电机集中式绕组和分布式绕组的区别

发布时间:2023-11-02  

绕组总是缠绕在至少两个定子齿上(wound over at least two stator teeth)。在集中式绕组有一个定子齿缠绕(one stator tooth is wound)。这两种类型的绕组都有不同的优点和缺点。

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什么时候使用集中式绕组,什么时候使用分布式绕组,取决于电机的尺寸和具体应用(depends on the dimensions of the motor and its application)。

电机产量目标和电机的制造方式也对绕组类型的选择有影响。对绕组设计很重要的其他区别特征是分数槽绕组(fractional slot winding)和整数槽绕组(integer slot winding,),以及单层绕组(single layer winding)和双层绕组(double layer winding)。

电机绕组图

(Motor Winding Diagram)

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集中式绕组,定子的一个齿正好承载一个绕组。不同的颜色代表三相U、V和W。一相的两个绕组相互连接,然后三相可以连接成星形(star)或三角形(delta)。

在分布式绕组中,至少缠绕两个齿,如本例所示。缠绕的齿数称为线圈跨度(coil span),当然可缠绕3、4、5或更多的齿。线圈跨度取决于定子的齿数和转子的极对数(the number of pole pairs)。

集中式绕组

(concentrated winding)

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集中式绕组,定子总是正好缠绕在一个齿上。这在定子的制造中具有显著的优势(significant advantages in manufacturing)。例如,完成的绕组(finished windings)可以简单地推到定子上。但定子齿(stator’s teeth)的设计必须为此专门设计。

分布式绕组和集中式绕组之间的技术区别(technical difference)是什么。对此,我们将研究反电动势的电压(the voltage of the back EMF)。在电机旋转足够快时,在带有永磁体的电机的端子处测量电压(measure voltage at the terminals),电机的旋转可以用手或负载机(load machine)。

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采用经典设计(classical design)集中式绕组的电机,反电动势(back EMF)是梯形的(trapezoidal)。因此,这种类型的绕组可以产生高转矩(high torque),特别是在低速范围内。

然而,这并不意味着它效率高。这是因为集中绕组的主要缺点(main disadvantage)是产生谐波(harmonics),这可能导致高损耗(high losses),尤其是在高速下(at high speeds)。这些损耗可能发生在叠片中的绕组(windings in the laminations)以及永磁体(permanent magnets)中。

集中式绕组主要用于短且直径大的电机。例如,无齿轮电动两轮的轮毂电机(wheel hub drives without gears)。集中式绕组也用于需要高动态性(high dynamics)和效率不那么关键的驱动器。

集中式绕组的另一个缺点是转矩脉动(torque ripple)。但这可以补偿,例如移动转子上磁体彼此间的相对位置(moving the magnets)或相应地改变磁体形状(shaping the magnets)来补偿。

分布式绕组

(Distributed Winding)

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在分布式绕组中,由于绕组重叠(the overlap of the windings),绕组头会比较大。由于集中式绕组的绕组头较小,在低速范围内的欧姆损耗(ohmiclosses)比分布式绕组要低。

对于分布式绕组,定子的至少两个齿缠绕,如图中的示例所示。缠绕的齿数称为线圈间距(coil pitch)或步长(step size),当然也可以缠绕3、4、5或更多的齿。

分布式绕组,绕组在电机的顶部和底部重叠,电机的这一区域也称为绕组头(winding head)。由于重叠,分布式绕组中的绕组头比集中绕组中的大。因此,对于极短的电机,通常使用集中绕组,而不是分布式绕组。集中式绕组头的欧姆损耗更小。对于较长的电机,绕组头的损耗对总损耗的影响并不大。

电机分布式绕组的一个非常重要的优点是,产生的反电动势具有平滑的正弦特性(smooth mostly sinusoidal characteristic)。这意味着谐波的比例(proportion of harmonics)非常低,定子和绕组的叠片中的损耗也是更小。分布式绕组用于需要更高效率的应用,例如电动汽车。

分布式绕组的另一个优点是高同步性(high synchronism),这意味着转矩波动(torque ripple)以及电机的噪声(noise of the motor)都非常低。因此,分布式绕组电机主要用于机床的旋转主轴(rotary spindles of machine tools),否则扭矩振荡(torque oscillations)将对加工工件的质量产生不良影响。


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