串激电机基础原理 概述 : 串励电动机作为电机家族的一员 ,它以自身的诸多特点而普遍应用于家用电器及电动工 具中 .随着家用电器的普遍应用 ,它的前景越来越广大 . 1.1 串励电动机的定义 : 定子励磁绕组和电枢 (转子 )绕组为串联 ,既可通直流又可通交流电 ,具有换向器换向的电 动机 . 1.2 串励电动机的基本结构 : 串励电动机主要是由定子 ,转子 ,前、后端盖 (罩)及散热风叶组成 .定子由定子铁芯和套 在极靴上的绕组组成 ,其作用是产生励磁磁通 ,导磁及支撑前后罩 ;转子由转子铁芯 ,轴 ,电枢 绕组及换向器组成 ,其作用是保证并产生连续的电磁力矩 ,通过转轴带动负载做功 ,将电能 转化为机械能 ; 前后罩起支撑电枢 ,将定、转子连结固定成一体的作用 . 其中转轴 ,前、后 罩要有足够的强度 ,以防电枢与罩发生共振现象 ,引起振动和危险 .一般前、后罩内有滚动或 滑动轴承 . 1.3 串励电动机的特点 : 1.3.1 它对于外接电源有广泛的适应性 : 不论是交流电还是直流电 ;不论是 60Hz 还是 50 Hz;不论 12V、24VDC 还是 110V、220V 、 240V ; 总之它可设计成适应任一外接电源的电机 . 1.3.2 它的转速高 ,调速范围广 : 它的转速范围为 3000~40000RPM,在同一电机上采用多个抽头可得到较宽的调速范围 .家 用电器正需要这种高转速、宽调速范围的电机 . 因感应电机达不到高转速 (不大于 3000 RPM).例如吸尘器 ,它需要高转速在容器内外形成负压 ,以产生吸力 . 1.3.3 启动力矩大 ,体积小 : 当负载力矩增大时 , 串励电动机能调整自身的转速和电流 ,以增大自身的力矩 . 1.4 串励电动机的设计特点 : 串励电动机一般依据客户对电气性能要求及外部结构的需要而设计 .一个设计优良的串励电 动机 ,不仅达到客户对电气性能及外部尺寸的要求 ,还要在绝缘、结构、安全、成本等方面上 优化 ,既使电机能通过相关的实验考核 ,符合 I 相间的标准 ,又节省材料和工时 . 二、 串励电动机基本工作原理 2.1 基础原理 : 如左图一 ,它是串励电动机的基本工作 (图一) Tm 原理图 .电流流经上部定子线圈 ,产生一定方 向的磁场 ;然后经碳刷进入换向器 (铜头 ),再 在转子绕组中分成上、 下并联支路流过 ,导流 I 的转子线圈在外部磁场作用下产生力 ,从而 串激电机基础原理 使转子转动 ,铜头使转子中的电流始终保持上下对称、 连续 ; 电流最后从另一个碳刷出来进入下部 定子 .因上部与下部定子线圈绕线方向一致 ,致使上、下定子产生的磁场同向 ,这是一定要保持一致 的. I 2.2 串励电动机为何能按设计方向连续转动 ? 0 t 如左图二 : 其为串励电动机外接直流电时电 流、磁通及力矩曲线 . 电流通过定子线圈的激磁方 向由线圈的进、出线以及绕线方向决定 . 如图中 t 0 电流 I,可产生磁通 Φ 和反向磁通 Φ 1 2,而对于串励 T 电动机 ,其力矩方向由电流 I 及磁通 Φ两个矢量决 T1 定.这就是定子绕线后接线 (图二) 正、转向的原因 . 0 正向电流如经绕组产生正向磁场 ,则电机 t T2 产生正向力矩 ,即正转 . 反之则反转 . 如左图三 ,对于单相串励电动机 ,因电流为交 t 变的单相正弦波 ,则在定子中产生滞后约 0 1°~5 °的交变正弦波磁场 , 如图中 Φ1 和 Φ2 .其电流与磁 T 通矢量积决定了力矩方向 ,由此产生形象同于全波整流波 T1 的力矩波 .当定子绕组顺绕时产生上半部分力矩波 , 即产 0 生正向的平均力矩 T1 ,反之则产生负向 T2 .这样就决定了 T2 电机的正、反转方向 . (图三) 2.3 换向电磁原理 在串励电动机的设计过程中 ,关于串励电动机的换 向问题是最关键的 .因为换向状况的好坏直接决定了电 机寿命及对无线电 设备电磁干扰的好坏 .怎样改善串 1 励电动机的换向火花是一个复杂而困难的问题 . 2 3 8 1 2 8 1 2 8 1 2 I 如图一 , 欲使力矩 Tm 的大小 和方向保 持为恒定 ,即Φ及 I 在空间上的相位 必须恒 8 1 2 3 8 1 2 3 8 1 2 3 定.假使转子沿着轴向旋转 ,而导体 流过的电流却仍未换向 ,则作用力 2ia 2ia 2ia 便无法维持恒定 ,上述状况便无法 成立 ,这就需要换向 . 电枢旋转时 , n ( 瓜き ) 8 1 2 8 1 2 8 1 2 串激电机基础原理 使每一组件边在经过一固定位置时 ,其电流得以切换的装置叫换向器 (铜头 ). 组件 : 对 于串励电动机 ,指连接两换向片 , 由进出两线头所连接的多匝线圈为一组件 ,因组件和换向 片一一对应 ,所以组件数和换向片数相等 . 如图四和五表示一个单迭绕组 (迭绕对于串励电动机指 :任意两串联的线圈都是后一 个紧迭在前一个上面 ,每个组件的始端与终端分别焊接在相邻两换向片上的绕组 ) 电枢的 换向过程 .设其换向器片数为 8,换向器由右向左逆时针运动 ,并设碳刷宽稍大于一个换向 片的宽度 .因碳刷位置是固定不变的 ,开始时换向片 1 与碳刷完全接触 ,组件 8 的下组件边 及组件 1 的上组件边电流合为 2ia 流出 ;当换向器转动至碳刷与换向器片 1 和 2 接触处 , 组件 1 被短路 ,组件 8 的下组件边及组件 2 的上组件边也合为 2ia 流出 ;当碳刷与换向器片 2 完全接触时 ,组件 2 的上组件边及组件 1 的下组件边合为 2ia 流出 ,这样换向片 1 换向完 成,组件 1 中的电流方向由 +i 变为 -i 完成此换向过程的时间称为换向周期 T ., K .设此电机负 60 4 载转速为 12000RPM,则Tk 6.25 x10 秒 . 12000x8 2.4 引起换向火花的原因 对于串励电动机 ,其换向周期特短 ,一般在 -4 10 秒级 .在这么短的时间内 ,要释放电机换向 组件所具有的能量 ,必然会引起火花 .换向组件 所具有能量为 : P=(e +e )i+e i r a kt 下面将逐一讨论这些引起火花的电势 .只有明 槽漏磁通 齿顶漏磁通 了这些电势与各量间的关系 ,才能够有效地找到 改善火花的方法 .对于串励电动机 ,一般要求 ekt ≦8V,(e +e ) ≦4.5V. r a (瓜せ) 2.4.1 电抗电势 e r 在换向周期 TK 内,换向组件中电流由 +i a 变 到-ia,电流的变化引起漏磁通的变化 (包括槽漏 端部漏磁通 磁通、齿顶漏磁通和绕组端部漏磁通三部分 ). 从而在换向组件中产生漏自感电势 eL; 同时进行换向的其它组件 ,通过互感作用在该组件 中还感应出互感电势 em. di 2i a er eL em Lr Lr dt Tk 其中 L 为换向组件的等效漏电感 . Lr W2? ·L r W –––换向组件之匝数 , L –––电枢铁芯长 . 端部漏磁通 i 即 e W 2 L a .这说明电机同一组件 ,其匝数越多 ,转速越高 ,电流越大 ,则电抗电势就愈大 . r Tk 2.4.2 旋转电势 ea 2.4.2.1 电刷放在几何中性线位置 如图一 , 电机可视为有两个磁场 :定子激绕组产生的直轴主磁场 Φ 及电枢绕组产生 d 的交轴电枢磁场 Φaq,此时换向组件轴线与主磁场轴线重合 ,当电机旋转时 ,换向组件在 交轴电枢磁场中产生的旋转电势大小为 : ea 2W V L Baq W –––换向组件匝数 串激电机基础原理 aq –––交轴电枢反应产生的磁密 .其中 Baq a V –––电枢线速度 ; L –––铁芯长 ;B W ．i , 则 e W 2 V L i . a a 可见 ea 的大小与组件匝数平方、 线速度及电流成正比 ;旋转电势 ea 与电抗电势 er 方向相 同,总是企图阻止换向组件内电流的变化 ,使换向延迟 . 2.4.2.2 电刷不在几何中性在线 : N 如图七所示 ,当电刷偏离几何中性 线一定角度 β时,换向组件既切割电枢 n 磁场 ,产生旋转电势 ea;又切割主磁场 ,产 生对应的旋转电势 em.它们符合右手安 e er a 培定则 . em 越大 .且 e 的电势方向 β角越大 , em m 同 er 的相反 . 2.4.2.3 变压器电势 ekt S 换向组件轴线与主磁场轴线重 合,脉振主磁场 Φd 与换向线圈匝链 ,产生 变压器电势 . e 4 .44 fW kt d 因Φ 与换向组件匝链 ,故 e 数值很大 ,且比 (e d kt r+ea)大 .其中 : W –––换向组件匝数 f –––电源频率 . 2.5 改善火花的方法 改善换向火花的方法大体有下列几种 : 2.5.1 使碳刷逆转向偏移一合适角度或将电枢组件与换向片的连接顺旋转方向移一角度 . 如图七所示 : 当碳刷逆转向偏离 β角后 ,换向组件产生的直轴旋转电势 em 与交轴旋转 电势 e 及电抗电势 e 的方向相反 ,这样就出现 (e +e-e )使换向需释放的能量 p 减小 ,从而 a r a r m 改善了火花 . β越大 ,使得 em 越大 ,则出现 em r a (e +e ), 同样使能量 p 增大 ,不利换向 ,这样会 使原本延迟的换向变为超前 ,同时还使电磁转矩下降 ,故需合适的 β角. 在实际设计中 ,因碳套固定在罩上 ,其位置不能变 ,故往往采用将电枢组件与换向片的连接 顺旋转方向移一角度 .例如下图八所示 . 串激电机基础原理 图八(a)所示为换向组件产生的 (ea r +e )大 ,因而火花大 ;当碳刷逆转向移动两片换向片时 ,产 N S N S 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 N N (a) (a) N S N S 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 (b) (b) N S N S 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 (c) (c) (瓜 (瓜 生的 e 使(e +e -e )=0(如上图八中 b 所示 ).在要求碳刷位置不变的情况下 ,则将电枢组件与 m a r m 换向片的连接顺旋转方向位移两片换向片 (如上图八中 c 所示 ). 当然 ,事情也有其特殊性 .如上图九所示 : 图(a)表示对于整距绕组的电枢 ,此时换向火花 好 ,即 (ea r m +e -e )=0, 图(b)表示将整距绕组变成短距绕组 ,此时下组件边处在 S 极下靠中心 区的地方 ,切割电势 em (er+ea),出现火花现象 ; 图(c)表示采取了电枢组件与换向片的连接 逆转向移动了一个换向片 ,使 e 减小 ,进而达到 (e m a+er-em)=0 的目的 ,改善了火花 . 2.5.2 采用高的激磁绕组与电枢绕组匝数比 ( 即低的电枢绕组与激磁绕组匝数比 ). 从电抗电势及旋转电势的公式可知 ,其数值的大小均与 W 的平方成正比 ,故减小换向组件 匝数 (即是减少电枢总匝数 )可较快地减小 (er+ea),从下一节的电机设计知识可知 ,单相串励 电动机只要保持定、转子匝数乘积不变 ,改变定、转子匝数 ,不会使电动机主要性能发生大 的变化 ,为了减小换向组件中的感应电势 ,改善换向 ,宜采用小的电枢匝数 . 当然 ,为了能够更好的保证效率及温升 ,不是电枢绕组与激磁绕组的匝数比越小越好 ,一般串励电 机取在 1.5~2.0. d 2.5.3 增加每槽并列组件数 n ,即增加换向片数 . 串激电机基础原理 在电机整体性能已定的条件下 ,即电枢绕组与激磁绕组已定 ,这时要改善火花 ,可采用增 加换向片数的方法改善火花 .因 e 、e 与换向组件的匝数平方成正比 ,e 与换向组件匝数成 r a kt 正比 ,故减小换向组件匝数会大幅度的降低 (ea + er)及 ekt 值.在电枢绕组总匝数已定情况下 ,增加 每槽并列组件数 nd,即减少了换向各组件匝数 ,它需通过增加换向片数的方法达到 .因增加 换向片数后 ,换向周期 TK 相对减少 ,故实际效果并未达到平方关系 ,但可改善许多 ,特别对于 高电压电机 ,因每组件的匝数相对于低电压来说多得多 ,故采用增加换向片数效果显著 . 2.5.4 采用短距绕组 . 如图十中 (1)所示 ,当采用整距绕组时 ,虽然整距绕组可产生最大的电磁力矩 ,但换向的上下 组件边在同一电枢 a b 槽内 .从电抗电势 e r 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 的描述中可知 ,这 时上下组件通过互 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 感作用在各组件边 中感应的互感电势 俱禯 em 增大 ,使火花增 a b 大.当采用图中 (2) 的短距绕组时 ,虽 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 然电磁力矩稍有减 小,但换向的上下 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 组件边不在同一槽 内,从而减小了 e 祏禯 m (瓜 降低了火花 .实际 在机械自动 绕线机上 ,采用的全是短距绕组 ,这样便于双飞叉绕线 增大气隙 如图十一所示 ,因交轴电枢反应在顺主磁场方向使直轴磁场增强 ,在逆主磁场方向使直 轴磁场减弱 ,如图十一中曲线;结果使主磁场波形发生畸变 ,如图中曲线;主磁场的畸变 会影 响换 向组 件中 感应 1 电势 3 的大 小 ,影 2 响换 向.因 O 2 气隙 磁阻 大 ,故 增大 气隙 会削 串激电机基础原理 弱这种畸变 ,但气隙过大 ,使主磁路磁阻增大 ,效率下降 ,温升变差 .单边气隙一般取 0.2~0.5 之间 . 2.5.6 合适的电刷宽度、材料、压力以及换向器的材料和加工质量 . 对于串励电机 ,只要保证电流密度不大 ,一般碳刷不宜过宽 .碳刷过宽 ,则被短接的组件 数过多 ,换向组件的互感电势大 ,不利换向 ; 同时电磁力矩会减小 ,使得温升变差 .但电刷过窄 , 会减小换向周期 ,增加换向电势 ,也不利换向 ;同时电刷过窄电密过大和机械强度变低 ,都会 影响到电刷的寿命 .一般电刷宽度取 (1.2~2.5)片换向片宽 . 单相串励电动机一般都会采用碳化石墨或人造树脂粘洁剂碳刷 .为改善换向最好选用硬质电化 石墨电刷 ,因其有较大电阻率 ,电刷与换向器的接触电阻较大 ,能较好地抑制换向过程中的 短路电流 ,有利换向减小火花 .一般碳刷的电阻率要求为 : 30,000~100,000μΩ.cm,能存受的 电密为 10A/cm2. 电刷压力大小对换向性能和电刷损蚀有很大影响 .压力大可减少火花 ,但磨损速度大 幅度增加 ,压力小使换向器在换向时出现烧蚀 .一般取 300~500g/c ㎡. 换向器的材料一般为紫铜制作 ,为改善换向及寿命 ,串励马达一般都会采用含银的银铜合 金 .加工光洁度一般在 0.4~1.2 间,跳动量一般控制在 5 μ左右 . 三、 单相串励电动机设计 3.1 基本公式 : 3.1.1 反 电动势 E: PN 8 8 对于直流串励电动机 : E n 10 ce n 10 (v) 60a 其中 : P –––极对数 ; N –––电枢总的导体数 a –––电枢绕组并联支路对数 Φ –––每极气隙磁通量 n –––电机转速 PN 8 对于单相串励电动机 : E k p n 10 (v) 60 2a kp –––电枢绕组短距系数 . 3.1.2 电压平衡方程式 : 对于直流串励电动机 : U E I a ( Ra Rf ) U b Ra ––––电枢绕组电阻 R ––––激磁绕组电阻 f b U ––––电刷与换向器间压降 对单相串励电动机 : U U 2 U 2 x r Ux –––端电压有动分量 Ur ––––端电压无功分量 3.1.3 电磁力矩公式 : PN 对于直流串励电动机 : Tm I a ; 2 a
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