电机绕组有多种形式可选。本文将讨论三相分布式绕组交流电动机,这是工业中最常见的交流电机类型。本文内容适用于感应电动机和永磁同步电动机。
分布式绕组会在电机气隙中形成平滑的正弦型磁动势(MMF)。当三相交流电电流在绕组中流动并保持平衡时,就会产生磁动势。电机的磁设计会在气隙中产生一个行波,由此生成电机运行所需的转矩。
绕组由多个线圈组成,这些线圈通常使用铜线,有时也使用铝线。多个细导线可以并联连接,形成单一导体,然后绕制成多匝线圈。匝数取决于具体设计。
如图所示,分布式绕组由多个线圈组成,这些线圈被嵌入电机定子的槽中。线圈数量取决于定子槽数、相数(在此为三相)以及电机极对数。
每个线圈会跨越多个槽。满距绕组的平均线圈跨距等于 360°/p(p为极对数),或者等于绕组的槽数;短距绕组则跨越的槽数更少。图中为四极电机的满距绕组示意。
三相分布式绕组的四极电机定子
其余部分的线圈将位于电机端部的绕组中,即所谓的端部绕组(end windings),这部分不参与电机转矩的产生。因此,必须精确设计,以避免铜的浪费。
实现良好的热性能也要求高槽满率(slot-fill)以及有效的端部热管理。不过,这些因素往往受限于制造工艺。理想的分布式绕组应该是在无限数量的槽中放置无限数量的线圈,从而实现完美的磁动势分布。但在实际中,这是不可行的,因此必须在性能要求与可制造性之间寻找最佳折中方案。
为了避免故障或短路,不同相的线圈之间以及线圈与定子铁芯之间必须采取绝缘隔离。绝缘层还将作为热屏障,限制电机内部热量向外部的传导。
在线圈与绝缘材料之间、以及定子铁芯与绕组之间通常存在空气间隙。为了填补这些空隙,提高热传导效率,并提升绝缘效果,常采用**真空浸渍工艺(VPI)将树脂注入缝隙中。
电机绕组对多种应用场景至关重要
电机应用种类繁多,不同的应用会对电机设计提出不同的要求。绕组配置直接影响以下几个关键性能指标:
通过最小化谐波损耗提高效率
降低转矩脉动
减少噪声与振动
实现同样性能目标的绕组布局可以有多种组合方式。最终采用的布局常受生产限制影响,而生产方式则取决于绕组工艺所使用的自动化水平。
下表列出了几种常见的绕组结构及其主要选型标准(表格原文未附,故此处略去)。
在满足技术要求、生产自动化能力及成本控制之间,存在显著的权衡与取舍。因此,电机设计人员必须与制造工程师密切合作,以确定最适合的解决方案。