串激電機基本原理

1、概述: 串勵電動機作為電機家族的一員，它以自身的諸多特點而普遍應(yīng)用于家用電器及電動工 具中隨著家用電器的普遍應(yīng)用，它的前景越來越廣大 1.1串勵電動機的定義： 定子勵磁繞組和電樞（轉(zhuǎn)子）繞組為串聯(lián),既可通直流又可通交流電，具有換向器換向的電 動機. 1.2串勵電動機的基本結(jié)構(gòu)： 串勵電動機主要是由定子，轉(zhuǎn)子，前、后端蓋（罩）及散熱風(fēng)葉組成.定子由定子鐵芯和套 在極靴上的繞組組成，其作用是產(chǎn)生勵磁磁通，導(dǎo)磁及支撐前后罩；轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵芯，軸，電樞 繞組及換向器組成，其作用是保證并產(chǎn)生連續(xù)的電磁力矩，通過轉(zhuǎn)軸帶動負(fù)載做功，將電能 轉(zhuǎn)化為機械能；前后罩起支撐電樞，將定、轉(zhuǎn)子連結(jié)固定成一體的作用.其中轉(zhuǎn)

2、軸，前、后 罩要有足夠的強度，以防電樞與罩發(fā)生共振現(xiàn)象，引起振動和危險.一般前、后罩內(nèi)有滾動或 滑動軸承. 1.3串勵電動機的特點： 1.3.1它對于外接電源有廣泛的適應(yīng)性： 不論是交流電還是直流電；不論是60Hz還是50 Hz;不論12V、24VDC還是110V、220V、 240V ;總之它可設(shè)計成適應(yīng)任一外接電源的電機. 1.3.2它的轉(zhuǎn)速高，調(diào)速范圍廣： 它的轉(zhuǎn)速范圍為300040000RPM在同一電機上采用多個抽頭可得到較寬的調(diào)速范圍.家 用電器正需要這種高轉(zhuǎn)速、寬調(diào)速范圍的電機.因感應(yīng)電機達不到高轉(zhuǎn)速（不大于3000 RPM）.例如吸塵器,它需要高轉(zhuǎn)速在容器內(nèi)外形成負(fù)壓，以產(chǎn)生吸力

3、. 1.3.3啟動力矩大，體積?。?當(dāng)負(fù)載力矩增大時，串勵電動機能調(diào)整自身的轉(zhuǎn)速和電流，以增大自身的力矩. 1.4串勵電動機的設(shè)計特點： 串勵電動機一般依據(jù)客戶對電氣性能要求及外部結(jié)構(gòu)的需要而設(shè)計.一個設(shè)計優(yōu)良的串勵電 動機，不僅達到客戶對電氣性能及外部尺寸的要求，還要在絕緣、結(jié)構(gòu)、安全、成本等方面上 Tm 優(yōu)化，既使電機能通過相關(guān)的實驗考核，符合 相間的標(biāo)準(zhǔn)，又節(jié)省材料和工時. 二、串勵電動機基本工作原理 2.1基本原理： 如左圖一,它是串勵電動機的基本工作 原理圖.電流流經(jīng)上部定子線圈，產(chǎn)生一定方 向的磁場撚后經(jīng)碳刷進入換向器（銅頭），再 在轉(zhuǎn)子繞組中分成上、下并聯(lián)支路流過，導(dǎo)流 的轉(zhuǎn)子線

4、圈在外部磁場作用下產(chǎn)生力，從而使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，銅頭使轉(zhuǎn)子中的電流始終保持上下對稱、 連續(xù);電流最后從另一個碳刷出來進入下部 定子因上部與下部定子線圈繞線方向一致，致使上、下定子產(chǎn)生的磁場同向，這是必須保持一致 的. 2.2串勵電動機為何能按設(shè)計方向連續(xù)轉(zhuǎn)動？ 如左圖二：其為串勵電動機外接直流電時電 流、磁通及力矩曲線.電流通過定子線圈的激磁方 向由線圈的進、出線以及繞線方向決定如圖中 電流I,可產(chǎn)生磁通1和反向磁通2,而對于串勵 電動機，其力矩方向由電流I及磁通兩個矢量決 定.這就是定子繞線后接線的開口及交叉決定反 正、轉(zhuǎn)向的原因 正向電流如經(jīng)繞組產(chǎn)生正向磁場，則電機 產(chǎn)生正向力矩，即正轉(zhuǎn).反之則

5、反轉(zhuǎn). 如左圖三,對于單相串勵電動機，因電流為交 變的單相正弦波，則在定子中產(chǎn)生滯后約 3 1 Y A A 2 8 3 A 8 2 3 定.假使轉(zhuǎn)子沿著軸向旋轉(zhuǎn)，而導(dǎo)體 流過的電流卻仍未換向，則作用力 便無法維持恒定，上述狀況便無法 成立,這就需要換向.電樞旋轉(zhuǎn)時, 2.3換向電磁原理 在串勵電動機的設(shè)計過程中，關(guān)于串勵電動機的換 向問題是最關(guān)鍵的.因為換向狀況的好壞直接決定了電 機壽命及對無線電 設(shè)備電磁干擾的好壞.怎樣改善串 勵電動機的換向火花是一個復(fù)雜而困難的問題. 如圖一，欲使力矩Tm的大小 和方向保 持為恒定，即及I在空間上的相位 必須恒 2iaW 2ia V 2iaW 1 5的交變

6、正弦波磁場，如圖中1和2.其電流與磁 通矢量積決定了力矩方向，從而產(chǎn)生形象同于全波整流波 的力矩波.當(dāng)定子繞組順繞時產(chǎn)生上半部分力矩波,即產(chǎn) 生正向的平均力矩T1,反之則產(chǎn)生負(fù)向T2.這樣就決定了 電機的正、反轉(zhuǎn)方向. （瓜司 使每一組件邊在經(jīng)過一固定位置時，其電流得以切換的裝置叫換向器（銅頭）. 組件：對 于串勵電動機，指連接兩換向片，由進出兩線頭所連接的多匝線圈為一組件，因組件和換向 片一一對應(yīng)，所以組件數(shù)和換向片數(shù)相等 如圖四和五表示一個單迭繞組（迭繞對于串勵電動機指：任意兩串聯(lián)的線圈都是后一 個緊迭在前一個上面，每個組件的始端與終端分別焊接在相鄰兩換向片上的繞組）電樞的 換向過程.設(shè)其

7、換向器片數(shù)為8換向器由右向左逆時針運動，并設(shè)碳刷寬稍大于一個換向 片的寬度.因碳刷位置是固定不變的，開始時換向片1與碳刷完全接觸，組件8的下組件邊 及組件1的上組件邊電流合為2ia流出;當(dāng)換向器轉(zhuǎn)動至碳刷與換向器片1和2接觸處， 組件1被短路，組件8的下組件邊及組件2的上組件邊也合為2ia流出;當(dāng)碳刷與換向器片 2完全接觸時，組件2的上組件邊及組件1的下組件邊合為2ia流出,這樣換向片1換向完 成,組件1中的電流方向由+i變?yōu)?i.,完成此換向過程的時間稱為換向周期Tk.設(shè)此電機負(fù) 載轉(zhuǎn)速為12000RPM,則Tk 莎碩 65X10 4秒. 2.4引起換向火花的原因 端部漏磁通 從而在換向組件

8、中產(chǎn)生漏自感電勢 eL； 中還感應(yīng)出互感電勢em. 對于串勵電動機，其換向周期特短，一般在 10-4秒級.在這么短的時間內(nèi)，要釋放電機換向 組件所具有的能量，必然會引起火花.換向組件 所具有能量為： P=（er+ea）i+ekti 下面將逐一討論這些引起火花的電勢.只有明 了這些電勢與各量間的關(guān)系，才能有效地找到 改善火花的方法.對于串勵電動機，一般要求ekt 三 8V,（er+ea）三 4.5V. 2.4.1電抗電勢er 在換向周期Tk內(nèi)，換向組件中電流由+ia變 到-ia,電流的變化引起漏磁通的變化（包括槽漏 磁通、齒頂漏磁通和繞組端部漏磁通三部分）. 同時進行換向的其它組件，通過互感作用

9、在該組件 erem di Lr dt W2? 其中Lr為換向組件的等效漏電感.Lr W 向組件之匝數(shù)， 端部漏磁通i 即erW咗L仏.這說明電機同一組件，其匝數(shù)越多，轉(zhuǎn)速越高，電流越大，則電抗電勢就愈大. L -電樞鐵芯長. 2.4.2旋轉(zhuǎn)電勢ea 2.4.2.1電刷放在幾何中性線位置 如圖一,電機可視為有兩個磁場：定子激繞組產(chǎn)生的直軸主磁場d及電樞繞組產(chǎn)生 的交軸電樞磁場aq,此時換向組件軸線與主磁場軸線重合，當(dāng)電機旋轉(zhuǎn)時，換向組件在 交軸電樞磁場中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)電勢大小為：ea 2W V L Baq W -向組件匝數(shù) V電樞線速度；L 長；Baq由電樞反應(yīng)產(chǎn)生的磁密.其中Baq W . ia

10、, 則 eaW2 V L ia. 可見ea的大小與組件匝數(shù)平方、線速度及電流成正比；旋轉(zhuǎn)電勢ea與電抗電勢er方向相 同，總是企圖阻止換向組件內(nèi)電流的變化，使換向延遲. 242.2 電刷不在幾何中性在線： 如圖七所示,當(dāng)電刷偏離幾何中性 線一定角度B時,換向組件既切割電樞 磁場,產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電勢ea；又切割主磁場，產(chǎn) 生對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)電勢em.它們符合右手安 培定則. B角越大,em越大.且em的電勢方向 同8的相反. 242.3變壓器電勢ekt 換向組件軸線與主磁場軸線重 合,脈振主磁場d與換向線圈匝鏈，產(chǎn)生 變壓器電勢. ekt4.44 fW d 因d與換向組件匝鏈，故ekt數(shù)值很大，且比(er+

11、ea)大.其中： W -向組件匝數(shù) f -電源頻率. 2.5改善火花的方法 改善換向火花的方法大體有下列幾種： 2.5.1使碳刷逆轉(zhuǎn)向偏移一合適角度或?qū)㈦姌薪M件與換向片的連接順旋轉(zhuǎn)方向移一角度 如圖七所示：當(dāng)碳刷逆轉(zhuǎn)向偏離B角后，換向組件產(chǎn)生的直軸旋轉(zhuǎn)電勢em與交軸旋轉(zhuǎn) 電勢ea及電抗電勢er的方向相反，這樣就出現(xiàn)(ea+er-em)使換向需釋放的能量p減小，從而 改善了火花.B越大,使得em越大,則出現(xiàn)em(er+ea),同樣使能量p增大，不利換向，這樣會 使原本延遲的換向變?yōu)槌?，同時還使電磁轉(zhuǎn)矩下降，故需合適的B角. 在實際設(shè)計中，因碳套固定在罩上，其位置不能變，故往往采用將電樞組件與換

12、向片的連接 順旋轉(zhuǎn)方向移一角度.例如下圖八所示. 圖八(a)所示為換向組件產(chǎn)生的(ea+er)大，因而火花大；當(dāng)碳刷逆轉(zhuǎn)向移動兩片換向片時 產(chǎn) i (b) (b) (c) (瓜) 生的em使(ea+er-em)=0(如上圖八中b所示).在要求碳刷位置不變的情況下，則將電樞組件與 換向片的連接順旋轉(zhuǎn)方向位移兩片換向片(如上圖八中c所示). 當(dāng)然，事情也有其特殊性.如上圖九所示：圖(a)表示對于整距繞組的電樞，此時換向火花 好，即(ea+er-em)=O,圖(b)表示將整距繞組變成短距繞組，此時下組件邊處在S極下靠中心 區(qū)的地方，切割電勢em(er+ea),出現(xiàn)火花現(xiàn)象；圖(c)表示采取了電樞組件

13、與換向片的連接 逆轉(zhuǎn)向移動了一個換向片，使em減小，從而達到(ea+er-em)=O的目的，改善了火花. 2.5.2采用高的激磁繞組與電樞繞組匝數(shù)比(即低的電樞繞組與激磁繞組匝數(shù)比). 從電抗電勢及旋轉(zhuǎn)電勢的公式可知，其數(shù)值的大小均與 W的平方成正比，故減小換向組件 匝數(shù)(即是減少電樞總匝數(shù))可較快地減小(er+ea),從下一節(jié)的電機設(shè)計知識可知，單相串勵 電動機只要保持定、轉(zhuǎn)子匝數(shù)乘積不變，改變定、轉(zhuǎn)子匝數(shù)，不會使電動機主要性能發(fā)生大 的變化,為了減小換向組件中的感應(yīng)電勢，改善換向，宜采用小的電樞匝數(shù). 當(dāng)然,為了保證效率及溫升，不是電樞繞組與激磁繞組的匝數(shù)比越小越好，一般串勵電 機取在1.

14、52.0. 2.5.3增加每槽并列組件數(shù)nd,即增加換向片數(shù). 在電機整體性能已定的條件下，即電樞繞組與激磁繞組已定，這時要改善火花，可采用增 加換向片數(shù)的方法改善火花因er、ea與換向組件的匝數(shù)平方成正比，ekt與換向組件匝數(shù)成 正比，故減小換向組件匝數(shù)會大大降低(ea + er)及ekt值.在電樞繞組總匝數(shù)已定情況下，增加 每槽并列組件數(shù)nd,即減少了換向各組件匝數(shù)，它需通過增加換向片數(shù)的方法達到.因增加 換向片數(shù)后，換向周期Tk相對減少，故實際效果并未達到平方關(guān)系，但可改善許多，特別對于 高電壓電機，因每組件的匝數(shù)相對于低電壓來說多得多，故采用增加換向片數(shù)效果顯著 2.5.4采用短距繞組

15、. 如圖十中所示，當(dāng)采用整距繞組時，雖然整距繞組可產(chǎn)生最大的電磁力矩，但換向的上下 ab i：i俱禯 b a 組件邊在同一電樞 槽內(nèi).從電抗電勢er 的描述中可知，這 時上下組件通過互 感作用在各組件邊 中感應(yīng)的互感電勢 em增大，使火花增 大.當(dāng)采用圖中(2) 的短距繞組時，雖 然電磁力矩稍有減 小,但換向的上下 組件邊不在同一槽 內(nèi),從而減小了 em 降低了火花.實際 在機械自動 繞線機上，采用的全是短距繞組，這樣便于雙飛叉繞線. 2.5.5增大氣隙 如圖 所示，因交軸電樞反應(yīng)在順主磁場方向使直軸磁場增強，在逆主磁場方向使直 軸磁場減弱，如圖一中曲線2;結(jié)果使主磁場波形發(fā)生畸變,如圖中曲線

16、3;主磁場的畸變 會影 響換 向組 件中 感應(yīng) 電勢 的大 小，影 響換 向.因 氣隙 磁阻 大，故 增大 氣隙 會削 弱這種畸變，但氣隙過大，使主磁路磁阻增大，效率下降，溫升變差.單邊氣隙一般取0.20.5 之間 2.5.6合適的電刷寬度、材料、壓力以及換向器的材料和加工質(zhì)量 對于串勵電機，只要保證電流密度不大，一般碳刷不宜過寬.碳刷過寬，則被短接的組件 數(shù)過多，換向組件的互感電勢大，不利換向；同時電磁力矩會減小，使得溫升變差.但電刷過窄, 會減小換向周期，增加換向電勢，也不利換向；同時電刷過窄電密過大和機械強度變低，都會 影響到電刷的壽命.一般電刷寬度取(1.22.5)片換向片寬. 單相串

17、勵電動機一般選用碳化石墨或人造樹脂粘潔劑碳刷.為改善換向最好選用硬質(zhì)電化 石墨電刷，因其有較大電阻率，電刷與換向器的接觸電阻較大，能較好地抑制換向過程中的 短路電流，有利換向減小火花.一般碳刷的電阻率要求為：30,000100,000Q .cm,能存受的 電密為10A/cm2 電刷壓力大小對換向性能和電刷損蝕有很大影響.壓力大可減少火花，但磨損速度大 幅度增加，壓力小使換向器在換向時出現(xiàn)燒蝕.一般取300500g/c m2. 換向器的材料一般為紫銅制作，為改善換向及壽命，串勵馬達一般選用含銀的銀銅合 金.加工光潔度一般在0.41.2間，跳動量一般控制在5卩左右. 三、單相串勵電動機設(shè)計 3.1

18、 基本公式： 3.1.1反電動勢E: PN88 對于直流串勵電動機：E n 10Ce n 10 (v) 60a 其中：P -寸數(shù)；N -電樞總的導(dǎo)體數(shù) a -電樞繞組并聯(lián)支路對數(shù) -每極氣隙磁通量 n -電機轉(zhuǎn)速 PN 對于單相串勵電動機：E kp n 10 8(v) 602a P kp -電樞繞組短距系數(shù). 3.1.2電壓平衡方程式： 對于直流串勵電動機：U E la(Ra RJUb Ra-電樞繞組電阻 Rf -激磁繞組電阻 Ub-電刷與換向器間壓降 對單相串勵電動機：u ,ux2 u2 Ux -端電壓有動分量 Ur -端電壓無功分量 3.1.3電磁力矩公式： 對于直流串勵電動機：Tm PN

19、 2 a la； 對于交流串勵電動機：Tm K p IN cos .(此為平均力矩，非瞬時力矩) 其中：-電樞電流超前主磁通的相角. 3.1.4每極氣隙磁通量為： 丄.B -極弧系數(shù) -極弧長度 L -電壓鐵芯計算長 B -氣隙磁密 3.1.5轉(zhuǎn)速： 略去電刷和換向器之間的壓降厶 3則直流串勵電動機的轉(zhuǎn)速 U la(Ra Rf) n Ce 對單相串勵電動機,在略去 和假設(shè)B =0的條件下 有：Ur UCOS E Ia(Ra Rf) 12 Ce .一 2UCOS la(Ra Rf) 3.2電機主要參數(shù)之間的關(guān)系 3.2.1電負(fù)荷(線負(fù)荷)、電密及發(fā)熱因子之間的關(guān)系. 4I Jd2 d-導(dǎo)體直徑

20、發(fā)熱因子：電樞繞組的線負(fù)和導(dǎo)體電密J的乘積A J叫發(fā)熱因子.它決定了電機溫升的高低 2 電負(fù)荷A定義：沿電樞圓周單位長度上的安培導(dǎo)體數(shù)稱為電負(fù)荷 公式： ANI 2a D N D a -電樞總導(dǎo)體數(shù) -電樞外徑 -電樞繞組的并聯(lián)支路對數(shù) 電密J:-導(dǎo)體單位橫載面積上通過電流的大小 ANI 41 2NI 2a D d2 a 2Dd2 從上可見，在電流一定的條件下，對于整個電機有: a. 導(dǎo)線的橫載越大，則溫升越低; b. 電樞直徑越大，則溫升越低； c. 電樞匝數(shù)越小，則溫升越低. 但在實際情況中，為了增大力矩，往往電樞匝數(shù)較大，使得電樞溫升高于定子線圈部位的溫 升.電機絕緣等級越高，允許發(fā)熱因子的數(shù)值越大，