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原理、结构与应用的深度剖析
在电机领域，绕组是电机的关键组成部分，它直接影响电机的性能、效率和运行特性，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、维护以及性能优化具有重要意义。
结构特点
（一）分布式绕组
1、分布形式
- 分布式绕组是将线圈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，每个相的线圈会分布在多个槽内，以常见的4极36槽三相异步电动机为例，每个相的线圈分布在12个槽内，这种分布方式使得绕组在圆周上较为分散。
- 线圈的节距通常小于极距，节距是指一个线圈的两个有效边所跨的槽数，极距是指相邻两个磁极之间的距离（以槽数表示），这种短节距的设计有助于削弱高次谐波电动势，改善电机的电动势波形。
2、槽内布置
- 每个槽内可能会放置多个线圈边，这些线圈边可能来自不同相的线圈，在双层绕组中，每个槽内有上层和下层两个线圈边，不同相的线圈边按照一定的规律排列，以实现三相之间的对称和磁场的合理分布。
（二）集中式绕组
1、集中形式
- 集中式绕组的线圈集中绕制，通常是将属于同一相的所有线圈集中绕在一个或几个大槽内，比如在一些小型直流电机的电枢绕组中，同相的线圈集中放置，这种绕组形式使得绕组在空间上相对集中。
2、槽内特点
- 对于集中式绕组，槽内往往是同一相的线圈集中排列，与分布式绕组相比，槽内的线圈排列相对简单，不需要考虑不同相线圈边的复杂交错排列。
电磁原理
（一）分布式绕组
1、感应电动势
- 由于分布式绕组的线圈分布在多个槽内，其感应电动势是多个分布线圈感应电动势的叠加，这种分布特性使得感应电动势的波形更接近正弦波，根据电磁感应定律，每个线圈边在磁场中切割磁力线产生感应电动势，多个分布的线圈边产生的感应电动势在时间和空间上存在一定的相位差，通过合理的分布和连接，这些感应电动势相互叠加后能够有效抑制高次谐波。
- 在计算分布式绕组的感应电动势时，需要考虑线圈的分布系数，分布系数是一个小于1的系数，它反映了由于线圈分布而导致的感应电动势的降低程度，分布系数的计算公式与绕组的分布情况（如每极每相槽数等）有关。
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2、磁场分布
- 分布式绕组产生的磁场在空间上分布较为均匀，当三相分布式绕组通入三相交流电流时，会在电机内部产生旋转磁场，由于绕组的分布特性，这个旋转磁场的空间谐波含量相对较少，能够提供较为稳定和平滑的转矩，在三相异步电动机中，这种均匀的旋转磁场与转子绕组相互作用，使得电机能够平稳地运行。
（二）集中式绕组
1、感应电动势
- 集中式绕组的感应电动势计算相对简单，因为同相的线圈集中在一起，其感应电动势主要取决于线圈的匝数、磁场的强度和转速等基本因素，由于线圈集中，其感应电动势的波形可能含有较多的高次谐波，在直流电机中，虽然通过换向器等装置可以将感应电动势转换为直流，但高次谐波仍然会对电机的性能产生一定影响，如增加换向火花等。
2、磁场分布
- 集中式绕组产生的磁场分布相对不均匀，以直流电机为例，电枢绕组中的集中式绕组在通电时，磁场在电枢表面的分布不是完全均匀的，这会导致电机在运行过程中存在转矩脉动等问题，在一些需要高精度和稳定运行的应用场景下，这种磁场不均匀性可能需要通过特殊的设计措施（如增加补偿绕组等）来改善。
性能特点
（一）分布式绕组
1、效率
- 由于分布式绕组能够有效抑制高次谐波，减少了谐波损耗，电机的效率相对较高，在三相异步电动机中，分布式绕组的设计使得电机在额定负载下的效率能够达到较高水平，一些高效节能的三相异步电动机采用分布式绕组设计，其效率可以达到90%以上。
2、转矩特性
- 分布式绕组产生的均匀旋转磁场使得电机的转矩特性较为平稳，在负载变化时，电机的转矩波动相对较小，这对于需要稳定运行的设备，如工业生产中的输送带驱动电机、风机电机等非常重要，这种平稳的转矩特性也有助于减少机械振动和噪声。
3、过载能力
- 分布式绕组的电机具有较好的过载能力，因为其磁场分布均匀，在过载情况下，电机的磁场不会出现局部严重畸变的情况，由于谐波含量低，电机在过载时的发热相对均匀，能够承受一定时间的过载运行而不至于过早损坏。
（二）集中式绕组
1、结构紧凑性
- 集中式绕组的结构相对紧凑，这在一些对空间要求较高的应用场景中具有优势，在小型直流电机中，集中式绕组可以使电机的体积更小，便于安装在一些狭小的空间内，如小型电动玩具、便携式电子设备等。
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2、成本
- 集中式绕组的制造工艺相对简单，线圈绕制和槽内安装都比较方便，因此在成本方面可能具有一定优势，尤其是对于一些对性能要求不是特别高、批量生产的小型电机，采用集中式绕组可以降低生产成本。
3、启动特性
- 在某些集中式绕组的电机（如直流电机）中，启动转矩相对较大，这是因为集中式绕组的磁场分布特点，在启动瞬间能够产生较大的电磁转矩，由于磁场不均匀等问题，随着电机转速的升高，转矩可能会出现较大的波动。
应用领域
（一）分布式绕组
1、工业领域
- 在工业领域的大型电机中广泛应用，如三相异步电动机在工厂的各种设备中，如机床、压缩机、水泵等，这些设备需要电机具有高效率、稳定的转矩和良好的过载能力，分布式绕组的三相异步电动机能够满足这些要求，保证工业生产的稳定运行。
2、电力系统
- 在发电机中也常采用分布式绕组，汽轮发电机和水轮发电机大多采用分布式绕组设计，这是因为发电机需要产生高质量的电能，分布式绕组能够有效抑制高次谐波，提高电能质量，减少对电网的谐波污染。
（二）集中式绕组
1、小型设备
- 集中式绕组在小型直流电机中应用广泛，如前面提到的电动玩具、便携式电子设备等，这些设备对电机的体积和成本比较敏感，而对性能的要求相对不是非常苛刻，集中式绕组的小型直流电机能够满足这些设备的需求，为其提供动力。
2、特殊应用
- 在一些特殊的电机，如步进电机的某些类型中也会采用集中式绕组，步进电机在一些需要精确控制角度和位置的设备中使用，如打印机的进纸机构、数控设备的坐标轴驱动等，集中式绕组的结构特点可以满足步进电机在这些应用中的特殊要求。
分布式绕组和集中式绕组在结构、电磁原理、性能特点和应用领域等方面存在明显区别，分布式绕组在大型电机、需要高效稳定运行的设备中表现出色，而集中式绕组则在小型设备、对成本和空间要求较高的场景中有其优势，在电机的设计和选型过程中，需要根据具体的应用需求、性能要求和成本限制等因素综合考虑，选择合适的绕组形式，以实现电机性能的优化和满足不同的应用需求。
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