1.2 直流電機的電樞繞組

1.2.1 電樞繞組的基本知識

電樞繞組是直流電機的核心部分。它是按一定的規律纏繞在定子上的多個繞組線圈。在直流電機中，它的作用是產生感應電動勢和電磁轉矩，實現機電能量的轉換。沒有電樞繞組，直流電機就不能工作，它因此而得名，并且人們把直流電機的轉子稱為電樞。根據連接規律的不同，電樞繞組可分為單疊繞組、單波繞組、復疊繞組、復波繞組及混合繞組五種形式。這里只分析單疊繞組和單波繞組。

直流電機對電樞繞組的要求是：在保證產生足夠大的感應電動勢和電磁轉矩的前提下，盡可能地節約有色金屬和絕緣材料，并且要求結構簡單，運行可靠，散熱良好。

1．極距

極距就是一個磁極在電樞表面的空間距離，即

式中，τ表示極距；D表示電樞直徑；p表示磁極對數（又稱極數）。

實際上，常用一個磁極表面所占的虛槽Zu來計算極距，即

2．繞組元件

構成繞組的線圈稱為繞組元件（以下簡稱元件），它的兩端分別與換向片相連接，有單匝或多匝的。直流電機的電樞繞組是雙層的，即每個槽分上、下兩層嵌放元件的有效邊。每個元件的一個邊嵌放在一個槽子的上層，另一個邊嵌放在另一個槽子的下層，如圖1-9所示。

一個元件有兩個邊，而一個槽的上、下層可以嵌放不同元件的兩個邊，因此元件數和槽數相等。一個元件有兩個端頭，分別連到兩個不同的換向片上，而每一個換向片上接兩個不同元件的兩個端頭，因此元件數和換向片數相等。由此可見，元件數=換向片數=槽數。

3．疊繞組和波繞組

疊繞組是指相串聯的后一個元件端接部分緊疊在前一個元件端接部分的上面，整個繞組成折疊式前進；波繞組是指相串聯的兩個元件像波浪式前進，如圖1-10所示。

4．繞組的節距

為了正確地把各元件安放入電樞槽內，并且和相應的換向片按一定規律連接起來，就必須先了解電樞繞組的節距。

（1）第一節距y1。第一節距是指一個線圈的兩個有效邊之間在電樞表面上的跨距，用虛槽數表示，如圖1-10所示。由于線圈邊要放入槽內，所以y1應是整數。而為了讓繞組能感應出最大的電動勢，應使y1接近或等于極距，即

式中，ε為正分數，是將y1補成整數的一個正分數。若ε=0，則y1=τ，稱為整距繞組；若取正號，則y1＞τ，稱為長距繞組；若取負號，則y1＜τ，稱為短距繞組。為了節省銅線及某些工藝要求，一般采用短距或整距繞組。

（2）第二節距 y2。第二節距是指相串聯的兩個相鄰線圈中，第一個線圈的下層邊與相鄰的第二個線圈的上層邊之間的距離，用虛槽數表示。

（3）換向片節距 yk。換向片節距是指線圈的兩端所連接的換向片之間的距離，用該線圈跨過的換向片數來表示。

（4）合成節距y。它是指相串聯的兩個相鄰線圈對應的有效邊之間的距離，用虛槽數表示。合成節距與第一和第二節距的關系為y=y1+y2。

1.2.2 單疊繞組

單疊繞組是指一個元件的兩個出線端分別接到相鄰的兩片換向片上，如圖1-10（a）所示。單疊繞組的合成節距y和換向節距yk都等于1，即y=yk=1。將其余元件依次串聯（都是后一個元件的首端與前一個元件的尾端連在一起，再并聯接到同一個換向片上），再將最后一個元件的尾端與第一個元件的首端連在一起，所有元件便形成一個閉合回路。由于后一個元件總是疊在前一個元件上，所以形象地稱之為“疊繞組”。

1．單疊繞組的連接規律

單疊繞組的連接規律可用繞組展開圖來表示。繞組展開圖是人們想象把電樞沿軸向剖開展成平面后所見到的繞組圖。繪制繞組展開圖的步驟如下。

第一步：計算繞組的極距τ和各節距，包括y、y1。

第二步：畫槽、畫元件，按順序編號。電機有多少個槽，就有多少個標號，并且標號是連續的，但起始標號可從任意槽開始。由于直流電機的電樞繞組是雙層的，所以每槽用兩條短線表示，實線表示上層，虛線表示下層。注意，實線上的標號既表示槽號，又表示元件號，同時還表示該元件的上層邊所在的位置。

第三步：畫換向片，按順序編號。用小方塊代表各換向片，換向器與電樞同周長，換向片的編號也遵循從左向右的順序，并以第一元件上層邊所連接的換向片作為第一換向片號。

第四步：排列、連接繞組。根據各節距按規律排列、連接繞組。

第五步：放置主磁極。主磁極應N、S極交替地、均勻地放置在各槽之上，且每個磁極的寬度約為0.7倍的極距。

第六步：安放電刷。放置電刷時，應使正、負電刷間的感應電動勢最大，或使被電刷短路的元件的感應電動勢最小。在繞組展開圖中，直流電機的電刷置于磁極中心線下，電刷大小與換向片相同，電刷數與主磁極數相同。在實際生產過程中，直流電機電刷的位置是通過實驗方法確定的。

例如，已知一臺直流電機的2p=2, S（元件數）=K（換向片數）=Zu=8，試畫出單疊繞組展開圖。

計算：

極距

第一節距

合成節距

y=yk=1

按照上述步驟繪制單疊繞組的展開圖，結果如圖1-11所示。

2．單疊繞組的并聯支路圖

畫出元件的連接及有關的換向片和電刷，就構成了繞組的并聯支路圖。并聯支路圖實際就是繞組的電路簡圖。

單疊繞組的瞬時并聯支路圖如圖1-12所示。

從圖中可知，同一磁極下的相鄰線圈構成一條支路，如N極下的2、3、4三個線圈依次串聯（構成一條支路）, S極下的6、7、8三個線圈依次串聯（構成一條支路）。電刷A接觸1號和2號換向片，電刷B接觸5號和6號換向片。電樞旋轉時，各元件的位置都在不斷地變化。雖然每條支路所包含的元件號不斷變化，但每條支路所包含的元件數基本不變，即單疊繞組是幾極的就會有幾條支路，因此有

式中，a為并聯支路對數；p為磁極對數。

綜上所述，單疊繞組的同一個主磁極下的元件串聯在一起組成一個支路，有幾個主磁極就有幾條支路；電刷數等于主磁極數，且電刷位置應使支路的感應電動勢最大；電樞電流等于各并聯支路電流之和。

1.2.3 單波繞組

單波繞組是直流電機電樞繞組連接的另一種基本形式。因為其繞組線圈呈波浪形連接，所以稱之為波繞組。

1．單波繞組的排列規律

（1）單波繞組的節距。單波繞組線圈的第一節距和上述單疊繞組相同，但其端接部分的形狀和連接規律與單疊繞組就不同了。單波繞組直接相連的兩個線圈的對應邊不在同一個主磁極下面，而是分別處于相鄰兩對主磁極中的同極性磁極下面，其合成節距約等于兩個極距，如圖1-10（b）所示。這樣，兩個線圈在磁場中的相對位置基本上是相同的，使得兩者產生的感應電動勢方向相同，電磁轉矩方向也相同。設直流電機有p對磁極，單波繞組的線圈沿電樞表面繞行一周應串聯p個線圈，第p+1個線圈的位置不能與第1個線圈相重合，只能放在第一個線圈相鄰的電樞槽中，因此，單波繞組線圈一定滿足下列條件：

從換向器上看，第 p個線圈的末端不能接到與第1個線圈的首端相連的第1個換向片上，只能連接到與第1個換向片相鄰的換向片上，顯然，單波繞組線圈也應該滿足下列條件：

根據式（1-9）可得：

式（1-10）應滿足 y或 yk為整數的條件。當取正號時，第 p個線圈的末端將置于第1個換向片的右邊，稱為右行繞組；當取負號時，第p個線圈的末端將置于第1個換向片的左邊，稱為左行繞組。左行繞組端接線較短，易于制作，因此它得到了廣泛應用。

（2）單波繞組的展開圖。單波繞組的展開圖的畫圖步驟與單疊繞組基本相同，從略。如圖1-13所示是2p=4, Zu=15的左行單波短距繞組的展開圖。

2．單波繞組的并聯支路圖

單波繞組的瞬間并聯支路圖如圖1-14所示。由圖可知，單波繞組只有一對并聯支路，即a=1，這說明支路對數與磁極對數 p無關。

綜上所述，單波繞組的電樞電動勢等于支路的感應電動勢；正、負電刷間的電動勢最大。單疊繞組適用于低電壓、大電流的直流電機，而單波繞組適用于較高電壓、較小電樞電流的直流電機。