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介紹
集中繞組每齒有一個線圈，通常用於“業餘愛好者”型 BLDC (PMSM) 外轉子電機。
集中繞組的一個關鍵優點是它們可以通過機器快速且廉價地纏繞，如下面的視頻所示。
即使是導體很粗的電機也可以用機器繞製。
其他優點包括端匝短，不會為電機提供扭矩，只會增加繞組電阻，以及有效空氣冷卻的空間。集中繞組的一個主要缺點是，如果不仔細考慮定子槽數和轉子極數，電機的性能將會很差。
這篇文章將研究不同槽和極組合的優點和缺點。該信息基於SE Skaar 等人的論文“具有集中繞組的永磁電機的分佈、線圈跨度和繞組係數”。以及JR Hendershot 和 T. Miller 所著的《無刷永磁電機設計》一書 。有關本書的更多信息，請參閱上面的“推薦閱讀”列表。emotor.com術語表頁面也可供參考。
繞線係數
電動機的“繞組係數”（不要與銅填充係數混淆）是 0 到 1 之間的數字，代表用於產生扭矩的電樞電流的分數。從emotor.com 的術語表頁面來看 ，繞組係數定義如下：
特定繞組的繞組係數表示由該繞組鏈接的磁通與由具有相同匝數且每個單槽的單層全節距非偏斜整槽繞組鏈接的磁通相比的比率。每相極數。電動機的扭矩與基本繞組係數成正比。儘管纏繞因子的計算如此基礎，但教科書中並不經常討論。我發現上面提到的論文 有最容易理解的描述，儘管我不得不依賴emotor.com 對不平衡繞組的描述，因為論文中提供的解決方案似乎並未涵蓋所有場景。
我不會詳細介紹繞線係數的計算。但是，您可以在此處找到用於計算本文中顯示的值的電子表格。該電子表格包含多達 108 個槽和 70 個桿，並且可以根據需要輕鬆擴展。
下表列出了具有非偏斜轉子的三相電機的繞組係數，其中頂行是極數，左欄是槽數。由於這是三相電機，因此槽的數量增加了三個，並且由於磁體有兩個極（極對），因此極數增加了兩個。
1. 排除 q < 0.25 的繞組
考慮相數的槽極比由變量 q 指定。如果 q 小於 0.25，則轉子磁極覆蓋的弧現在小於定子齒的一半。這導致多個北極和南極磁極與每個定子齒相互作用，因此電機產生的扭矩減小。因此，小於0.25的q值一般被認為不可行，可以消除。下面的圖像是使用此纏繞佈局工具創建的。 請注意，實際上，每個定子齒之間的間隙會小得多。 |
| 給出的 aq 值被認為不可行的示例繞組佈局。 |
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| 不同槽位和地塊組合的計算 q 值。 |
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| 每個槽極組合的繞組因數以及那些 q<0.25 的組合被刪除。 |
2. 排除 q > 0.5 的繞組
或者，如果 q 大於 0.5，則使用集中繞組不再有意義，因為單個轉子磁極將跨越多個齒。相反，將使用分佈式繞組。因此，這些組合也可以被排除在我們的目的之外。
3. 排除 Ns = Nm 的繞組
如果槽數（Ns）等於極數（Nm），則電機將產生較大的齒槽轉矩並且不再自陳述。因此也可以消除這種組合。
4、去除不平衡繞組和不對稱的電機
此外，理想的電機具有至少 2 的對稱性（即電機具有兩個重複部分），因為這有助於避免不平衡的徑向力和噪音運行。換句話說，沒有任何對稱性的電機將僅在轉子的一側產生扭矩。如果電機具有兩個對稱性，則其扭矩將在轉子的相對側產生，從而平衡力。
因此，可以消除產生不平衡繞組和不對稱的槽極組合。
根據上表可以看出，12s10p 和 12s14p 是有吸引力的組合。這就解釋了為什麼這些槽極組合深受“業餘愛好者”外轉子電動機的歡迎。
5.齒槽轉矩的考慮
除了繞組係數之外，齒槽轉矩也是一個重要的考慮因素。齒槽扭矩在運行過程中會產生振動和噪音，並且在伺服應用中使用時會干擾電機遠離其所需位置。齒槽轉矩頻率還與在向電樞提供電流和不提供電流的情況下產生的轉子損耗密切相關。
齒槽轉矩頻率由定子槽和轉子極的最小公倍數 (LCM) 給出。下圖顯示了可能的槽極組合，其中繞組係數替換為齒槽轉矩頻率。
選擇盡可能高的齒槽頻率是可取的，因為它降低了齒槽轉矩的幅度。考慮到這一點，24s22p 將是一個有吸引力的選擇，其每轉 264 個齒槽步數和 0.949 繞組係數，而 12s14p 每轉只有 84 個齒槽步數。
6. 高次諧波
到目前為止，我們只考慮了基本繞組係數。然而，不同的槽極組合也會影響繞組空間諧波。一旦我對這個主題有了更好的理解，我將在以後的文章中更詳細地介紹這個主題。
7. 其他注意事項
從上面的最後兩個表很容易得出結論，24s22p 電機比 12s14p 電機“更好”，因為它具有更高的繞組係數和更高的齒槽頻率。然而，還需要考慮其他因素。
7.1 最大電氣頻率
電頻率（提供給每相的電流正弦波）與電機的極對數 (Nm/2) 成線性比例。因此，將電機的極數加倍將使鐵芯損耗增加四倍，因為它與電頻率的平方成正比。極數加倍也會使產生的反電動勢加倍，因此需要兩倍的電壓才能以相同的轉速驅動電機。然而，每齒導體數量較少的電機重繞可用於抵消反電動勢的增加，並且不會影響電機的效率。此外，減少疊片厚度將有助於最大限度地減少渦流損耗，渦流損耗與疊片厚度的平方成正比。請參閱此電子表格更多細節。在極端情況下，用於驅動電機的電機控制器的開關頻率也可能需要增加，以保持正弦波的良好近似。這將導致電機控制器產生額外的死區時間損失。
電機以 10,000 RPM 運行所需的電氣頻率如下所示。
7.2 機械繞線注意事項
試圖在小型電機中擠入更多槽並不總是可行的。在保持電機直徑相同的同時增加槽的數量通常意味著必須使用多個較小的導體，以便圍繞更緊密的半徑彎曲並利用可用空間。較小的導體有較大一部分被絕緣體佔據的總橫截面，因此即使繞組係數增加，電機的銅填充係數也會降低。較低的銅填充係數意味著繞組中的電流密度較高，因此 I^2R 損耗較高。
7.3 冷卻注意事項
有效的冷卻對於高功率密度電動機至關重要。具有大量槽和小導體可能會堵塞氣流路徑並降低空氣冷卻效率。再加上由於電頻率增加而導致的更高的磁芯損耗，可以降低電機的功率密度。
7. 4 齒尖洩漏
將更多槽擠入電機中還可能需要減小齒之間的間隙。減小該間隙的大小可以使一些磁通從一個齒跳躍（或之字形）到下一個齒，從而減少電機產生的有效扭矩。
7. 5 轉子歪斜
7. 6 減少轉子和定子背鐵（磁軛）質量
增加電動機的極數和槽數具有降低護鐵中的磁通密度的優點。這是因為定子槽和轉子磁極的數量較多意味著磁通不需要圍繞定子或轉子傳播很遠即可形成閉合磁路。極數或槽數每增加一倍，磁通密度就會減半，因此背鐵的厚度和質量也可以減半。這起到增加電機的功率密度的作用。
例如，西門子將其 260 kW 輕型飛機電動機的極數和槽數從已經很高的 36s30p 增加到 72s60p，似乎將其重力扭矩密度（每單位質量的扭矩）提高了 50%。請注意，這一假設僅基於其宣傳材料中的圖像。
結論
上表為選擇具有集中繞組的 BLDC (PMSM) 電機的槽數和極數提供了指導。如果您的電機直徑小於約 60 毫米，並且最大轉速小於 10,000，那麼 10s14p 或 12s14p 可能是不錯的選擇。對於較大直徑和/或旋轉速度較慢的電機，可以使用更高的槽數和極數，例如每齒匝數減少的 24s26p 和更薄的鐵矽疊片。極數較多的電機將具有較高的電頻率，從而增加損耗，但由於可以使用減小的護鐵厚度，同時還具有較小的齒槽轉矩幅度，因此也將具有較低的質量。