電機集中式繞組和分布式繞組的區別

繞組總是纏繞在至少兩個定子齒上（wound over at least two stator teeth）。在集中式繞組有一個定子齒纏繞（one stator tooth is wound）。這兩種類型的繞組都有不同的優點和缺點。

什么時候使用集中式繞組，什么時候使用分布式繞組，取決于電機的尺寸和具體應用（depends on the dimensions of the motor and its application）。

電機產量目標和電機的制造方式也對繞組類型的選擇有影響。對繞組設計很重要的其他區別特征是分數槽繞組（fractional slot winding）和整數槽繞組（integer slot winding,），以及單層繞組（single layer winding）和雙層繞組（double layer winding）。

電機繞組圖

（Motor Winding Diagram）

集中式繞組，定子的一個齒正好承載一個繞組。不同的顏色代表三相U、V和W。一相的兩個繞組相互連接，然后三相可以連接成星形（star）或三角形（delta）。

在分布式繞組中，至少纏繞兩個齒，如本例所示。纏繞的齒數稱為線圈跨度（coil span），當然可纏繞3、4、5或更多的齒。線圈跨度取決于定子的齒數和轉子的極對數（the number of pole pairs）。

集中式繞組

（concentrated winding）

集中式繞組，定子總是正好纏繞在一個齒上。這在定子的制造中具有顯著的優勢（significant advantages in manufacturing）。例如，完成的繞組（finished windings）可以簡單地推到定子上。但定子齒（stator’s teeth）的設計必須為此專門設計。

分布式繞組和集中式繞組之間的技術區別（technical difference）是什么。對此，我們將研究反電動勢的電壓（the voltage of the back EMF）。在電機旋轉足夠快時，在帶有永磁體的電機的端子處測量電壓（measure voltage at the terminals），電機的旋轉可以用手或負載機（load machine）。

采用經典設計（classical design）集中式繞組的電機，反電動勢（back EMF）是梯形的（trapezoidal）。因此，這種類型的繞組可以產生高轉矩（high torque），特別是在低速范圍內。

然而，這并不意味著它效率高。這是因為集中繞組的主要缺點（main disadvantage）是產生諧波（harmonics），這可能導致高損耗（high losses），尤其是在高速下（at high speeds）。這些損耗可能發生在疊片中的繞組（windings in the laminations）以及永磁體（permanent magnets）中。

集中式繞組主要用于短且直徑大的電機。例如，無齒輪電動兩輪的輪轂電機（wheel hub drives without gears）。集中式繞組也用于需要高動態性（high dynamics）和效率不那么關鍵的驅動器。

集中式繞組的另一個缺點是轉矩脈動（torque ripple）。但這可以補償，例如移動轉子上磁體彼此間的相對位置（moving the magnets）或相應地改變磁體形狀（shaping the magnets）來補償。

分布式繞組

（Distributed Winding）

在分布式繞組中，由于繞組重疊（the overlap of the windings），繞組頭會比較大。由于集中式繞組的繞組頭較小，在低速范圍內的歐姆損耗（ohmiclosses）比分布式繞組要低。

對于分布式繞組，定子的至少兩個齒纏繞，如圖中的示例所示。纏繞的齒數稱為線圈間距（coil pitch）或步長（step size），當然也可以纏繞3、4、5或更多的齒。

分布式繞組，繞組在電機的頂部和底部重疊，電機的這一區域也稱為繞組頭（winding head）。由于重疊，分布式繞組中的繞組頭比集中繞組中的大。因此，對于極短的電機，通常使用集中繞組，而不是分布式繞組。集中式繞組頭的歐姆損耗更小。對于較長的電機，繞組頭的損耗對總損耗的影響并不大。

電機分布式繞組的一個非常重要的優點是，產生的反電動勢具有平滑的正弦特性（smooth mostly sinusoidal characteristic）。這意味著諧波的比例（proportion of harmonics）非常低，定子和繞組的疊片中的損耗也是更小。分布式繞組用于需要更高效率的應用，例如電動汽車。

分布式繞組的另一個優點是高同步性（high synchronism），這意味著轉矩波動（torque ripple）以及電機的噪聲（noise of the motor）都非常低。因此，分布式繞組電機主要用于機床的旋轉主軸（rotary spindles of machine tools），否則扭矩振蕩（torque oscillations）將對加工工件的質量產生不良影響。

編輯：黃飛

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