如何设计一个有效的电机绕组？

当我们要设计一款电机时，肯定躲不开要设计电机定子的绕组形式，但是初学电机设计会被绕组的繁杂形式搞得头晕眼花，有整数槽、分数槽、短跨距、短节距、叠绕式、同心式等等，看得人恨不得把这些七拐八拐的线圈都剪了！真的让人摸不着头脑！

不急，绕组形式虽然复杂，但是有共通的原理和方法，只要掌握了方法，就可以依葫芦画瓢分析所有绕组，包教包会，各位客官请听我娓娓道来！

我们都知道旋转电机的原理是通过定子绕组产生均衡的旋转磁场，牵引转子上的磁极进行转动。

电机旋转示意图

为了避免旋转过程中速度不平稳和输出转矩波动的情况，定子的三相绕组必须使U、V、W三相的合成电动势的相位差为120°，这样才能使旋转磁场的方向匀速转动并保持场强恒定。至于为什么是这样的，我们可以从三相交流电的来源进行理解，三相交流电本身就是源自转子匀速旋转切割磁感线产生的感应电势，电动机只是发电机的“逆向”过程。为了形象理解三相电的合成情况，可以参考下面这张示意图：

三相交流电合成示意图

需要特别注意的是，这里的相位角指的是电角度，而非物理意义上的角度。

然后再来理解一下叠绕、同心绕组等等绕组的区别。首先我们需要理解一个线圈其实就是四根导体连在一起，两个槽内导体和两根端部导体，定子绕组中产生磁场的主要是槽内导体，而端部导体只起到连接槽内导体的作用，因此一般希望端部导体长度越短越好，这样可以减少端部用铜量。所以叠绕、同心绕法的区别仅仅是连接导体的方式不同而已，不同绕法的线圈装配难度、端部用铜量不同。

叠绕组示意图

同心式绕组示意图

好的，接下来跟大家分析一下设计绕组连接的方法。我们将每极每相槽数为整数的绕组称为整数槽绕组，每极每相槽数为分数的绕组称为分数槽绕组。为了简化问题，先对单层整数槽绕组进行说明，后面会解释单层绕组和双层绕组的区别。我们先以18槽6极的绕组为例讲解一下绕组设计方法。

先计算每槽之间的物理角度： α=360/18=20°，因此每槽之间的电角度： β=p∗α=3∗20°=60°，我们对槽依次排序，1, 2......18，然后我们就可以画出定子槽的矢量星形图，如下图所示：

电压矢量星形图

然后我们对矢量图进行60°相带划分（U, -U, V, -V, W, -W六个相带），如下图所示：

60°相带划分示意图

将U、V、W三相的电压矢量进行合成，可以得到如下图所示的三条等大相距120°角的三条合成电势矢量。

合成矢量图

综上可知，1，7，13号槽的导体应正向连接U相电路，4，10，16号槽反接U相电路；V、W相同理。

18槽6极绕组接线示意图

整数槽绕组的矢量图一般比较规整，而分数槽绕组的矢量图比较杂乱，但分析方法是一样的，每槽间物理角度 α=360/12=30°，每槽间电角度 β=pα=5∗30=150°，每极每相槽数 z=12/3/5=45z=12/3/5=4/5为分数，下面展示了12槽10极绕组的星形矢量图以及60°相带划分情况。

12槽10极电机定转子示意图

12槽10极星形矢量图及相带划分

12槽10极矢量合成图

基于以上分析，分数槽绕组连接方式如下：1槽和6槽导体接U相电路正方向，7槽和12槽导体反接U相电路;V、W相同理。以上就是分析绕组连接的通用方法，就算是几十槽几十极的复杂绕组，依旧可以利用该方法进行分析，只是过程更麻烦一些。

最后再介绍一下单层绕组和双层绕组的区别，双层绕组有上层绕组和下层绕组之分，相带在上层边和下层边分布不一定相同，常错开几个槽距，可形成短距线圈，使端部长度缩短，减少耗铜量，同时短距绕组比整距绕组产生更正弦的磁动势波形，削弱气隙磁密的谐波成分。同时若上下层只错开一个槽距，则可形成齿绕线圈，降低加工难度。

双层绕组示意图

（a）三相，双层，叠绕组。单个端部绕组连线示意图说明了线圈的节距。绕组由上层边和下层边组成，且下层边顺时针错位一个槽距。短距绕组的磁场轴线如图中所示；

(b)双层绕组线圈端部采用预成型工艺，线圈的节距为W（或者为槽距的倍数y）。线圈端部从左边槽底部开始至石边槽的顶部。

来源：RIO电驱动

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