chǎn)生的基波感應電勢削弱得并不多。相反，采用短距繞組以后，對感應電勢的諧波可以削弱很多，這對改善感應電勢的波形是有利的。為了定量分析上述優(yōu)點，下面通過計算短距繞組的基波感應電勢和諧波感應電勢來加以說明。圖3.21短距繞組圖3.21畫出了一個短距繞組，它由導體和導體組成，線圈的節(jié)距y1小于極距。其節(jié)距比為。采用短距繞

27、組后，該繞組所產(chǎn)生的感應電勢比全距繞組的應有所減少，那么如何來精確地計算其數(shù)值呢？為此，先看其中一匝所產(chǎn)生的感應電勢。在分析感應電勢之前，首先規(guī)定好導體與繞組感應電勢的正方向。導體感應電勢以順時針方向作為感應電勢的正方向，并規(guī)定繞組的中心線處在磁極之間時作為時間的起點（即圖3.16所示瞬間）。導體的基波感應電勢導體的基波感應電勢繞組的基波感應電勢 (3.10)當繞組為整距時，繞組基波感應電勢應為所以短距繞組的基波感應電勢 (3.11)式中kpl基波短距因數(shù)，kp1=sin(/2)。短距因數(shù)也是一個小于1的數(shù)。這是由于當繞組采用短距后，線圈里的兩根導體所產(chǎn)生的基波感應電勢的相角不是相差180&#

28、176;。所以，線圈的基波感應電勢不是導體基波感應電勢的兩倍，而是相當于整距繞組的基波感應電勢乘上小于1的因數(shù)。舉例說明：一臺電動機極數(shù)2p=4，總槽數(shù)Z=36，線圈邊分別放在第1槽和第8槽里，求短距因數(shù)？這臺電動機的極距=Z/2p=36/4=9個槽，線圈節(jié)距y1=8-1=7個槽。節(jié)距比為=7/9基波短距因數(shù)可見，線圈節(jié)距由9個槽縮短到7個槽時，基波感應電勢只被削弱了6.1%。再來分析諧波感應電勢，因為線圈的兩個邊對基波來說，距離是電角度；對諧波來說，距離就是電角度了。所以，諧波短距因數(shù)與基波短距因數(shù)有不同的數(shù)值。諧波短距因數(shù)為仍以上例來計算諧波的短距因數(shù)。其中三次、五次、七次諧波的短距因數(shù)分

29、別為值得指出的是，在以上計算kp3和kp5時，式中出現(xiàn)了負號，它反映的是感應電勢瞬時值，在感應電勢的瞬時值表達式中才有意義，而上式只需考慮感應電勢大小，負號可不必考慮。從這個例子看到，諧波感應電勢在短距繞組中受到很大的削弱。如三次諧波削去了一半，五次諧波削去約5/6，七次諧波削去約1/4（七次諧波雖然削弱較少，但它本身的數(shù)值就很小，同時還可配合繞組分布的辦法，來進一步削弱它）。因為諧波次數(shù)越高，幅值越小，它的影響也就小了，故不必計算更高次諧波?？梢姡m當安排短距繞組，基波感應電勢僅被削弱得很少，但采用短距繞組后，一方面可使端接部分縮短，節(jié)省了銅，另一方面還能改善感應電勢的波形，這是雙層短距繞組

30、的顯著優(yōu)點。在直流無刷電動機的設計過程中，如有需要，也可以采取適當?shù)亩叹?，專門來消除某一次諧波感應電勢。例如，在上述例子中，如果使=2/3，則就可以把三次諧波感應電勢完全消除。這是因為，線圈節(jié)距比極距縮短了1/3，兩根導體所在位置，對三次諧波來說，處在同一極性的磁極下，所以，在同一磁場的作用下兩導體里所受的三次諧波感應電勢在線圈里互相抵消。同樣，如要消除第次諧波，只要使繞組的節(jié)距縮短第次諧波的一個極距，即y=（-1）/，就可達到。第七節(jié) 雙層繞組的聯(lián)接如上所述，單層繞組可以有幾種可能的聯(lián)接。如構成雙層繞組，每個線圈的節(jié)距就可以在一定范圍內(nèi)自由選擇，通常取線圈節(jié)距略小于極距。1.雙層繞組聯(lián)接的基

31、本步驟在安排單層繞組時，曾介紹過用星形矢量圖的方法。對雙層繞組，同樣可以用星形矢量圖來安排它們之間的聯(lián)接，歸納起來可分如下幾個基本步驟。為了便于敘述，仍以具體例子加以說明，設某直流無刷電動機定子線圈數(shù)Z=36，2p=4，采用短距y=7/9。第一步：畫出槽的展開圖，即畫36根實線和36根虛線，實線代表槽的上層，虛線代表槽的下層。讓實線和虛線靠得近些，在實線上標上號碼。如圖3.22所示。圖3.22繞組展開圖第二步：根據(jù)線圈的節(jié)距，把上、下層導體依次聯(lián)成線圈。例如，本例中節(jié)距y=7/9，那么第一槽上層和第八槽下層構成一個線圈，第二槽上層和第九槽下層構成一個線圈等依次安排下去。由于三相繞組完全對稱，為

32、了看起來清楚，在畫繞組時，一般只畫一相繞組，其他兩相只需畫出引線即可。第三步：為了便于畫出星形矢量圖，把所有線圈按其上層邊所在的槽號統(tǒng)一編號。上層在第一槽的線圈，叫做第1號線圈，上層在第二槽的線圈，叫第2號線圈，依次類推。整個電動機共有36個線圈。把這36個線圈基波感應電勢的矢量圖畫出來，就是星形矢量圖（注意：在單層繞組里的矢量圖，就是槽導體的基波感應電勢矢量圖）。由于線圈之間的空間距離為=p×360°/Z=2×360°/36=20°電角度，所以，線圈基波感應電勢相位也互差20°，畫出來的星形矢量圖如圖3.23所示。圖3.23星形矢量

33、圖第四步：劃分相繞組。在單層繞組的安排里，由于星形矢量圖畫的是槽導體的基波感應電勢，所以在星形矢量圖中，首先要根據(jù)槽導體感應電勢安排哪兩個槽的導體作為一個線圈的兩個線圈邊。在雙層繞組的星形矢量圖里，每一個矢量已代表一個線圈的感應電勢，不必再考慮構成繞組的問題了。因此，為了得到三相對稱的繞組，可以在星形矢量圖中，選取120°電角度范圍內(nèi)的感應電勢矢量作為一相。例如，把線圈1、2、3、4、5、6作為A相，7、8、9、10、11、12作為B相，13、14、15、16、17、18作為C相（下一對極也是這樣安排）。按這樣安排的繞組，叫120°相帶繞組。這種繞組有明顯的缺點，就是線圈分

34、布范圍太廣了，同一相的各線圈感應電勢方向差別較大，合成的基波感應電勢受到的損失太大。也就是說，基波的分布因數(shù)較小。例如，在本例中因此，除了在特殊的情況下采用這種120°相帶的繞組外，現(xiàn)在絕大多數(shù)的直流無刷電動機，都是采用60°相帶繞組。所謂60°相帶就是像圖3.23所示那樣，每相繞組的分布，僅占60°范圍。例如，1、2、3歸A相；7、8、9歸B相；13、14、15歸C相（下一對極也是這樣安排）。剩下的線圈怎么辦呢？線圈4、5、6的感應電勢與C相相反，劃歸C相，但需要反方向聯(lián)接，所以叫做C相（或C相）。同樣，線圈10、11、12劃歸A相，叫做A相（或A相）

35、。線圈16、17、18劃歸B相，叫做B相（或B相）。用了60°相帶，基波分布因數(shù)必然得到了提高。在本例中第五步：根據(jù)星形矢量圖上相繞組的劃分，畫出繞組展開圖，如圖3.22所示。每相有四組線圈，它們根據(jù)設計的要求，可以串聯(lián)或并聯(lián)組成不同的支路數(shù)。本例采用并聯(lián)方式，所以把一對極下的兩組繞組串聯(lián)起來再與另一對極的兩組繞組并聯(lián)，成為兩個支路。雙層繞組一般存在兩種繞組型式，即疊繞組和波繞組。圖3.24表示了兩種繞組的繞組型式，其中，圖a為疊繞，圖b為波繞。上面所舉的繞組例子就是疊繞組。疊繞組的聯(lián)接特點是，把一個極下同一相的幾個線圈依次串聯(lián)起來成為一個極相組。由于串聯(lián)元件是后一個疊在前一個上面，

36、故叫做疊繞組。如上例中把線圈1、2、3及19、20、21連成兩個A相的極相組；把線圈10、11、12及28、29、30聯(lián)成兩個X相的極相組，再把這四個極相組串或并聯(lián)聯(lián)接成A相的繞組。如采用并聯(lián)方式，A相繞組的聯(lián)接如圖3.22所示。圖3.24雙層繞組的兩種繞組型式a)疊繞b)波繞疊繞組的優(yōu)點是，短距時端部可以節(jié)約用銅；缺點是，各相繞組之間的聯(lián)線較長，極數(shù)多時費銅。疊繞組一般為多匝導線，主要用于電壓、額定電流不太大的中、小型電動機定子繞組中。波繞組的聯(lián)接特點是把所有同極性下的屬于同一相的線圈按照一定的次序聯(lián)接起來，相聯(lián)接線圈的外形似波浪形，因此叫作波繞組。由于目前的直流無刷電動機大多數(shù)為小型和微型

37、電動機，故多數(shù)均采用疊繞組。2.單雙層繞組直流無刷電動機的繞組安排，有時還采用一種單雙層繞組它是由雙層繞組演變而來的。仍以36槽4極電動機為例，若做成雙層繞組，且y=8/9，每極每相槽數(shù)q=z/（2mp）=3。由星形矢量圖可知A相繞組占有槽的情況，為看得清楚起見，把A相繞組在整個電動機中占有的槽號排列如下：槽上層：2，3，4，11，12，13，20，21，22，29，30，31槽下層：1，2，3，10，11，12，19，20，21，28，29，30可以看到，A相繞組在有的槽是占有整個槽，有的槽是占有半個槽。圖3.25單雙層繞組聯(lián)接圖我們?nèi)舭颜加姓鄣牡胤?，構成整槽單層繞組；占有半槽的地方，構成

38、半槽雙層繞組。本例中，A相有四個單層繞組，四個雙層繞組，把它們聯(lián)接成同心式繞組，如圖3.25所示。其中，大繞組為單層繞組（節(jié)距311），小繞組為雙層繞組（節(jié)距410）。這樣的繞組結構，是由單層繞組和雙層繞組混合而成，所以叫作單雙層繞組。如何計算單雙層繞組的合成感應電勢呢？由于它是雙層繞組演變而來，所以，它的分布因數(shù)和短距因數(shù)都應按雙層繞組同樣方法計算，即 (3.12)相繞組基波感應電勢也和雙層繞組時一樣計算。因為單雙層繞組是由雙層繞組演變而來的，所以，如果要把一個雙層繞組改為單雙層繞組時，只要把槽內(nèi)上、下層屬于同相繞組的兩個線圈邊合起來，成為一個單層大繞組的線圈邊；把槽內(nèi)上、下層屬于不同相繞組

39、的兩個線圈邊作為雙層小繞組的線圈邊，繞組的端接部分按照同心式繞組來聯(lián)接即可。當然，由于同心式繞組的每極每相線圈邊數(shù)為偶數(shù)，所以，把雙層繞組改為單雙層繞組時每極每相的大、小繞組總線圈邊數(shù)亦應為偶數(shù)，這樣，才能組成一個單雙層繞組。單雙層繞組具有雙層繞組的可采用短距繞組的特點，它能夠改善電動機的電氣性能；同時，它又有一部分是單層繞組，這部分繞組具有不要層間絕緣、嵌線工藝方便等單層繞組的優(yōu)點。第八節(jié) 分數(shù)槽繞組在直流無刷電動機中，如采用整數(shù)槽，往往會產(chǎn)生定子的齒同轉子磁極相吸而產(chǎn)生類似于步進電動機的齒和磁極“對齊”的現(xiàn)象。如圖3.26a所示。圖3.26整數(shù)槽中的齒和磁極相吸對電動機的運行性能產(chǎn)生不良的

40、影響。因此常常需要采用分數(shù)槽，它的優(yōu)點之一就是能把定子上齒和轉子上的各磁極互相錯開，從而改善了電動機的運行性能，如圖3.26b所示。所謂分數(shù)槽繞組，是指每極每相槽數(shù)q為一分數(shù)。一般，表示為q=b+c/d，其中b為一整數(shù)，c/d為不可約的真分數(shù)。采用分數(shù)槽后，由于直流無刷電動機內(nèi)的槽不可能成為分數(shù)，又要保證各相所產(chǎn)生的感應電勢對稱，這就使問題變得復雜化。本節(jié)將著重討論分數(shù)槽繞組的構成及繞組因數(shù)等問題。1.分數(shù)槽繞組的分相在整數(shù)槽繞組中，按照60°相帶法，每對極仍可分為六個相帶，每相帶占q個槽，可很方便地構成三相對稱繞組。但在分數(shù)槽繞組中，由于q是分數(shù)，而單個槽是不可能再分割的，所以，實

41、際上每極下每相的槽數(shù)會出現(xiàn)有多有少。問題是怎樣來確定每極下每相的槽數(shù)，從而構成對稱的三相繞組。對分數(shù)槽繞組，若總槽數(shù)z和極對數(shù)p之間存在最大公約數(shù)，則整個電動機里槽與磁極的相對位置有次重復，所有繞組就可以分成個完全相同的單元，每單元的星形矢量圖是一樣的。每單元有p/對極，有 =z/個槽，只要研究其中一個單元的星形矢量圖來劃分三相繞組即可。舉例說明，已知Z=54、2p=8、m=3，聯(lián)成雙層短距分布繞組。每極每相的槽數(shù)相鄰兩個槽之間的距離 （電角度）由于z與p之間有最大公約數(shù)=2，所以整個定子槽可分為兩個單元，每個單元有四個極，它們的星形矢量圖是重合的。我們需研究其中一個單元內(nèi)的所有繞組如何對稱地

42、分成三相。圖3.27示出了它們的星形矢量圖。與整數(shù)槽相帶劃分原則一樣，為了得到最大的合成感應電勢，可把一個單元中四個極下所有線圈的星形矢量圖分為六個相帶，屬于A相的繞組有1、15、2、16；屬于A相的繞組有21、8、22、9、23，這九個線圈組成一組，并把它們串聯(lián)起來（A相線圈要反串）成為一繞組組合。同樣，另一單元中四個極下的28、42、29、43、48、35、49、36、50這九個線圈也屬于A相。兩組合成感應電勢完全相同，因此在聯(lián)接時，可根據(jù)需要進行串聯(lián)或并聯(lián)，組成A相繞組。圖3.27分數(shù)槽繞組的星形矢量圖B相、C相的情況與A相完全一樣，A、B、C三相繞組之間互差120°電角度。圖

43、3.28畫出了繞組展開圖，該繞組是短距，y1=6（=6.75），采用雙層疊繞組。圖3.28分數(shù)槽繞組通過上述例子可知道，分數(shù)槽繞組的構成與整數(shù)槽繞組不同的地方是：分數(shù)槽繞組每對極下槽分布的情況不同，不能像整數(shù)槽那樣，以一對極下的槽（或繞組）來分相，必須以p/對極作為一個單元來研究，即把一個單元內(nèi)所有的槽（或繞組）分為六個相帶，組成一相繞組，再與別的單元繞組進行串、并聯(lián)組合，組成一相繞組。在極數(shù)多的情況下，畫分數(shù)槽繞組的星形矢量圖相當麻煩。為此，也可以這樣來考慮每極下每相槽的分配。在分數(shù)槽中，q是一個分數(shù)，但是，一相在d個極下的槽數(shù)q=qd=bd+c卻是一個整數(shù)，d個極下三相總槽數(shù)應是3的倍數(shù)，

44、可以分為對稱的三相組成三相繞組。仍用上面的例子來分析，因為q=2，它與q=2的整數(shù)槽相比，4個極下多了3個槽。只要把這3個槽均勻地分配到4個極的12個相帶中，即每4個相帶增加1個槽，就能得到對稱繞組。如果讓第一組的A相帶占3個槽，則該組的C、B、A相帶各占2個槽；再讓第二組的C相帶占3個槽，B、A、C相帶各占2個槽；再讓第三組的B相帶占3個槽，A、C、B相帶各占2個槽。這樣，在4個極下的12個相帶中，每相各增加了1個槽。另外的4個極可同樣地進行相帶槽數(shù)分配，4個極為一個循環(huán)，可以用一系列數(shù)字表達3，2，2，2，3，2，2，2，3，2，2，2，當然也可以分配為2，3，2，2，2，3，2，2，2，3，2，2，現(xiàn)將一個循環(huán)的各相槽數(shù)分配列成表格，如表3.1所示。表3.1分數(shù)槽的各相相帶分配極N1S1N2S