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原理、结构及应用的深度剖析
在电机领域，绕组是电机的关键组成部分，它的类型直接影响电机的性能，分布式绕组和集中式绕组是两种常见的绕组形式，它们在结构、原理和应用等方面存在诸多差异，深入理解这些差异对于电机的设计、制造和应用具有重要意义。
结构特点
（一）分布式绕组
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1、分布形式
- 分布式绕组是将绕组均匀分布在定子或转子的槽内，在三相异步电动机的定子中，通常采用分布式绕组，它的线圈边会分布在多个槽内，而且每个相的绕组是按照一定的规律分布在圆周上的。
- 以双层叠绕组为例，每个槽内有上下两层线圈边，不同相的线圈边交错排列，这种分布方式使得磁场在空间上的分布更加均匀。
2、槽数与极数关系
- 分布式绕组的槽数较多，并且与电机的极数有一定的配合关系，为了获得较好的性能，槽数通常是极数的整数倍，对于4极电机，定子槽数可能为24、36等，这样的设计有助于削弱高次谐波磁场，改善电机的电磁性能。
（二）集中式绕组
1、集中形式
- 集中式绕组的线圈集中绕制，通常每个磁极下只有一个或一组集中的线圈，在直流电机的电枢绕组中，有部分采用集中式绕组，单叠绕组，它的线圈是一个接一个地串联起来，并且每个线圈的两个边分别位于相邻的两个换向片上。
- 对于一些小型的永磁同步电机，也可能采用集中式绕组，这种绕组的线圈相对集中，在空间上不像分布式绕组那样分散。
2、结构紧凑性
- 集中式绕组的结构相对紧凑，因为它不需要像分布式绕组那样将线圈分散在多个槽内，这种紧凑性在一些对空间要求较高的电机应用中具有优势，例如在一些小型的电动工具电机中，可以有效地减小电机的体积。
原理区别
（一）磁场分布
1、分布式绕组
- 由于分布式绕组的线圈分布在多个槽内，它所产生的磁场是多个线圈磁场的叠加，这种叠加方式使得磁场在空间上的分布更加接近正弦波，在三相异步电动机中，三相分布式绕组通入三相交流电后，会产生一个旋转磁场，这个旋转磁场的波形较为接近理想的正弦旋转磁场，这是因为分布式绕组的结构特点能够有效地抑制高次谐波磁场，从而提高电机的效率和性能。
2、集中式绕组
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- 集中式绕组产生的磁场相对集中在磁极附近，以直流电机为例，集中式的电枢绕组在磁极下产生的磁场，其分布相对不够均匀，在永磁同步电机中采用集中式绕组时，磁场也存在一定的局部集中现象，这可能会导致电机的转矩脉动相对较大，不过通过一些特殊的设计和控制策略可以在一定程度上进行改善。
（二）感应电动势
1、分布式绕组
- 在交流电机中，分布式绕组的感应电动势是由分布在不同槽内的线圈感应电动势叠加而成，由于磁场分布接近正弦波，其感应电动势的波形也较为接近正弦波，分布式绕组的分布特性使得感应电动势的有效值相对较高，这是因为每个槽内的线圈边在磁场中的位置不同，它们感应出的电动势在时间上有一定的相位差，叠加后能够提高总的感应电动势。
2、集中式绕组
- 集中式绕组的感应电动势主要取决于磁极下的磁场变化和线圈的匝数，由于其磁场分布的特点，感应电动势的波形可能会存在一定的畸变，在直流电机中，通过换向器的作用将电枢绕组中的感应电动势转换为直流电动势输出，而在采用集中式绕组的交流电机中，需要采取一些措施来改善感应电动势的波形，如采用特殊的磁极形状或增加辅助绕组等。
应用场景差异
（一）分布式绕组的应用
1、大型工业电机
- 在大型三相异步电动机中，分布式绕组得到广泛应用，因为大型电机对效率、运行稳定性和可靠性要求较高，分布式绕组能够提供较为均匀的磁场，减少谐波损耗，提高电机的效率，它也有助于降低电机运行时的振动和噪声，适合在工业生产中的各种大型设备中使用，如风机、水泵等的驱动电机。
2、高性能交流电机
- 在一些对电机性能要求极高的交流调速系统中，如高性能的变频调速电机，分布式绕组也是首选，它能够更好地适应变频电源的供电，在宽频率范围内保持较好的性能，由于其良好的磁场分布特性，在高速运行时也能有效地抑制转矩脉动，提高电机的动态性能。
（二）集中式绕组的应用
1、小型直流电机
- 集中式绕组在小型直流电机中应用广泛，在玩具电机、小型电动剃须刀电机等，这些电机功率较小，对空间尺寸要求严格，集中式绕组的紧凑结构能够满足这些要求，而且直流电机通过换向器和电刷与集中式电枢绕组配合，可以实现电能和机械能的转换。
2、特定结构的永磁同步电机
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- 在一些特殊结构的永磁同步电机中，如外转子永磁同步电机用于小型风扇等设备时，集中式绕组可以简化电机的结构，由于外转子电机的结构特点，采用集中式绕组可以降低制造难度和成本，同时在一定程度上满足设备对电机性能的要求，虽然其性能在某些方面可能不如分布式绕组电机，但在这些特定的低成本、小功率应用场景下具有优势。
制造工艺与成本
（一）制造工艺
1、分布式绕组
- 分布式绕组的制造工艺相对复杂，由于其线圈分布在多个槽内，绕线过程需要精确控制每个线圈边在槽内的位置和连接方式，在嵌线过程中，需要将线圈边小心地嵌入槽内，并且要保证绝缘良好，在双层叠绕组的制造中，需要先嵌入下层线圈边，然后再嵌入上层线圈边，并且要进行端部整形等操作，这需要较高的工艺水平和专门的设备，如绕线机、嵌线机等。
2、集中式绕组
- 集中式绕组的制造工艺相对简单，由于其线圈相对集中，绕线过程较为直接，在直流电机的集中式电枢绕组制造中，只需要将线圈按照规定的匝数绕制在磁极下即可，对于小型的集中式绕组电机，甚至可以采用手工绕制的方式，这在一些小批量生产或维修情况下具有优势。
（二）成本
1、分布式绕组
- 分布式绕组的制造成本相对较高，一方面是因为其制造工艺复杂，需要更多的人工和设备投入，分布式绕组通常需要更多的绝缘材料，因为其线圈分布在多个槽内，槽间的绝缘要求较高，在大规模生产中，分布式绕组电机的生产效率相对较低，也会导致成本上升。
2、集中式绕组
- 集中式绕组的成本相对较低，其简单的制造工艺可以降低人工成本和设备投入，由于其结构紧凑，在一些小型电机中可以减少材料的使用量，如铁芯材料等，在对成本较为敏感的小型电机应用中，集中式绕组的成本优势使其更具竞争力。
分布式绕组和集中式绕组在结构、原理、应用场景、制造工艺和成本等方面存在明显的区别，分布式绕组适用于对电机性能要求较高的大型工业电机和高性能交流电机，而集中式绕组则在小型直流电机和一些特定结构的小型永磁同步电机等对空间和成本要求较高的应用场景中具有优势，在电机的设计和选型过程中，需要综合考虑各种因素，选择合适的绕组形式，以满足不同的应用需求。
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