電樞

在電氣工程中，電樞（armature）為電磁設備中在磁場影響下運動或在機器中傳輸感應電流的部件，在大多數情況下是指電機中傳輸交流電的部件，在電機運行中起著重要作用。

## 名稱

「Armature」一詞在19世紀中期被首次用於電氣領域，原意為Magnet keeper。交流發電機或相關設備的部件可以用機械術語或電氣術語表示，儘管這兩套術語截然不同，但它們經常被交替使用，也存在包括一個機械術語和一個電氣術語組合的使用方式。比如使用無刷交流電機等複合機械或與習慣於不同配置機械的人交流時。

「電樞」一詞亦可被用於除電機外的其他領域如：電樞是電磁炮的重要組成部件，用於直接將電能轉化為動能，其關係到電磁炮的發射性能；而永磁體或電磁鐵的極片和作為電氣開關或繼電器的螺線管的活動鐵件也可稱為電樞。

## 結構

電樞一般由四個基本部件組成：鐵芯、繞組、換向器和主軸。

### 鐵芯

電樞鐵芯由許多金屬薄板（多為矽鋼片）疊成，每片的厚度約為0.5毫米，取決於工頻大小。這些金屬薄板產生的能量損耗被稱為鐵損，是由金屬薄片在旋轉磁場中感應產生的渦流造成的。只要設備運行，渦流的產生就不可避免，但是可以將完整的金屬板分成若干薄片可使渦流在數個平面內單獨形成以大大減少損耗。

### 繞組

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繞組（即線圈組）分布在電機轉子或定子氣隙的整個表面上，一般固定在被定子磁鐵覆蓋的轉子或電樞的槽中。其分布和磁場每極槽數的選擇對電機的設計和性能有很大影響，例如會影響到直流電機的換向或交流電機的波形。

繞組有兩種類型：疊繞組和波繞組。在疊繞組中，串聯的兩個元件總是後一個元件的端接部分緊疊在前一個元件端的接部分，整個繞組成摺疊式前進，而在波繞組中則是把相隔約為一對極距的同極性磁場下的相應元件串聯起來，如波浪般前進。對於給定額定功率的電機，波繞組更適用於大電流和低電壓場景。

繞組繞線由銅或鋁製成。銅電樞繞線具有較強的導電性，可提高電氣效率。鋁電樞繞線比銅線更輕、更便宜。

### 主軸

主軸是一根安裝在兩個垂直於電樞主軸所在直線的軸承之間的硬杆。主軸的直徑和剛度應足夠大以分別提供啟動電動機所需的扭矩和抵抗失衡力。值得注意的是，只有當電樞作為轉子的一部分時主軸才會作為其構成部件，作為定子時電樞無主軸。

## 影響因素

電樞的設計對電機的性能和效率有很大影響，主要取決於以下幾點：

- 槽數：槽用於容納電樞繞組並提供機械支撐。這裡的槽數並非電樞總槽數，而是指電樞繞組每相每極下占有的槽數（每相每極槽數），用字母$q$表示：

$$q=\frac{Z}{2pm}$$

其中，$Z$為總槽數，$p$為極對數（$2p$為極數），$m$為電機的相數。

若$q=1$為集中繞組，若$q>1$為分布繞組。分布繞組可以有效減少高次諧波，從而使轉矩更為平穩並減少損耗。

- 槽形：槽可以打開或關閉，這取決於電機類型。槽形主要有兩種：開槽和閉槽。開槽的槽口寬度等於槽寬，為平行槽，用於成型繞組，便於嵌線，一般於大、中型電機中應用。閉槽的槽口寬度很窄，可以減小主磁路的磁阻，從而減小勵磁電流，用於散嵌繞組，一般於小型電機中應用。
- 繞組類型：參看。
- 導線尺寸：導線用於承載電樞繞組中的電流。通常情況下，導線尺寸越大，電樞的效率越高。其尺寸的具體大小往往取決於電機的類型。比如，在大型電機中，電流密度較大，導體中的集膚效應更為明顯，這使電樞的附加損耗增大。為了減小這種附加損耗，導線尺寸必須足夠大。但是導線尺寸越大，導線就越重，成本也隨之增加。因此，導線尺寸的選擇對於電樞的設計至關重要。
- 氣隙長度：定子和轉子兩極之間空氣隙的長度，對電機性能有重大影響。氣隙長度會影響電機的勵磁電流，對於中小型電機來說，縮短氣隙長度可以減小勵磁電流，提高功率因數。但同時也會使諧波磁場增大，附加損耗增加，起動轉矩下降。因此，單就提高電機功率因數而言，氣隙須儘量小，但應在機械加工條件所容許的範圍內。

## 約束條件

- 電動勢方程：將電樞中的感應電動勢（EMF）與磁通量、轉速和繞組匝數相關聯，可用於確定給定輸出電壓和功率下電樞所需的尺寸和參數：

$${{E}_{\text{a}}}=\Phi \frac{np{\text{Z}}}{60A}$$

其中，${{E}_{\text{a}}}$為感應電動勢（單位：V），$\Phi$為每極磁通量（單位：Wb），$\text{Z}$為繞組串聯匝數，$n$為轉速（單位：rpm），$p$為極對數，$A$為並聯支路數。

- 磁動勢方程：將電樞繞組產生的磁動勢（MMF）與繞組的電流和匝數相關聯，可用於確定給定磁動勢和磁通所需的電流和匝數：

$${{F}_{\text{a}}}=\frac{{{I}_{\text{a}}}\text{Z}}{2A}$$

其中，${{F}_{\text{a}}}$為磁動勢（單位：A·匝），${{I}_{\text{a}}}$為電樞電流（單位：A），$\text{Z}$為繞組串聯匝數，$A$為並聯支路數。

- 轉矩方程：將電樞產生的轉矩與功率和轉速相關聯，用於確定給定轉矩和負載所需的功率和轉速：

$$T=\frac{P}{\Omega }$$

其中，$T$為轉矩（單位：N·m），$P$為功率（單位：W），$\Omega$為角速度（單位：rad/s）。

## 作用

電樞的作用有兩個，一是在磁場中傳輸電流，從而在旋轉式機器中產生軸力矩或在直線機器中產生力，二是產生電動勢（EMF）。

電樞和磁場的相對運動會產生電動勢。在電動機中，電磁場與電樞電流方向相反，電樞將電力轉換為力矩形式的機械力並通過軸傳遞，在發電機中，電樞電磁場驅動電樞電流，並將軸的動能轉換為電能。

一般地，電機中的主磁場（主磁通）由永久磁鐵或由導電線圈組成的電磁鐵產生，電樞繞組與氣隙中主磁通的相互作用產生電樞磁場，電樞磁場產生的電樞磁通可以用於為電機提供動力使之能夠旋轉。在直流電機中，產生主磁通的磁鐵是定子，電樞則始終是轉子的一部分，電樞繞組通過直流電源獲得電流並在主磁通的影響下產生一個力，從而產生一個轉矩使電機旋轉。由於換向器（周期性地改變電流方向）或電子換向（如無刷直流電機）的逆變作用，即使在直流電機中也能傳輸交流電。在交流電機中，磁鐵作為轉子的一部分是旋轉的，電樞作為定子的一部分是靜止的。交流電機最初使用的是三相電源固定式繞組，這種固定式繞組會產生旋轉磁場（RMF），該磁場與靜止磁場相互作用，產生轉矩使轉子旋轉。

## 電樞損耗

電樞在運行過程中會產生若干損耗，這些損耗會降低電樞的效率和性能。電樞損耗主要分成以下幾種：

- 銅損耗：電樞電阻造成的功率損耗，與電樞電流的平方成正比。銅損耗可以通過使用較粗的導線或增加並聯支路數來減少。銅損耗計算公式如下：

$${{P}_{\text{c}}}=I_{\text{a}}^{2}{{R}_{\text{a}}}$$

其中，${{P}_{\text{c}}}$為銅損耗，${{I}_{\text{a}}}$為電樞電流，${{R}_{\text{a}}}$為電樞電阻。

- 渦流損耗：電樞鐵芯中的感應電流造成的功率損耗。感應電流由不斷變化的磁通引起，並產生熱量和磁損耗。使用疊層磁鐵片或增大氣隙可減少渦流損耗。鐵損耗計算公式如下：

$${{P}_{\text{e}}}={{k}_{\text{e}}}B_{\text{m}}^{2}{{f}^{2}}{{t}^{2}}V$$

其中，${{P}_{\text{e}}}$為渦流損耗，${{k}_{\text{e}}}$為取決於磁鐵材料和形狀的常數，${{B}_{\text{m}}}$為最大磁通密度，$f$是磁通反向頻率，$t$是每個疊片的厚度，$V$是磁鐵體積。

- 磁滯損耗：電樞鐵芯增磁和退磁造成的功率損耗。在增磁和退磁過程中磁鐵材料的分子結構中會摩擦生熱造成功率損失。使用低矯頑力高磁導率的軟磁材料可以減少磁滯損耗。磁滯損耗計算公式如下：

$${{P}_{\text{h}}}={{k}_{\text{h}}}B_{\text{m}}^{1.6}fV$$

其中，${{P}_{\text{h}}}$為磁滯損耗，${{k}_{\text{h}}}$為取決於磁鐵材料的常數，${{B}_{\text{m}}}$為最大磁通密度，$f$是磁通反向頻率，$V$是磁鐵體積。

電樞總損耗即為：

$${{P}_{\text{a}}}={{P}_{\text{c}}}+{{P}_{\text{e}}}+{{P}_{\text{h}}}$$

電樞效率為電樞輸出功率與輸入功率之比，即：

$${{\eta }_{\text{a}}}=\frac{{{P}_{\text{o}}}}{{{P}_{\text{i}}}}\times 100%=\frac{{{P}_{\text{i}}}-{{P}_{\text{a}}}}{{{P}_{\text{i}}}}\times 100%$$

其中，${{\eta }_{\text{a}}}$為電樞效率，${{P}_{\text{o}}}$為電樞輸出功率，${{P}_{\text{i}}}$為電樞輸入功率。

## 電樞反應

直流電機有兩個磁通源：電樞磁通和主磁通。電樞磁通對主磁通的影響稱為電樞反應。電樞反應會改變磁場的分布，從而影響電機的運行。

由於電樞上繞有線圈，因此只要線圈中有電流流過，電樞中就會產生垂直於主磁場的磁場，這一作用稱為電樞交叉磁化。電樞磁場的作用是扭曲主磁場並改變中性面，中性面在電樞繞組平行於磁通線運動方向的位置，因此位於該平面內的軸稱為磁中性軸（MNA）。這種效應稱為電樞反應，反應力的大小與電樞線圈中的電流大小成正比。幾何中軸（GNA）是相鄰磁極中心線夾角的平分線，磁中性軸是垂直於通過電樞中心的磁通平均方向的軸線。電樞導體在沿磁中性軸方向上不會切割磁通所以不會產生電流。當電樞導體中沒有電流流過時，幾何中軸與磁中性軸重合。

發電機的電刷必須設置在中性面上，即必須接觸到與沒有感應電動勢的電樞線圈相連的換向器部分。如果電刷與位於中性面之外的換向器部分接觸，就會導致通電線圈短路，從而產生電弧並造成功率損失。如果沒有電樞反應，磁中性軸將與幾何中軸重合。電樞反應會導致中性面向旋轉方向移動，如果電刷在空載時（即無電樞電流流過時）位於中性面上，那麼當電樞電流流過時，電刷將不在中性面上。因此，最好在設計發電機時加入一個校正系統。

克服電樞反應影響的方法主要有兩種。一種方法是移動電刷的位置使其在發電機產生正常負載電流時處於中性面以抵消電樞反應的影響，另一種方法是在發電機中安裝特殊的磁場極（稱為中間極）以抵消電樞反應的影響。移刷法適用於在穩定負載下運行的發電機裝置。如果負載變化很大，中性面會相對移動，電刷將無法始終處於正確位置。在小型發電機（功率約為1kW或更小）中，這是校正電樞反應的最常用方法。較大型的發電機則需要使用互感器。

## 外部連結

- Example Diagram of an Armature Coil and data used to specify armature coil parameters
- How to Check a Motor Armature for Damaged Windings