电机绕组(无刷直流)

第三章 直流无刷电动机的绕组

第一节 概述

同其他类型电动机一样，直流无刷电动机本体也是由定子和转子两大部件构成。转子是指电动机在运行时可以转动的部分，通常由转轴、永久磁钢及磁轭等部件组成。其主要作用是在电动机的气隙内产生足够的磁感应强度，并同通电后的定子绕组相互作用产生感应电势，以驱动自身运转。定子是指电动机在运行时不动的部分，主要由硅钢冲片同分布在它们槽内的绕组以及机壳、端盖、轴承等部件组成。所谓“绕组”，是指一些按一定的规律连接起来的线圈的总和。绕组通电后，与转子磁钢所产生的磁场相互作用，产生力或感应电势驱使转子带动负载一块转动。转子磁钢转动后，其磁力线反过来又切割定子绕组，在定子绕组中产生感应电动势，反过来又影响了电动机内电动势的平衡关系。可见通电绕组和磁场之间的相互作用，是电动机内部机电能量转换的主要媒介。只有搞清电动机内磁场的分布和作用情况，才能确切地分析绕组所产生的感应电势和感生电动势的大小及方向，以便导出电动机的感应电势平衡方程和电动势平衡方程。然而离开了绕组的具体结构及联接方式，很难讲清楚电动机内机电能量转换的基本过程，对感应电动势、电路参数和电磁感应电势等基本问题，也会感到空洞或不着边际。在本章里，将结合直流无刷电动机的基本性能要求来讨论绕组结构的一些基本问题。为了简明扼要地分析有关绕组问题，首先对直流无刷电动机的磁路及气隙磁通作些必要的描述和简化。

第二节 直流无刷电动机磁场的简化

在直流无刷电动机中，主磁场一般由转子磁钢产生，通常用主磁路如图3.1所示，它通过相邻两个极的中心线，经定子和转子铁心闭合。主磁路主要由气隙、定子齿、定子轭和转子轭几部分组成。图中，U Φ为工作磁通，M Φ为永久磁钢内磁通，ΦS 为漏磁通。

图3.1电动机内部磁路

1—定子铁心2—软铁极靴3—永久磁钢

严格地说，直流无刷电动机内的磁场是含有不同磁介质的三维场，由于其几何形状复杂，又含有铁磁物质等非线性因素，使得问题变得非常复杂。在工程分析中，为了突出主要的过程，抓住主要矛盾，常作下列简化。如有必要，当对某些问题做进一步的深入研究时，再对某个被忽略的因素进行一定的补差和适当的修正。（1）不计端部效应。即不计电动机主磁场向两端的扩散，则在电动机绕组直线部分气隙中的磁场没有轴向分量，这样一来，就把气隙内的磁场简化为一个二维平面场；（2）不计铁心部分的磁压降及铁心内的磁滞、涡流效应。这样，铁心内磁通是连续的。但场强为零，磁能及损耗皆为零，因而可以局限于研究气隙内的磁场；（3）不计定子铁心表面开槽的影响，或者用一个等效的均匀气隙来考虑定子开槽的影响。这样，就使相当复杂的气隙磁场大大简化；（4）由于通常气隙宽度δ远小于气隙半径D ，所以在气隙中可不计磁场的切向分量及气隙沿径向的变化，即空气隙中磁感应强度B δ和场强H δ只有一个值，方向是径向的。于是整个问题就简化为一维场。

图3.2理想气隙磁感应强度分布波形 图3.2示出了在上述假定条件下的直流无刷电动机气隙磁感应强度B δ的分布情况。这时气隙磁感应强度B δ与每极磁通量Φ有以下关系：

B L

δτΦ=

(3.1) 式中：τ—极距；

L —电动机铁心的有效长度。 由于磁通具有边缘扩散现象，气隙磁感应强度分布就变成如图3.3所示，为了进一步改善气隙磁感应强度的分布波形，通常都使转子磁钢外圆R p 与定子内圆

R 有不同圆心，如图3.4a 所示，这时气隙就不均匀了，磁极两边对应的气隙比极中间的大，叫最大气隙，用δmax 表示。气隙小的地方，磁阻小，磁力线密；气

隙大的地方，磁阻大，磁力线疏，所以气隙里各处磁感应强度大小就不同了。最大气隙与最小气隙的比值一般取δmax /δmin =1.3～1.8。

图3.3考虑边缘扩散现象的气隙磁感应强度波形图3.4气隙不均匀时的磁感应强度波形

的分布形状就可变成图3.4b所示的接近正弦形的气隙满足这些要求后，B

δ

磁感应强度。还要说明一下，图3.4b所示的气隙磁感应强度分布波形，是在假设定子铁心表面没有齿槽的条件下画出的。实际上，电动机的定子表面有齿和槽，会对气隙磁感应强度波形有影响，其中增加了与齿数有关的齿谐波，在此就不详加讨论了。

第三节绕组的构成及基本要求

绕组的基本单元是线圈。每个线圈有两个边，分别放置在定子叠片的两个槽内。两个线圈边相联接的部分，称为线圈端部。线圈边的直线部分放在槽内，称为线圈的有效部分，如图3.5所示。直流无刷电动机中的电磁能量转换主要通过线圈的直线部分进行。线圈一般是由多匝导线组成，即由若干匝数的导线串联构成，如图3.5b所示。在特殊情况下，也可以是单匝的，如图3.5a所示。

图3.5线圈的基本结构

一个线圈的两个有效边沿圆周相隔的距离，称为线圈的节距y，一般用定子内的槽数或它与极距的比值β来表示。当线圈的节距与极距相等时，称为整距（或全距）绕组。节距小于极距时，称为短距绕组。在特殊情况下，节距也可以大于

极距，称为长距绕组。例如，某直流无刷电动机转子为两对极（p=2），定子槽

数Z

s =36，则极距τ=Z

s

/2p=36/（2×2）=9槽。如采用整距绕组，则取节距y=τ

=9，即将一个线圈的两边分别放在第1槽和第10槽，如图3.6所示。如上例中节距小于极距τ（τ=9）。这时线圈两边分别放置在第1槽和第9槽中，这种绕组就称为短距绕组。

y=8 （3.2）或β=8/9=0.889

图3.6 y=9时线圈在槽中的分布

在直流无刷电动机内，绕组又可分为单层绕组和双层绕组。每个槽内放置一个线圈边时，称为单层绕组；每个槽内放置两个线圈边，且分为上、下层时，称为双层绕组。双层绕组一般都采用短距绕组，其节距y在0.8τ左右，以使其5次和7次谐波的影响同时削减到比较小，这样既改善了电动机的电磁性能，又可节省材料（因为绕组的端部接线缩短了）。

单层绕组，每相每极仅一个线圈，而双层绕组，每相每极仅两个线圈时称为集中绕组。单层绕组每相每极有两个或更多个线圈、双层绕组每相每极有两个以上线圈时，称为分布绕组。

电动机的定子（或转子），其圆周等于360°，这种用机械关系计量的空间角度叫做机械角。但是在电工技术中，经常用到电角度（简称电角）的概念。每对磁极占定子圆周的空间的机械角为360°/（极对数），但其电角度为360°。且每经过一对磁极，就相应转过360°电角度。显然电角度是与磁极数有关，它与机械角度的关系（图3.7）为

电角度=极对数×机械角度（3.3）归纳起来，直流无刷电动机对绕组有下列基本要求：