1.2 直流电机的电枢绕组简介

电枢绕组是直流电机的核心部分。电枢绕组放置在电机的转子上，当转子在磁场中转动时，不论是电动机还是发电机，绕组均产生感应电动势；当转子中有电流时将产生电枢磁动势，该磁动势与电机气隙磁通相互作用产生电磁转矩，从而完成机电能量的相互转换。

电枢绕组是由多个形状相同的绕组元件，按照一定的规律连接起来组成的。根据连接规律的不同，绕组可分为单叠绕组、单波绕组、复叠绕组、复波绕组及混合绕组等几种形式。下面介绍绕组中常用的基本知识。

元件：构成绕组的线圈为绕组元件，元件分为单匝和多匝两种。

元件的首末端：每一个元件不管是单匝还是多匝，均引出两根线与换向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。

极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离称为极距，用τ表示。可用下式计算，

式中，D为电枢铁心外直径；p为直流电机磁极对数。

叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件端接部分紧叠在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。

波绕组：串联的两个元件像波浪式的前进。

单匝单叠绕组、单匝单波绕组、多匝单叠绕组及多匝单波绕组如图1-9所示。

第一节距：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离称为第一节距，第一节距用y₁表示。

第二节距：连至同一换向片上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间的距离。第二节距用y₂表示。

合成节距：连至同一换向片上两个元件对应边之间的距离，即第一个元件的上层边与第二个元件的上层边间的距离或第一个元件的下层边与第二个元件的下层边间的距离。合成节距用y表示。合成节距y、第一节距y₁和第二节距y₂的关系为：

单叠绕组：y=y₁-y₂

单波绕组：y=y₁+y₂

换向节距：同一元件首、末端连接的换向片之间的距离。换向节距用y_K表示。

单叠绕组和单波绕组的节距如图1-10所示。

1.2.1 单叠绕组

单叠绕组的特点是相邻元件相互叠压，合成节距与换向节距均为1，即y=y_K=1。

1. 单叠绕组的节距计算

第一节距y₁的计算公式如下：

式中，Z为电机电枢槽数；ε为使y₁为整数而加的一个小数。

当ε前面为负号时，线圈为短距线圈；当ε前面为正号时，线圈为长距线圈。长短距线圈的有效边是一样的，但由于长距线圈连接部分比短距线圈要长，使用铜导线较多，因此通常使用短距线圈。

单叠绕组的合成节距和换向节距相同，即y=y_K=±1，一般取y=y_K=+1，此时的单叠绕组称为右行绕组，元件的连接顺序为从左向右进行。

单叠绕组的第二节距y₂由第一节距和合成节距之差计算得到，第二节距y₂的计算公式如下：

2. 单叠绕组展开图

展开图是把放在铁心槽里、构成绕组的所有元件均取出来，画在同一张图里，其作用是展示元件相互间的电气连接关系。除元件外，展开图中还包括主磁极、换向片及电刷以表示元件间、电刷与主磁极间的相对位置关系。在画展开图前应根据所给定的电机极对数p、槽数Z、元件数S和换向片数K，算出各节距值，然后根据计算值画出单叠绕组展开图。如图1-11所示。从展开图可以看出，电刷数等于主磁极数，在展开图中电刷放置在换向器表面主磁极轴线的下方，将主磁极之间几何中性线（两主磁极之间的中心线）处的元件短接。

【例1-1】 已知一台直流发电机，2p=4，S=K=Z=16，画出其右行单叠绕组展开图。

1）计算数据。

y=y_K=+1

y ₂=y₁-y=4-1=3

2）画元件。用实线代表上层线圈边，虚线代表下层线圈边，且从1～16给上层边编号。该上层边的号也是该线圈的号及槽号。单叠绕组展开图如图1-11所示。

3）放置主磁极。主磁极应N、S交替放置，均匀分布在各槽的上方，因此N极的磁力线指向纸内（进去⊗），S极的磁力线出来（⊙），每个磁极的宽度约为0.7τ。

4）放置换向片。画16个与相邻元件等距的小方块代表换向片，并标上号码。换向片的编号与所接线圈的编号相同。

5）根据计算数据连接线圈构成绕组。第一换向片连接第一元件上层边，根据y₁=4连到第一元件的下层边（本例中编号为5的虚线），然后根据换向节距y_K=1回到第二换向片，根据合成节距y=1，第二元件的上层边连接到第二换向片，其下层边连接第三换向片，依次类推，便构成图1-11所示的展开图。从图中可知单叠绕组元件的连接顺序如图1-12所示，从第一个元件的上层边开始，绕电枢一周后，把所有线圈串联起来，构成一个闭合回路。

6）放置电刷。在展开图中，把电刷放置在换向器表面、主磁极的轴线处，直流电机的电刷与换向片的大小相同，电刷数等于主磁极数，这样被电刷短接元件的感应电动势为零，同时正负电刷间的电动势也最大。在实际生产过程中，直流电机电刷的实际位置是电机制造好后通过实验的方法确定的。

7）假定电枢旋转方向，通过右手定则画出元件有效边中电动势的方向，相同极性下的导体中的电动势方向相同。根据电动势方向判断电刷正负极性，并把同极性电刷并联引出，作为电源输出端。

3. 单叠绕组的并联支路图

从图1-11单叠绕组展开图可知，在整个绕组构成的闭合回路中，有几个元件（1、5、9、13）被电刷短接，因此便得到图1-13所示的单叠绕组并联支路图。从图1-13中可知，同一磁极下相邻线圈（如N极下的2、3、4三个线圈）依次串联，构成一条支路，也就是说，每一个磁极都有一条对应支路。所以单叠绕组并联支路对数a等于主磁极对数p，即a=p。

值得注意的是，在展开图中，电刷在换向器表面上的位置是对准主磁极中心线的，而被电刷短接的线圈的两有效边正好处于几何中性线上（几何中性线是指两个主磁极之间的极间中心线）。今后简称为“电刷放在几何中性线上”，是指被电刷短接元件的两有效边位于几何中性线上，而不是电刷放在几何中性线上。因此在原理图中我们常将电刷画在几何中性线处。

综上所述，单叠绕组有以下特点：

1）同一主磁极下的元件串联在一起组成一个支路，这样有几个主磁极就有几条支路。

2）电刷数等于主磁极数，电刷位置应使支路感应电动势最大。

3）电刷间电动势等于并联支路电动势，即等于每条并联支路中每根导体电动势之和。

4）电枢电流等于各并联支路电流之和。

1.2.2 单波绕组

单波绕组是直流电机电枢绕组的另一种最基本形式。由于线圈连接呈波浪形，所以称作波绕组。单波绕组线圈的第一节距和上述单叠绕组相同，但其端接部分的形状和连接规律与单叠绕组不同。单波绕组直接相连的两个线圈的对应边不是在同一个主磁极下面，而是分别处于相邻两对主磁极中的同极性的磁极下面，合成节距约等于两个极距，如图1-10b所示。这样，两个线圈在磁场中的相对位置基本上是相同的，使得两者产生的感应电动势方向相同，电磁转矩方向也相同。设电机有p对极，单波绕组的线圈沿电枢表面绕行一周应串联p个线圈，第p+1个线圈的位置不能与第1个线圈相重合，只能放在第一个线圈相邻的电枢槽中，因此，一定满足下列条件

从换向器上看，第p个线圈的末端，不能接到与第1个线圈的首端相连的第1个换向片上，只能连接到与第1个换向片相邻的换向片上，显然，也应该满足下列条件

根据式（1-6）、式（1-7）可得

上式应满足y或y_K为整数的条件。当取正号时，第p个线圈的末端将置于第1个换向片的右边，称为右行绕组；当取负号时，第p个线圈的末端将置于第1个换向片的左边，称为左行绕组。左行绕组端接线较短，易于制作，故得到广泛应用。

单波绕组的展开图制作步骤与单叠绕组基本相同。图1-14是2p=4，Z=15左行单波短距绕组的展开图，对应的单波绕组并联支路图如图1-15所示。由图可知，单波绕组只有一对并联支路，支路对数与磁极对数p无关，即a=1。单波绕组的其他特点和单叠绕组相同。

【例1-2】 单叠绕组的个别线圈断线或与换向片焊接不良的检修。

若单叠绕组的个别线圈断线或与换向片焊接不良，即出现断路故障，一般采用测量换向片片间电压降的方法来检查。根据单叠绕组的连接规律，两相邻换向片之间有一个线圈，测量换向片片间电压降接线图如图1-16所示。在相邻换向片上接入低压直流电源，用直流毫伏表测量相邻两换向片间的电压降。若电枢线圈无断线故障，电枢线圈、可变电阻R形成闭合回路。由于线圈的电阻小，故电源电压大部分将在可变电阻R上，此时测得毫伏表指示较小，各换向片间的电压降相同或电压平均值的偏差在±5%范围内，说明电路正常；若线圈出现断路或焊接不良故障，所有电压均降在线圈上，在相连接的换向片上，测得压降比平均值显著增大。