3.1.2　直流电机的电枢绕组

电枢绕组是直流电机的电路部分，亦是实现机电能量转换的枢纽。电机绕组的构成应能产生足够的感应电动势，并允许通过一定的电枢电流，从而产生所需的电磁转矩和电磁功率。此外，还要节省有色金属和绝缘材料，结构简单，运行可靠。

直流电枢绕组有迭绕组、波绕组和混合绕组等三种类型。迭绕组中又有单迭和复迭绕组之分，波绕组也有单波和复波绕组之分。单迭和单波绕组是电枢绕组的基本形式，复迭和复波绕组分别是单迭和单波绕组的组合，混合绕组则是迭绕组和波绕组的组合。本节主要说明单迭和单波绕组的组成和连接规律。

1.直流电枢绕组的构成

组成绕组的基本单元称为元件。一个元件由两条元件边和端接线组成，如图3.9所示。元件边置于槽内，能“切割”主极磁场而产生感应电动势，亦称为有效边。端接线在铁芯之外，不“切割”磁场，故不产生感应电动势，仅起连接线作用。每个元件可以是单匝，亦可以是多匝。图3.10表示一个两匝的迭绕和波绕元件。元件依次地嵌放在电枢槽内，一条有效边放在槽的上层，另一条放在另一槽的下层，构成双层绕组。元件的首端和尾端按一定的规律接到不同的换向片上，最后使整个电枢绕组通过换向片连成一个闭合电路。

若电枢每槽上、下层只有一个元件边，则整个绕组的元件数S应当等于槽数Q。多数直流电机中，每槽的上、下层各包含u个元件边，如图3.11所示，此时有

S=uQ　　（3.1）

式中　u——槽内一层嵌放的元件边数。

为了区别同一槽中的各元件边，通常把一个上层和一个下层元件边在槽内所占的空间作为一个“虚槽”，这样虚槽数即等于元件数。由于一个换向片与不同元件的两个出线端相连接，有一个换向片即等于有一个元件，所以换向片数应当等于元件数。于是，直流电枢绕组的元件数S、换向片数K和虚槽数Qu三者相等，即

S=K=Qu　　（3.2）

2.直流电枢绕组的节距

电枢绕组的连接规律是通过绕组的节距来表征的。直流电枢绕组的节距有第一节距、第二节距、合成节距和换向器节距等四种。

（1）第一节距

元件的两条有效边在电枢表面上所跨的距离称为第一节距，用y1表示。第一节距的大小通常用所跨的虚槽数来计算。因为元件边置放在槽内，所以y1必定是一个整数。为得到较大的感应电动势和电磁转矩，y1最好等于或接近于一个极距，即

式中，ε为使y1凑成整数的一个小数，p为磁极对数。当 时，第一节距恰好等于一个极距，称为整距绕组（或全距绕组）。当 时，第一节距比极距小，称为短距绕组。因为短距绕组有利于换向，对于迭绕组还能节省部分端部用铜，故常被采用。

（2）第二节距

在相串联的两个元件中，第一个元件的下层边与第二个元件的上层边在电枢表面上所跨的距离，称为第二节距。第二节距用y2表示，也用虚槽数计算。

（3）合成节距

在相串联的两个元件的对应边在电枢表面所跨的距离，称为合成节距。合成节距用y表示，也用虚槽数计算。波绕和迭绕、单绕组和复绕组之间的差别，主要表现在合成节距上。所谓迭绕组是指，各磁极下的元件依次相连，后一个元件总是“迭”在前一个元件上，如图3.12所示。波绕组是指，同性磁极下，相同物理位置上的元件依次相连，如图3.13所示。迭绕和波绕这两种连法，都能保证相串联的元件其感应电动势的方向相同而互相叠加。

从图3.12和图3.13可见：

对迭绕组　　y=y1-y2

对波绕组　　y=y1+y2

（4）换向器节距

在换向器表面上，同一元件的两个出线端所接的两个换向片之间所跨的距离，成为换向器节距。换向器节距用yc表示，其大小用换向片数计算。

由于元件数等于换向片数，每连接一个元件时，元件边在电枢表面前进的距离，应当等于其出线端在换向器表面所前进的距离，所以换向器节距应当等于合成节距，即

yc=y　　（3.4）

3.单迭绕组

单迭绕组的连接规律是，所有相邻的元件依次串联（即后一个元件的首端与前一个元件的尾端相连），同时每个元件的出线端依次连接到相邻的换向片上，最后形成一个闭合回路。所以单迭绕组的合成节距等于一个虚槽，换向器节距等于一个换向片，即

y=yc=±1　　（3.5）

式中，“+1”和“-1”分别表示串联一个元件就“向右”或“向左”移动一个虚槽或一个换向片，前者称为右行绕组，后者称为左行绕组。y=-1时，绕组向左移动，元件接到换向片的连接线互相交错，用铜较多，故很少采用。

下面以2p=4，S=K=Qu=16，u=1为例，说明单迭绕组的连接。

由于绕组为单迭，故合成节距：

y=yc=1　　（3.6）

若绕组为整距，则第一节距为

于是第二节距为

y2=y1-y=3　　（3.8）

根据已经确定的各个节距，即可画出绕组的展开图及相应的电路图。

图3.14表示这个单迭绕组的展开图。图中磁极设在绕组上面，磁极在纸面上均匀分布，表示一个极的极距。电刷的中心线对着磁极中心线，各电刷之间相隔的换向片数相等。箭头和n表示电枢旋转方向和转速。槽内元件的上层边用实线表示，下层边用虚线表示。元件、槽及换向片自左至右编号，元件顶上的号码为元件号，中间的号码是虚槽号。编号的原则是，元件号、元件上层边所嵌放的虚槽号以及该边所连接的换向片号均相同；例如1号元件的上层边放在1号槽内，并与1号换向片相连。这样，根据编号便可弄清元件边在虚槽内的位置及其所接的换向片位置。

从1号元件出发，1号元件的上层边嵌于1号虚槽内，与1号换向片相连。由于ｙ1=4，下层边嵌于5号虚槽内。因yc=1，下层边应与2号换向片相连。接着，2号换向片与嵌于2号虚槽内的2号元件的上层边相连，2号元件的下层边则嵌于6号虚槽内，再接到3号换向片，以此类推，从左到右把各个元件依次连接，同时与所有相应的换向片连接起来，最后即可形成一个闭合电路。

按照电枢绕组的展开图，可以画出该瞬间的电枢电路图。

根据主磁极的极性和电枢的旋转方向，可以确定各元件中感应电动势的方向以及电刷的极性。从图3.14可知，元件2、3、4和10、11、12都在N极下，其中的感应电动势方向都是从元件尾端指向元件首端；而元件6、7、8和14、15、16都在S极下，感应电动势的方向相反，即从首端指向尾端。因此，这12个元件将构成4条并联支路，电刷A1、A2为正极性，B1、B2则为负极性。元件1、5、9、13分别被电刷A1、B1、A2、B2短路。为使正、负电刷间引出的电动势最大，被电刷所短路的元件电动势应当等于零；在元件端接线对称的情况下，电刷的实际位置应在磁极中心线下。此时，被电刷短路的元件其元件边恰好处于两个主极之间的中性线位置（此中性线称为几何中性线），该处的磁通密度为零，故该两条元件边中的感应电动势均等于零，被电刷短路时不致产生环流；另外，正、负电刷间引出的感应电动势亦为最大。此时的电刷位置，习惯上称为“电刷放在几何中性线位置”。

根据元件中的感应电动势方向以及通过换向片和各电刷接触的情况，即可画出与图3.14所示的瞬间相对应的电枢电路图，如图3.15所示。图中元件上的箭头表示该瞬间各元件中的感应电动势方向，无箭头表示感应电动势等于零。这个电路图虽然是对应于图3.14所示瞬间画出，对于其他时刻，由于该电路的组成情况基本不变，所不同的仅是组成各支路的元件互相轮换，因此这个电路即可作为单迭绕组的电枢电路图。

从图3.14和图3.15可以清楚地看出，每个极下的元件其感应电动势是同方向的，串联起来组成一个支路。电机有4个磁极，故电枢共有4条支路。如果电机的极数增加，并联支路亦将相应增加。总之，单迭绕组的并联支路数2a应当等于电机的极数2p，或

a=p　　（3.9）

式中，a为支路对数。由于组成各支路的元件在电枢上处于对称位置，各支路电动势大小相等，故从闭合电路内部来看，各支路电动势恰巧互相抵消，不会产生环流。从图3.15还可看出，为了引出电动势和电流，电枢电路有4条支路，就必须装置4组电刷。普遍而言，单迭绕组的电刷组数应当等于磁极数。

4.单波绕组

单波绕组的连接规律是，从某一换向片出发，把相隔约为一对极距的同极性磁极下对应位置的所有元件串联起来，直到沿电枢和换向器绕过一周之后，恰好回到出发换向片的相邻一片上；然后从此换向片出发，继续绕连，一直到把全部元件连完，最后回到开始出发的换向片，构成一个闭合电路为止。

从图3.13可以看出，如果电机有p对磁极，元件接绕电枢一周，就有p个元件串联起来。从换向器上看，每连一个元件前进yc片，连接p个元件后所跨过的总换向片数应为p·yc。单波绕组在换向器上接绕一周后，应回到出发换向片的相邻一片上，即总共跨过K∓1片，所以有

p·yc=K∓1

或

式中，“-1”表示接绕一周后后退一片，称为左行绕组；“+1”表示接绕一周后前进一片，称为右行绕组。右行绕组因端接部分交叉，故较少采用。

现以2p=4，S=K=Qu=15，u=1为例，说明单波绕组的连接规律和特点。

根据式（3.11），此单波绕组的合成节距应为

第一节距为

由此即可画出单波绕组的展开图，如图3.16所示。

图3.16中元件、换向片和虚槽的编号方法与单迭绕组相同。根据已经确定的节距值，从1号换向片出发，1号换向片接到1号元件上层边，1号元件的上层边嵌于1号虚槽，根据y1=3，下层边嵌入4号虚槽；因yc=y=7，故下层边应与8号换向片相连。8号换向片与8号元件的上层边相连，其下层边嵌入11号虚槽，并与15号换向片相连。这样连接了两个元件，在电枢表面跨过了两对磁极，即绕过电枢和换向器一周，并回到与出发的1号换向片相邻的15号换向片上。按此规律连续嵌连，可将15个元件全部连接起来，最后回到1号换向片，构成一个闭合回路。元件的连接次序见表3.1。

图3.17所示与图3.16所示相应的瞬间电枢绕组电路图。图中元件15、7、14、6、13的上层边都在S极下，感应电动势方向相同，串联起来组成一条支路；元件4、11、3、10、2的上层边都在N极下，感应电动势方向亦相同，串联起来构成另一条支路。为使引出的电动势最大，电刷置放在几何中性线上（实际位置在磁极中性线下），此时元件5、12被电刷A1、A2短路，元件1、8、9被电刷B1、B2短路，这5个元件的两条边因基本处于几何中性线左右对称的位置，元件中的感应电动势接近于零，故环流亦接近于零。

从图3.17可见，组成单波绕组每条支路的元件包含了同一极性下的所有元件，所以无论电机是多少磁极，单波绕组只有2条并联支路，即支路对数：

a=1　　（3.13）

由于单波绕组只有2条支路，故如去掉一对电刷A1、B2，不会影响支路数和引出感应电动势的大小；但因电刷组数减少，每组的电刷面积须增大，使换向器长度增加，且被电刷短路的换向元件从并联变为串联，对换向不利，所以一般单波绕组的电刷组数仍取为磁极数。

总的说来，直流电枢电路是一个有源多支路电路。对电路内部来说，它是一个闭合回路；从外面观察，同极或同极性下的元件通过电刷组成多支路电路。当电枢旋转时，元件中感应出交变电动势，通过换向器从电刷上引出的感应电动势则是直流电动势。

5.各种绕组的应用范围

除单迭和单波绕组外，电枢绕组还有复迭、复波和混合绕组。

双迭绕组是由两个单迭绕组通过电刷并联起来构成，每个单迭绕组的元件互相间隔地嵌入槽内。双波绕组则由两个单波绕组通过电刷并联起来构成，每个单波绕组的元件也是互相间隔的嵌于槽内。所以双绕组的节距与单绕组不同，但连接规律与单绕组并无根本区别。

一套迭绕组和一套波绕组按一定的规律嵌放并连接到同一个换向器上，可以构成混合绕组（亦称蛙型绕组）。

就使用而言，各种直流电枢绕组的主要差别就在于并联支路数的多少。支路多时，每条支路的串联元件数就少。通常都是根据电机额定电流的大小和额定电压的高低来选择绕组形式。单波绕组的支路数最少，用于小容量电机和电压较高或转速较低的电机。复波绕组可用于多极数、低速的中、大型电机。单迭绕组的支路数比波绕组多，主要用于中等容量、正常电压和转速的电机。复迭绕组用于大容量或低压、大电流的电机。蛙型绕组常用在转速较高、换向困难的大型直流电机上。