RMxprt-電樞繞組基本術語和類型

作者：電機設計青年/MotorDesign Youth

時間：202201

作者簡介：曾擔任ANSYS低頻電磁工程師一職，后入職電機企業，從事電機產品研發工作，電機類型涉及電勵磁同步電機、永磁同步電機、空心杯電機、軸向磁通電機等，應用行業涉及新能源汽車、航空、醫療器械等，精通軟件且設計經驗豐富。

電樞繞組是電機核心的部件，電樞繞組產生的電樞磁場和勵磁繞組（或永磁體）產生的勵磁磁場相互作用而產生電磁轉矩，從而將機械能轉換為電能（發電機）或者將電能轉化為機械能（電動機），本文將介紹RMxprt中關于電樞繞組的基本術語和類型。

1 基本繞組術語

1.1 導體和并繞根數

導體是指一匝線圈的一半，它可能是一股絕緣導線，也可能是由多股絕緣導線絞合并繞而成。

導體可以由多股相同線規的導線并繞而成，也可以由多股不同線規的導線并繞而成，并繞股數也常稱為導體的并繞根數。導體電流并不一定均勻地分布在每條導線中，但電流密度是均勻分布的。

1.2 線圈和線圈節距

線圈一般是由絕緣電磁線在繞線模上連續繞制而成。線圈可以有多匝，每一匝由一個或多個導體組成。導體的直線部分嵌放在鐵心槽內，稱為線圈的有效邊。

線圈的兩個有效邊在電樞鐵心上所跨過的槽數稱為節距，用y表示。例如：第1槽線圈邊，跨過8個槽，與第9槽線圈邊連接，此時線圈節距為y=8=1~9。

極距：相鄰磁極之間的距離，用槽數表示：極距=總槽數/極數；

整距線圈：線圈節距=極距；

短距線圈：線圈節距<極距；

長距線圈：線圈節距>極距；

1.3 線圈組

一個（對）極下屬于同一相的線圈串聯在一起，形成一組，稱為線圈組。

1.4 繞組

同一相的線圈（或線圈組）按一定規律連接起來，稱為相繞組。一個相繞組可以有多條并聯支路，但每條支路必須有相同的反電勢和相電阻。因而，相繞組電流是均勻地分布在每條支路中。

總而言之，繞組是由多條并聯支路并聯而成，每條支路由一個或者多個線圈組串聯而成，一個線圈組由一個或者多個線圈串聯而成，線圈可以有很多匝，每匝由一個或多個導體構成，每個導體由一股或多股相同規格或不同規格的導線并繞而成。

2 繞組類型

常見的多相交流電機的電樞繞組的類型，可以按如圖1所示分類：

圖1 多相交流繞組類型

3 全極式繞組

當交流繞組每相的線圈組數與極數相同時，也就是說每個極下每相有1個線圈組時，稱為全極式繞組，如圖2所示。

a. 單層	b. 雙層

圖2 全極式繞組

4 半極式繞組

當交流繞組的每一對極下每相只有一個線圈組時，繞組類型稱為半極式，如圖3所示。

a. 單層	b. 雙層

圖3 半極式繞組

5 單層繞組

當每個槽的導體都屬于同一個線圈，稱為單層繞組。用戶可以在Winding Properties窗口的Winding選項中設定繞組層數。與雙層繞組相比，單層繞組的特點是：

      a.線圈數量少一半；

      b. 槽內無需層間絕緣，槽利用率高；

      c.線圈節距取決于連接方式，不可調整；

      d.廣泛用于小容量電機中；

按端部連接方式的不同，單層繞組可分為鏈式、疊式、同心式和交叉式。

5.1 單層鏈式繞組

單層鏈式繞組，因端部外形形似鎖鏈而得名。對于鏈式繞組，每一個線圈組只有一個線圈。

        a.半極式鏈式繞組：三相6極18槽單層半極式鏈式繞組如圖4所示；

圖4 單層鏈式繞組：3相6極18槽半極式

       b.全極式鏈式繞組：三相4極24槽單層全極式鏈式繞組如圖5所示；

圖5 單層鏈式繞組：3相4極24槽全極式

5.2 單層疊式繞組

單層疊繞組因其端部成交疊狀而得名。在單層疊繞組中，每個線圈組至少由兩個或者兩個以上相互交疊的線圈組成。

       a.半極式疊繞組：三相4極24槽半極式單層疊繞組，如圖6所示；

圖6 單層疊式繞組：3相4極24槽半極式

        b.全極式疊繞組：三相4極48槽全極式單層疊繞組，如圖7所示；

圖7 單層疊式繞組：3相4極48槽全極式

5.3 單層交叉式疊繞組

在疊繞組中，如果某些線圈組只有一個線圈，這種繞組類型也稱為交叉式疊繞組。

        a.半極式交叉疊繞組：三相8極36槽單層半極式交叉疊繞組，如圖8a所示；

        b.全極式交叉疊繞組：三相4極36槽單層全極式交叉疊繞組，如圖8b所示；

a. 3相8極36槽半極式	b. 3相4極36槽全極式

圖8 單層交叉式疊繞組

5.4 單層同心式繞組

單層同心式繞組由具有相同中心線、不同節距的同心式線圈構成，具有端部可分層排布、方便嵌線的工藝特點，但端部漏磁較大。

        a.半極式同心繞組：三相4極24槽半極式同心繞組，如圖9a所示。

        b.全極式同心繞組：三相4極48槽全極式同心繞組，如圖9b所示。

a. 3相4極24槽半極式	b. 3相4極48槽全極式

圖9 單層同心式繞組

5.5 單層交叉式同心繞組

在同心式繞組中，如果某些線圈組只有一個線圈，繞組類型稱為交叉式同心繞組。

       a.半極式交叉同心繞組：三相8極36槽單層半極交叉式同心繞組，如圖10a所示。

       b.全極式交叉同心繞組：三相4極36槽單層全極式交叉同心繞組，如圖10b所示。

a. 3相8極36槽半極式	b. 3相4極36槽全極式

圖10 單層交叉式同心繞組

6 雙層繞組

雙層繞組中，每槽導體可分為上、下兩層，線圈的一條直線邊嵌于槽的上層，而另一條直線邊嵌于另一槽的下層。用戶可以在Winding Properties窗口的Winding選項中設定繞組層數。與單層繞組相比，雙層繞組的特點為：

       a.線圈數量多一倍；

       b.需要層間絕緣，槽利用率有所降低，且存在相間擊穿的可能；

       c.線圈節距可調，可采用適當的短矩系數削弱電勢諧波，改善電磁性能；

       d.廣泛用于容量在10kW以上的電機中；

在單速電機中，雙層繞組一般都采用全極式繞組。而對于變極雙速電機，高速時一般采用全極式雙層繞組，低速一般采用半極式雙層繞組。

按線圈構成方法和導體連接次序的不同，雙層繞組可分為疊繞組、同心繞組和波繞組。

在單速電機中，雙層繞組一般都采用全極式繞組。而對于變極雙速電機，高速時一般采用全極式雙層繞組，低速一般采用半極式雙層繞組。

按線圈構成方法和導體連接次序的不同，雙層繞組可分為疊繞組、同心繞組和波繞組。

6.1 雙層疊繞組

例如三相4極24槽雙層全極式疊繞組（短距y=5），如圖11所示。

圖11 三相4極24槽雙層全極式疊繞組

6.2 雙層同心式繞組

例如三相4極24槽全極式雙層同心式繞組（短距y=4/6），如圖12所示。

圖12 三相4極24槽全極式雙層同心式繞組

6.3 雙層波繞組

雙層波繞組因其展開圖，形似波浪而得名，如圖13所示。

圖13 三相4極36槽全極式雙層波繞組

與疊繞組相比：

       a.每相繞組先在不同極下串聯沿圓周繞行一周后，回到第一個線圈的左邊，再繼續繞行第二周，直到繞完該相的全部線圈為止；

       b.一般用于低壓大電流電機中，單匝成型繞組；

       c.極間連線較少；

6.4 分數槽繞組

首先，介紹每極每相槽數q：

                      

其中：Z-槽數，p-極數，m-相數。

對于分數槽繞組電機，q是一個分數：

                       

例：三相6極45槽雙層分數槽繞組(q=1/2,極距τ=7+1/2,節距y=7)，如圖14所示：

圖14 三相6極45槽雙層分數槽繞組

6.5 不對稱繞組

對于分數槽繞組，如果分母d是相數m的倍數，則分數槽繞組成為不對稱繞組。一般地，盡量避免使用不對稱繞組，不過有時為了使用沖片，可能會使用帶有少量不對稱的多相繞組。

例：三相6極66槽不對稱雙層繞組（q=2+2/3，極距??=11，節距y=11），如圖15所示：

圖15 三相6極66槽不對稱雙層繞組

7 小結

本文介紹RMxprt中電樞繞組的基本術語和類型，這是電機設計者所應具備的最基本的知識。

RMxprt電機設計精講課程，基本上涵蓋了軟件的全部內容，包括定轉子鐵芯的拓撲結構、繞組和電路的拓撲結構、電機運行方式和負載類型、報告創建和編輯、自定義繞組、各種電機參數含義講解、參數化分析/調優分析/優化分析、GRM模塊、Maxwell模型向導、軟磁材料/永磁材料設置等，其中有些內容與Maxwell的操作是相同的。作者計劃以ANSYS Maxwell為平臺，以電機電磁設計為內容，打造全系列的課程，RMxprt電機設計精講是第一部分內容，更是基礎，針對Maxwell的教程預計在明年會推出，期望能夠提高電機設計工程師的仿真計算能力，也希望大家能夠連續學習，并予以收藏和關注，謝謝大家的支持!