串激電機(jī)基本原理之歐陽科創(chuàng)編

1、歐陽科創(chuàng)編2021.02.05概述:時(shí)間：2021.02.05創(chuàng)作：歐陽科串勵(lì)電動(dòng)機(jī)作為電機(jī)家族的一員，它以自身的諸多特點(diǎn)而普遍應(yīng) 用于家用電器及電動(dòng)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(lì)電動(dòng)機(jī)的定義：定子勵(lì)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(dòng)機(jī).1.2串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)：串勵(lì)電動(dòng)機(jī)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(lì)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(dòng)負(fù)載做功，將電 能轉(zhuǎn)化為

2、機(jī)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)軸，前、后罩要有足夠的強(qiáng)度，以防電樞與罩發(fā)生共振 現(xiàn)象，引起振動(dòng)和危險(xiǎn)一般前、后罩內(nèi)有滾動(dòng)或滑動(dòng)軸承.1.3串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)：1-3.1它對(duì)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 H乙不論12V、 24VDC還是110V. 220V、240V ;總之它可設(shè)計(jì)成適應(yīng)任一外接電 源的電機(jī).1.3.2它的轉(zhuǎn)速高,調(diào)速范圍廣：它的轉(zhuǎn)速范圍為3000-40000RPM,在同一電機(jī)上采用多個(gè)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(jī)因感應(yīng)電機(jī)達(dá)不到高轉(zhuǎn)速（不大于3000 RPM

3、）.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.133啟動(dòng)力矩大，體積小：當(dāng)負(fù)載力矩增大時(shí)，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)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(lì)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)：串勵(lì)電動(dòng)機(jī)一般依據(jù)客戶對(duì)電氣性能要求及外部結(jié)構(gòu)的需要而設(shè)計(jì). 個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)良的串勵(lì)電動(dòng)機(jī)，不僅達(dá)到客戶對(duì)電氣性能及外部尺寸的 要求,還要在絕緣、結(jié)構(gòu)、安全、成本等方面上優(yōu)化，既使電機(jī)能通過 相關(guān)的實(shí)驗(yàn)考核，符合相間的標(biāo)準(zhǔn),又節(jié)省材料和工時(shí).二、串勵(lì)電動(dòng)機(jī)基本工作原理2.1基本原理：如左圖一,它是串勵(lì)電動(dòng)機(jī)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(chǎng);然后經(jīng)碳刷進(jìn)入換向器（銅頭），再在轉(zhuǎn)子繞組中分成

4、上、下并聯(lián)支路流過，導(dǎo)流的轉(zhuǎn)子 線圈在外部磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生力，從而 使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，銅頭使轉(zhuǎn)子中的電流始 終保持上下對(duì)稱、連續(xù);電流最后從 另一個(gè)碳刷出來進(jìn)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(chǎng)同向，這是 必須保持一致的.2.2串勵(lì)電動(dòng)機(jī)為何能按設(shè)計(jì)方向連 續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)？如左圖二:其為串勵(lì)電動(dòng)機(jī)外接直流電時(shí)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(jìn)、出線以及繞線方向 決定.如圖中電流I,可產(chǎn)生磁通4和反向磁通6,而對(duì)于串勵(lì)電動(dòng) 機(jī)，其力矩方向由電流|及磁通e兩個(gè)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(chǎng)，

5、則電機(jī)產(chǎn)生正向力矩，即正轉(zhuǎn).反之則反轉(zhuǎn). 如左圖三，對(duì)于單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī),因電流 為交變的單相正弦波，則在定子中產(chǎn)生滯后 約1°5°的交變正弦波磁場(chǎng),如圖中5和5. 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(shí)產(chǎn)生上半 部分力矩波，即產(chǎn)生正向的平均力矩匚反之則產(chǎn)生負(fù)向匸這樣就 決定了電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)方向.2.3換向電磁原理在串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，關(guān)于串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的換向問題是最關(guān) 鍵的因?yàn)閾Q向狀況的好壞直接決定了電機(jī)壽命及對(duì)無線電設(shè)備 電磁干擾的好壞怎樣改善串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的換向火花是一個(gè)復(fù)雜而困 難的問題.如圖一，欲使力矩Tm的大小和方向保n

6、（瓜紀(jì)芍為恒定，即e及I在空 上的相位必須恒定. H吏轉(zhuǎn)子沿著軸向旋轉(zhuǎn), i導(dǎo)體流過的電流卻仍 :換向，則作用力便無法 2持恒定，上述狀況便無 成立，這就需要換向.I樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，使每一組件 在經(jīng)過一固定位置時(shí), 其電流得以切換的裝置叫換向器（銅頭）.組件:對(duì)于串勵(lì)電動(dòng)機(jī)，指連接兩換向片,由進(jìn)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(duì)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(gè)單迭繞組（迭繞對(duì)于串勵(lì)電動(dòng)機(jī)指:任意 兩串聯(lián)的線圈都是后一個(gè)緊迭在前一個(gè)上面,每個(gè)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)其換向 器片數(shù)為8,換向器由右向左逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，并設(shè)碳刷寬稍

7、大于一個(gè)換 向片的寬度.因碳刷位置是固定不變的，開始時(shí)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(dòng)至碳刷與換向器片1和2接觸處，組件1被短路，組 歐陽科創(chuàng)編2021.02.05歐陽科創(chuàng)編2021.02.05件8的下組件邊及組件2的上組件邊也合為2L流出;當(dāng)碳刷與換 向器片2完全接觸時(shí)，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)?L 完成此換向過程的時(shí)間稱為換向周期Tk.設(shè)此電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)速為 12000RPM,則 7；= = 6.25劉0"秒.2.4引起換向火花的原因12000.

8、V8對(duì)于串勵(lì)電動(dòng)機(jī),其換向周期特 短,一般在10“秒級(jí).在這么短的時(shí) 間內(nèi),要釋放電機(jī)換向組件所具有 的能量，必然會(huì)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(shì)只有明了這些電勢(shì)與各量間 的關(guān)系，才能有效地找到改善火花 的方法對(duì)于串勵(lì)電動(dòng)機(jī)，一般要求EW8V，e+ea)W4.5V.241電抗電勢(shì)&在換向周期Tk內(nèi)，換向組件中電流由+ia變到4,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).從而在換向組件中產(chǎn)生漏自感電勢(shì)比同 時(shí)進(jìn)行換向的其它組件,通過互感作用在該組件中還感應(yīng)出互感電 勢(shì)em.其中L為換

9、向組件的等效漏電感.Lr W2' LW換向組件之匝數(shù)，L電樞鐵芯長.即廠叨這說明電機(jī)同一組件淇匝數(shù)越多，轉(zhuǎn)速越高，電流越大, 則電抗電勢(shì)就愈大.2.4.2旋轉(zhuǎn)電勢(shì)ea2.4.2.1電刷放在幾何中性線位置如圖一，電機(jī)可視為有兩個(gè)磁場(chǎng):定子激繞組產(chǎn)生的直軸主磁 場(chǎng)及電樞繞組產(chǎn)生的交軸電樞磁場(chǎng)Gaq,此時(shí)換向組件軸線與 主磁場(chǎng)軸線重合,當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，換向組件在交軸電樞磁場(chǎng)中產(chǎn)生 的旋轉(zhuǎn)電勢(shì)大小ea=2W V L Ba（lW換向組件匝數(shù)V電樞線速度;L鐵芯長;Baq交軸電樞反應(yīng)產(chǎn)生的磁密.其 中 Baq W . ia,貝 IJocW2.VLifl.可見ea的大小與組件匝數(shù)平方、線速度及電流成正

10、比;旋轉(zhuǎn)電勢(shì)ea 與電抗電勢(shì)&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.2.422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P時(shí)，換向組件既切割 電樞磁場(chǎng),產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電勢(shì)ea；又切割主磁場(chǎng)，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)電勢(shì)缶.它 們符合右手安培定則.P角越大,缶越大.且缶的電勢(shì)方向同Q的相反.2.423變壓器電勢(shì)比換向組件軸線與主磁場(chǎng)軸線重合，脈振主磁場(chǎng)5與換向線圈匝鏈， 產(chǎn)生變壓器電勢(shì).5 =4.44用®因6與換向組件匝鏈,故比數(shù)值很大，且比大淇中：W換向組件匝數(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

11、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P角后，換向組件產(chǎn)生的直軸旋轉(zhuǎn) 電勢(shì)缶與交軸旋轉(zhuǎn)電勢(shì)0a及電抗電勢(shì)er的方向相反，這樣就出現(xiàn) 6 +餌缶）使換向需釋放的能量P減小，從而改善了火花$越大，使得務(wù)越大，則出現(xiàn)務(wù) >>（巳十巳），同樣使能量p增大，不利換向，這樣 會(huì)使原本延遲的換向變?yōu)槌?，同時(shí)還使電磁轉(zhuǎn)矩下降，故需合適 的P角.在實(shí)際設(shè)計(jì)中，因碳套固定在罩上，其位置不能變，故往往采用將電 樞組件與換向片的連接順旋轉(zhuǎn)方向移一角度.例如下圖八所示.廠、s I LLJ |l|2|la)i n 、 iN 、IIHhuHQ圖八所示為換向組件產(chǎn)

12、生的（巳十引大,因而火花大;當(dāng)碳刷逆轉(zhuǎn)向 移動(dòng)兩片換向片時(shí)，產(chǎn)生的缶使（巳+論缶）二0（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:圖表示對(duì)于整距繞組的歐陽科創(chuàng)編2021.02.05歐陽科創(chuàng)編2021.02.052.5.22.5.3電樞，此時(shí)換向火花好，即(ea4-er-em)=0,圖(b)表示將整距繞組變成 短距繞組，此時(shí)下組件邊處在S極下靠中心區(qū)的地方，切割電勢(shì) 務(wù)(巳+eJ,出現(xiàn)火花現(xiàn)象圖(c)表示采取了電樞組件與換向片的 連接逆轉(zhuǎn)向移動(dòng)了一個(gè)換向片，使缶減小，從而達(dá)到(e

13、a+er-em)=0 的目的，改善了火花.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(shì)及旋轉(zhuǎn)電勢(shì)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 e+ej,從下一節(jié)的電機(jī)設(shè)計(jì)知識(shí)可知，單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)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(huì)使電動(dòng)機(jī)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(shì)，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(lì)電機(jī)取在1.52.0.增加每槽并列組件數(shù)皿即增加換向片數(shù).在電機(jī)整體性能已定的條件下，即電樞

14、繞組與激磁繞組已定,這時(shí)要 改善火花，可采用增加換向片數(shù)的方法改善火花因色與換向 組件的匝數(shù)平方成正比，比與換向組件匝數(shù)成正比，故減小換向組 件匝數(shù)會(huì)大大降低(ea +引及去值.在電樞繞組總匝數(shù)已定情況下, 增加每槽并列組件數(shù)g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(dá)到因增加換向片數(shù)后，換向周期Tk相對(duì)減少，故 實(shí)際效果并未達(dá)到平方關(guān)系，但可改善許多，特別對(duì)于高電壓電機(jī), 因每組件的匝數(shù)相對(duì)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.如圖十中所示，當(dāng)采用整距繞組時(shí), 雖然整距繞組可產(chǎn)生最大的電磁力矩，但換向的上下組件邊在同一電樞槽內(nèi).從電抗電 勢(shì)e

15、的描述中可知，這時(shí)上下組件通過互感作用在各組件邊中感應(yīng)的互 感電勢(shì)enJ曾大，使火花增大.當(dāng)采用圖中(2)的短距繞組時(shí)，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)，從而減小了缶降低了火花. 實(shí)際在機(jī)械自動(dòng)繞線機(jī)上,采用的全是短距繞組，這樣便于雙飛叉繞線.2-5.5增大氣隙如圖一所示,因交軸電樞反應(yīng)在順主磁場(chǎng)方向使直軸磁場(chǎng)增強(qiáng)，在0 A逆主磁場(chǎng) 方向使直 軸磁場(chǎng)減弱，如圖十一中曲線2;結(jié)果 使主磁場(chǎng) 波形發(fā)生 畸變，如 圖中曲線 3;主磁場(chǎng) 的畸變會(huì)影響換向組件中感應(yīng)電勢(shì)的大小，影響換向因氣隙磁阻大，故增大氣隙會(huì)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

16、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(duì)于串勵(lì)電機(jī)，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(shì)大，不利換向;同時(shí) 電磁力矩會(huì)減小,使得溫升變差.但電刷過窄，會(huì)減小換向周期，增加 換向電勢(shì),也不利換向;同時(shí)電刷過窄電密過大和機(jī)械強(qiáng)度變低，都會(huì) 影響到電刷的壽命.一般電刷寬度取(1.2-2.5)片換向片寬.單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)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

17、阻率要求為:30,000100,000pQ.cm,能存 受的電密為10A/cm1電刷壓力大小對(duì)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(shí)出現(xiàn)燒蝕. 一般取 300500g/c m.換向器的材料一般為紫銅制作，為改善換向及壽命，串勵(lì)馬達(dá)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(dòng)量一般 控制在5p左右.三、單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)3.1基本公式：3.1.1反電動(dòng)勢(shì)E：對(duì)于直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)：E =冬動(dòng) E =“ -10-8(v)60"其中：P極對(duì)數(shù) N電樞總的導(dǎo)體數(shù)a電樞繞組并聯(lián)支路對(duì)數(shù)每極氣隙磁通量n電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)于單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)：

18、E =PN60岳kP電樞繞組短距系數(shù).3.1.2電壓平衡方程式:對(duì)于直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)：U = E +Ra電樞繞組電阻Rt激磁繞組電阻嘰電刷與換向器間壓降對(duì)單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)：U =Ux端電壓有動(dòng)分量Ur端電壓無功分量3.1.3電磁力矩公式對(duì)于直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī):人嚴(yán)器 打；2兀a對(duì)于交流串勵(lì)電動(dòng)機(jī):Tm=L= KINcos0此為平均力矩，非瞬時(shí) 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：殮極弧系數(shù)極弧長度5電壓鐵芯計(jì)算長氣隙磁密3.1.5轉(zhuǎn)速：略去電刷和換向器之間的壓降%,則直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速：對(duì)單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī),在略去和假設(shè)e二o的條件下有:U=UCOS葉 E + I屁+ RJ

19、血“COS0 /“(/?“+©)3.2電機(jī)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.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：心NI2a兀D歐陽科創(chuàng)編2021.02.05N電樞總導(dǎo)體數(shù)D電樞外徑a電樞繞組的并聯(lián)支路對(duì)數(shù)電密：一導(dǎo)體單位橫載面積上通過電流的大小. d導(dǎo)體直徑發(fā)熱因子:電樞繞組的線負(fù)和導(dǎo)體電密的乘積AJ叫發(fā)熱因子.它決 定了電機(jī)溫升的高低.a.從上可見,在電流一定的條件下，對(duì)于整個(gè)電機(jī)有: 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(shí)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(jī)絕緣等級(jí)越高，允