原理、结构及应用的深度剖析
一、引言
在电机领域，绕组是电机的核心部件之一，它的结构和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，它们在原理、结构、电磁特性以及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、制造和优化具有重要意义。
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二、原理与电磁特性
1、分布式绕组
- 原理：分布式绕组是将绕组均匀地分布在定子或转子的槽内，在交流电机中，例如三相异步电机，当定子绕组通入三相交流电时，会产生旋转磁场，由于绕组的分布式布置，每个极下的磁动势是由多个线圈的磁动势叠加而成的。
- 电磁特性：这种分布式的结构使得磁场的空间分布更加接近正弦波，因为每个线圈在空间上有一定的相位差，它们产生的磁动势相互叠加后，能够有效地减少磁场中的谐波成分，这有助于降低电机运行时的电磁噪声、振动，提高电机的效率，分布式绕组在相同的定子槽数下，可以获得较多的磁极对数，适合于需要较低转速的应用场合。
2、集中式绕组
- 原理：集中式绕组的线圈是集中绕制在定子或转子的几个特定槽内，在直流电机中，例如永磁直流电机，集中式绕组的线圈直接与换向器相连，当电流通过线圈时，根据安培定律产生磁场，与永磁体的磁场相互作用产生转矩。
- 电磁特性：集中式绕组产生的磁场相对来说分布比较集中，磁场的波形可能与正弦波存在较大差异，含有较多的谐波成分，这是因为它不像分布式绕组那样通过多个线圈的合理分布来优化磁场波形，不过，集中式绕组在直流电机中具有结构简单、制造方便的优点，并且在一些对磁场波形要求不高的小型直流电机中，能够满足基本的运行需求。
三、结构特点
1、分布式绕组
- 定子槽分布：在三相异步电机中，定子通常有较多的槽，例如常见的36槽、24槽等，分布式绕组的每个相绕组由多个线圈组成，这些线圈按照一定的规律分布在定子槽内，对于三相36槽的定子，每相绕组可能由12个线圈组成，每个线圈占据一个或多个槽，并且在定子圆周上均匀分布。
- 线圈连接方式：各线圈之间采用特定的连接方式，如链式连接、交叉式连接或同心式连接等，以链式连接为例，同一相的相邻线圈依次串联，形成一个连续的绕组回路，这种连接方式有助于实现磁场的均匀分布。
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- 转子结构（针对绕线式转子）：在绕线式异步电机的转子中，如果采用分布式绕组，其结构也类似于定子绕组，将线圈分布在转子槽内，并且通过滑环和电刷与外部电路相连，以便进行转子电阻的调节等操作。
2、集中式绕组
- 定子槽分布：在直流电机中，定子槽数相对较少，集中式绕组的线圈集中绕制在少数几个槽内，在一些小型永磁直流电机中，定子可能只有3个或4个大槽，用于放置集中式绕组的线圈。
- 线圈连接方式：在直流电机中，集中式绕组的线圈直接与换向器片连接，对于有多个线圈的集中式绕组，它们在换向器上按照一定的顺序连接，以保证电流的换向和电机的正常运行。
- 转子结构（针对永磁直流电机）：永磁直流电机的转子采用永磁体，集中式绕组产生的磁场与永磁体的磁场相互作用，这种结构相对简单，转子不需要复杂的绕组结构，减少了转子的制造难度和转动惯量。
四、应用场景
1、分布式绕组的应用
- 三相异步电动机广泛应用于工业领域，如各种机床、风机、水泵等，由于分布式绕组能够提供较为理想的正弦磁场，电机运行平稳、效率高，适用于对电机性能要求较高的场合，在大型电机中，如兆瓦级的风力发电机，分布式绕组有助于降低电机的损耗，提高发电效率，并且能够减少对电网的谐波污染。
- 在一些需要变频调速的电机中，分布式绕组也具有优势，通过改变电源频率来调节电机转速时，分布式绕组能够更好地适应变频过程中的磁场变化，减少因磁场畸变导致的电机故障。
2、集中式绕组的应用
- 小型直流电机，如玩具电机、电动剃须刀电机等，大多采用集中式绕组，因为这些电机功率较小，对磁场波形的精度要求不高，而集中式绕组的简单结构可以降低制造成本，在一些对电机体积和重量有严格限制的便携式设备中，集中式绕组的直流电机由于其结构紧凑、制造方便而成为首选。
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- 在一些特殊的直流应用场合，如汽车的雨刮电机、车窗升降电机等，集中式绕组直流电机也被广泛应用，这些电机需要在较低的成本下满足基本的功能要求，集中式绕组的特性正好符合这些需求。
五、制造工艺与成本
1、分布式绕组
- 制造工艺：分布式绕组的制造工艺相对复杂，由于线圈数量较多且分布在多个槽内，绕线过程需要精确的定位和排线，在大型电机中，采用分布式绕组时，还需要特殊的绕线设备来确保每个线圈的匝数和形状准确无误，对于高压电机的分布式绕组，还需要进行绝缘处理，包括线圈的匝间绝缘、相间绝缘等，以满足高电压运行的要求。
- 成本：分布式绕组的制造成本较高，一方面是因为制造工艺复杂，需要更多的人工和设备投入；分布式绕组所使用的绝缘材料等也相对较多，增加了材料成本，在一些对电机性能要求较高、长期运行成本和效率更为重要的应用中，分布式绕组的高成本可以通过其带来的高性能得到补偿。
2、集中式绕组
- 制造工艺：集中式绕组的制造工艺较为简单，由于线圈数量少且集中绕制，绕线操作相对容易，可以采用手工绕线或简单的绕线机，在直流电机中，集中式绕组与换向器的连接也比较直观，不需要复杂的连接工艺。
- 成本：集中式绕组的制造成本较低，其结构简单，所需的材料较少，制造过程中人工和设备的投入也相对较少，这使得采用集中式绕组的电机在一些对成本较为敏感的应用中具有很强的竞争力。
六、结论
分布式绕组和集中式绕组在原理、结构、电磁特性、应用场景、制造工艺和成本等方面存在显著的差异，分布式绕组适合于对电机性能要求较高、需要低转速和正弦磁场的应用，如大型工业电机和变频调速电机；而集中式绕组则在小型直流电机、对成本敏感且对磁场波形要求不高的应用中具有优势，如小型便携式设备和一些简单的直流应用场合，在电机的设计和选择过程中，需要根据具体的应用需求综合考虑这两种绕组形式的特点，以达到最佳的性能和成本效益。
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