《集中式绕组与分布式绕组：原理、结构及应用的深度剖析》
一、引言
图片来源于网络，如有侵权联系删除
在电机领域，绕组是电机的核心部件之一，它的类型直接影响着电机的性能、效率和运行特性，集中式绕组和分布式绕组是两种常见的绕组形式，它们在结构、电磁特性、制造工艺以及应用场景等方面存在诸多区别，深入理解这些区别对于电机的设计、制造和选型具有重要意义。
二、集中式绕组
（一）结构特点
1、集中式绕组是将线圈集中绕制在定子或转子的特定位置上，例如在直流电机的电枢绕组中，各线圈往往集中放置在电枢铁心的槽内，这些槽通常是等间距分布的，但每个槽内的线圈集中在一起形成一个或几个单独的绕组元件。
2、从空间布局来看，集中式绕组的线圈之间相对集中，占用的空间相对紧凑，以简单的集中式单相绕组为例，它可能只有几个大的线圈集中绕制在定子铁心的几个槽内，线圈的端部较短，这有利于减少绕组端部的用铜量，降低成本。
（二）电磁特性
1、集中式绕组产生的磁场分布相对简单，在通入电流后，其产生的磁动势在空间上呈现出较为集中的分布，以集中式绕组的直流电机为例，磁动势主要集中在电枢齿和磁极之间的气隙区域，并且磁密分布在空间上存在较大的突变，这种磁场特性使得电机的气隙磁场谐波含量相对较高，容易产生转矩脉动和噪声。
2、由于磁场分布的特点，集中式绕组的电感特性也较为特殊，其自感和互感系数相对较大，并且随着电机运行状态（如转子位置、电流大小等）的变化而有较大幅度的波动，这在一些对控制精度要求较高的电机驱动系统中可能会带来一定的挑战，例如在无刷直流电机的换相控制过程中，较大的电感变化可能会影响换相的准确性和电机的动态性能。
（三）制造工艺
1、集中式绕组的制造工艺相对简单，由于线圈集中绕制，绕线设备的要求相对较低，可以采用较为简单的绕线模具，例如在一些小型直流电机的生产中，工人可以使用手动绕线机将线圈绕制在电枢铁心的槽内，绕线速度较快，生产效率较高。
2、在绕组的连接方面，集中式绕组的连接方式相对固定和简单，各线圈之间的连接通常是按照特定的电路连接方式进行串联或并联，连接点较少，这也降低了制造过程中的出错概率。
（四）应用场景
1、集中式绕组在一些小型、简单结构的电机中应用广泛，例如玩具电机、小型直流风扇电机等，这些电机对成本较为敏感，对电机性能的要求相对较低，集中式绕组的简单结构和低成本制造工艺正好满足需求。
图片来源于网络，如有侵权联系删除
2、在一些特殊应用场景下，如对电机的启动转矩有较高要求的场合，集中式绕组也有其优势，例如某些起重设备用的直流电机，集中式绕组能够在启动时提供较大的启动转矩，满足设备的启动需求。
三、分布式绕组
（一）结构特点
1、分布式绕组是将线圈均匀分布在定子或转子的多个槽内，在三相异步电机中，三相绕组分别均匀分布在定子铁心的各个槽中，每个相的线圈按照一定的规律分布，使得整个定子圆周上的绕组分布较为均匀。
2、分布式绕组的线圈数量较多，每个线圈的匝数相对较少，这种结构使得绕组在空间上的分布更加分散，例如在一台典型的三相异步电机中，定子铁心可能有36个槽，每个相绕组分布在12个槽内，每个槽内的线圈匝数相对较少，这样可以使磁场在空间上的分布更加接近正弦波。
（二）电磁特性
1、分布式绕组产生的磁场分布更加接近正弦波，由于线圈的均匀分布，在通入三相交流电流后，其合成磁动势在空间上是一个旋转的、近似正弦分布的磁场，这种正弦磁场特性使得电机的运行更加平稳，转矩脉动较小，减少了电机运行过程中的振动和噪声。
2、在电感特性方面，分布式绕组的自感和互感系数相对较为稳定，与集中式绕组相比，其电感随电机运行状态的变化较小，这有利于提高电机控制系统的稳定性和控制精度，例如在高性能的交流调速系统中，分布式绕组电机的电感稳定性有助于实现更精确的矢量控制。
（三）制造工艺
1、分布式绕组的制造工艺相对复杂，由于线圈数量多且分布均匀，绕线过程需要更加精确的绕线设备和工艺控制，例如在大规模生产三相异步电机时，需要使用自动化的绕线机来确保每个线圈的匝数和绕线位置准确无误，并且在将线圈嵌入定子槽时也需要更加精细的操作，以避免损坏线圈绝缘。
2、在绕组连接方面，分布式绕组的连接方式更为复杂，三相绕组之间存在着特定的相位关系和连接顺序，需要严格按照电气原理进行连接，连接点较多，这对制造工人的技术水平和工艺要求较高。
（四）应用场景
1、分布式绕组在中大型电机中应用广泛，例如工业用的三相异步电机、同步电机等，这些电机对运行性能、效率和可靠性要求较高，分布式绕组的正弦磁场特性、稳定的电感特性以及较好的散热性能（由于绕组分布均匀有利于热量散发）能够满足这些要求。
图片来源于网络，如有侵权联系删除
2、在一些对电机性能要求苛刻的场合，如电动汽车驱动电机、高精度数控机床用电机等，分布式绕组也是首选，这些应用场景需要电机具有高效、平稳运行、低噪声和高控制精度等特性，分布式绕组电机能够很好地满足这些需求。
四、集中式绕组与分布式绕组的对比总结
（一）性能方面
1、在磁场分布上，集中式绕组磁场集中且谐波含量高，分布式绕组磁场接近正弦分布、谐波少，这导致分布式绕组电机运行更平稳，转矩脉动和噪声更小。
2、电感特性方面，集中式绕组电感波动大，分布式绕组电感相对稳定，这使得分布式绕组在高性能电机控制系统中更具优势。
（二）制造方面
1、集中式绕组制造工艺简单、成本低，而分布式绕组制造工艺复杂、成本高，集中式绕组适合于对成本敏感、对性能要求不高的小型电机生产；分布式绕组则用于对性能要求高的中大型电机制造。
2、集中式绕组连接简单，分布式绕组连接复杂，需要更高的制造技术水平。
（三）应用方面
1、集中式绕组主要应用于小型、对启动转矩有特殊要求的简单电机，分布式绕组则广泛应用于中大型电机以及对电机性能要求苛刻的场合，如工业生产、电动汽车、数控机床等领域。
通过以上对集中式绕组和分布式绕组在结构、电磁特性、制造工艺和应用场景等方面的详细对比分析，可以看出它们各自的优缺点，在电机设计和选型过程中，需要根据具体的应用需求、成本限制和性能要求等因素综合考虑，选择合适的绕组形式，以实现电机的最佳性能和经济效益。
评论列表