串激电机原理-151130

1、1 研究生课程研究生课程 单相串激电动机的原理与设计单相串激电动机的原理与设计 东南大学东南大学 电气工程学院电气工程学院 胡虔生教授胡虔生教授 No Image 2 目目 录录 绪论绪论 (3) 第一篇第一篇 原原 理理 篇篇 第一章第一章 单相串激电动机的运行原理单相串激电动机的运行原理 (15) 第二章第二章 单相串激电动机的基本特性单相串激电动机的基本特性 (33) 第三章第三章 单相串激电动机的转子绕组单相串激电动机的转子绕组 (53) 第四章第四章 换向换向 (69) 第五章第五章 单相串激电动机的单相串激电动机的噪声及抑制噪声及抑制 (106) 第六章第六章 单相串激电动机对无线

2、电电视的干扰及抑制的措施单相串激电动机对无线电电视的干扰及抑制的措施 (118) 3 绪绪 论论 n单相串激电动机使用很广泛，主要单相串激电动机使用很广泛，主要 用于各种家用电器用于各种家用电器，电动工具，医电动工具，医 疗器械，小型机床等疗器械，小型机床等，也可制成通也可制成通 用电机，作驱动用。用电机，作驱动用。 n单相串激电动机是当今世界单相串激电动机是当今世界用量最用量最 多的一种小功率电动机多的一种小功率电动机，年产量超，年产量超 一亿台。一亿台。 4 交流换向器电机交流换向器电机 n滑动接触电机主要有两种形式滑动接触电机主要有两种形式 1.滑环和电刷滑环和电刷 如同步电机，绕线式转

3、子异步电机如同步电机，绕线式转子异步电机 2.换向器和电刷换向器和电刷 如直流电机，交流换向器电机如直流电机，交流换向器电机 n交流换向器电机交流换向器电机，按所接电源性质分，按所接电源性质分: 单相串激电动机单相串激电动机 (single phase series motor)和和 交直流两用电动机交直流两用电动机; 按相数分有单相和多相; 按气隙磁场分有脉动磁场和旋转磁场等。 5 0-1.单相串激电动机的结构特点单相串激电动机的结构特点 1.定子定子 定子定子铁心。铁心。由0.5mm硅钢片冲制叠压而成。 DR530 (D22),DR510(D23) ，应用最广泛为凸 极式，也有隐极式。磁极

4、形状多为深槽式，为 绕线机自动绕制。 定子定子绕组，又称串激绕组。绕组，又称串激绕组。由漆包圆铜线绕制为 集中绕组，套在定子铁心上。 电刷装置：刷握，弹簧和电刷组成，常用电化 石墨电刷。 6 7 2.转子转子 转子转子铁心，又称电枢铁心。铁心，又称电枢铁心。由0.5mm硅钢片冲制叠 压，冲片槽型多数为半闭口梨形槽，转轴压入铁 心轴孔。 转子转子绕组。绕组。为分布绕制的电枢绕组嵌放在电枢铁心 中，依次串联成闭合绕组(详见第三章)。 换向器换向器(又称整流子又称整流子) 。与电刷电刷装置，构成滑动接触。 有半塑料换向器(由紫铜的换向片和云母片用塑料 压制成整体) ，全塑料换向器(无云母片) 。 8

5、 Dscn1111.lnk 半塑料换向器半塑料换向器 9 单相串激电动机的基本结构与直流电动机相似，带 有电刷-换向器，且励磁绕组和电枢绕组串联。在 细节上有所不同。串激电机既可由交流亦可由直流 供电，原理上泛原理上泛称为交直流两用电动机。交直流两用电动机。 单相串激电动机与直流电动机相比有不同之处不同之处: (1)直流电机磁极铁心为铸钢制成，单相串激电机时 交变磁通会产生很大的涡流损耗; (2)串激电动机的交流电抗电压降很大; (3)换向元件中有变压器电势，使换向困难等. 因此单相串激电动机运行于交流电源和直流电源 时性能上是有差异的。实用上实用上单相串激电动机与 交直流两用电动机在结构是有

6、所不同。 10 单相串激电动机单相串激电动机 励磁绕组 电枢绕组 换向器 电刷 定子铁心 11 12 0-2.单相串激电动机的单相串激电动机的优点优点 (1)使用方便使用方便。具有直流电机结构，可交直流两 用，改变输入电压大小，可以调节转速，因 此调速十分方便。 (2)转速高，效率功率因数高，体积小，质量轻，转速高，效率功率因数高，体积小，质量轻， 成本低成本低。该类交流电机转速与电源频率，极 数无关，因此电机转速可设计很高，体积重 量相应减少。 (3)启动转矩大，过载能力强启动转矩大，过载能力强。可达额定转矩的 4-6倍。 n缺点缺点:换向比较直流电机困难，换向火花大， 无线电干扰和振动噪声

7、都较大。 13 对电动机设计制造的特殊要求对电动机设计制造的特殊要求 (1)适用的运行工作点。适用的运行工作点。电动机具有软的机械特性， 转速随负载改变而改变。设计制造时，要保证达 到运行工作点，一个负载值，有一相应转速。 (2)防止触电的防护要求防止触电的防护要求。大多用于电动工具，家用 电器，手持操作，严格绝缘安全防护要求。 (3)抑制无线电干扰要求抑制无线电干扰要求。高转速又容易产生高的无 线电干扰功率和干扰电压，以及较大的噪声，要 加以抑制。 14 单相串激电动机的基本系列单相串激电动机的基本系列 nG系列系列:单相交流电源，供小型机床，搅拌机等单相交流电源，供小型机床，搅拌机等 输出

8、功率8W-750W，转速有4000-12000r/min nSU系列系列,U系列系列(老产品老产品):交直流两用电动机交直流两用电动机 输出功率15W-180W，转速有3600-5600r/min nDT系列系列(老产品老产品): 电动工具用单相串激电动机电动工具用单相串激电动机 输出功率60W-800W，转速有8000-14000r/min nDT2系列系列:电动工具用单相串激电动机电动工具用单相串激电动机 输出功率140W-1250W，转速有9900-14300r/min 16 第一章第一章 单相串激电动机的运行原理单相串激电动机的运行原理 17 1-1.运行原理及交直流两用的基本概念运行

9、原理及交直流两用的基本概念 直流电机原理直流电机原理 电动力的方向可由电动力的方向可由左手定则左手定则决定决定 18 图12-6， p189，李 19 直流电机原理直流电机原理 n上图图(a) ，ab边在N极面下，电流方向a b，而 cd边在S极面下，电流方向c d，根据电磁力定 律及左手定则，线圈的ab边受力方向左，而cd边 受力方向右，从而形成转矩，使转子逆时针旋转。 n当线圈转过180度时，如图图(b) ， ab边在S极面下， 由于换向片和电刷作用，电流方向a b，而cd边 在N极面下，电流方向也改为c d，根据左手定 则，产生电磁转矩方向不变，使电动机继续转动。 20 综上所述，要使直

10、流电机按一定方向运转，关键 是利用换向片和电刷作用，电刷在定子上是不动 的，且极性不变;而换向器是在转子上，与之固定 连接的电枢线圈随转子转动。 由此可见，直流电机电枢绕组中电流并不是直流， 而是交变的。 直流电机磁极极性不变，利用换向片和电刷作用， 磁极极面下导体随转子转动是不断变化，但是极磁极极面下导体随转子转动是不断变化，但是极 面下导体中电流的方向始终不变，因此产生电磁面下导体中电流的方向始终不变，因此产生电磁 转矩的方向也不变。转矩的方向也不变。 21 n图图(a) ，单相串激电动机电源处于交流电正半 周波，转子受电磁力，逆时针方向旋转。 n交变电源变化至负半周波时，交变电源变化至负

11、半周波时，图图(b) ，电励磁 的磁场极性和电刷极性发生变化，同时电枢电 流方向也随之改变了，根据左手定则，电磁转 矩方向不变，使电动机继续逆时针方向逆时针方向转动。 n由此可见，一台直流串激电动机改接到交流电 源后，虽然电源极性在反复变化，但是每一极 面下导体电流方向不变，电磁转矩的方向电磁转矩的方向不变，不变， 电动机转向也不变，这就是单相串激电动机的 工作原理。 单相串激电动机原理单相串激电动机原理 22 图12-7， p190，李 如何改变电机如何改变电机 旋转方向旋转方向(改改 变磁场或电流变磁场或电流 方向方向) 改变定子绕改变定子绕 组与电刷接组与电刷接 法法(极性极性) 改变电

12、源改变电源 极性极性(接线接线 端头端头)？ 23 直流电动机的激磁方式有多种，作为交直流两用 电机，只有串激和并激方式(永磁，它磁均不可 以) ，进一步分析如下: 串激时串激时，激磁电流与电枢电流是同一电流，而激 磁电流与磁通之间的相角差很小，因此磁通与电 枢电流之间也不存在相角差，转矩为磁通与电枢转矩为磁通与电枢 电流两者的乘积电流两者的乘积，如图示，平均转矩大。 并激时并激时，并激绕组与电枢绕组是并联的，都接到 交流电源上，并激绕组电感很大，激磁电流滞后 电源电压接近90度，电枢电流滞后电源电压的相 角比较小，这样磁通(激磁电流)与电枢电流之间有 较大的相角差，因此二者乘积会有正，有负，

13、如 图示，平均转矩小。 因此，单相串激电动机转矩大，有实用价值。单相串激电动机转矩大，有实用价值。 24 串激电动机转矩曲线串激电动机转矩曲线 并激电动机转矩曲线并激电动机转矩曲线 25 1-2.高速运转原理及软特性高速运转原理及软特性 一般交流电机转速取决于同步 转速，与电源频率与极对数 有关。 单相串激电动机单相串激电动机是按直流电是按直流电 机原理运行，按电磁感应机原理运行，按电磁感应 定律推导转速。定律推导转速。带电导体在 磁场中受电磁力作用而运动， e=Blv 作为一台电机， 60 2 26022 np a N Bl Dn a N Bl a N BlE 26 单相串激电动机转速单相串

14、激电动机转速为为 式中 E-电枢电势有效值(V) -每极磁通(Wb) N-电枢导体数 n-电机转速(r/min) 单相串激电动机单相串激电动机a(并联支路 对数),p(极对数)均为1。 N E n 8 10260 电机转速与电源频 率，极对数无关， 电势由电源电压决 定，较难变化，减 少磁通和导体数均 能提高转速. 目前单相串激电动单相串激电动 机机额定转速都比较 高，一般不超过 18000r/min。 27 单相串激电动机单相串激电动机的软特性的软特性 n由公式可知:当负载增大时，电枢电流相 应增大，由于串激绕组，电枢电流与励 磁电流相同，因此励磁电流也增大，从 而使磁通磁通增大，因磁通与转

15、速成反比， 所以转速下降。同时由于电枢电流增大， 使各部分电阻压降增大，电势电势下降，则 转速下降。 n转速随负载增大而明显下降特性，称之 为软特性。软特性。 28 1.3.调速原理调速原理 n单相串激电动机的转速 与电势E，磁通和电枢导 体数N有关，大多采用调 节电压的方法。 1.改变电源电压调速改变电源电压调速(常用常用) (1)利用串联单向或双向晶利用串联单向或双向晶 闸管闸管(SCR)调压调速。调压调速。改 变SCR的导通角，就可以 改变其端电压，从而实 现有级或无级调速。见 图(a) 。 29 当输入交流电压为正半波 时，可控硅二端是正向电 压，同时RC充电回路开始 充电，只有在电容

16、器二端 电压充到可控硅触发电压 时，可控硅才导通，调节 电阻 ，就能进行可控移 相整流调压，达到调速目 的。 r 211 组F电枢A ，C及激磁 绕，R，RD 简便移相调压电路简便移相调压电路 间越长。 组成的RC充电 回路，RC越大，充放电充放电时 2 R 30 图8-12，P179,程 31 (2)串联电抗器调速。串联电抗器调速。见图(b) ，改变电抗器抽头可 进行有级调速。 2.改变励磁磁通调速改变励磁磁通调速 (1)将两个串励绕组由串接将两个串励绕组由串接(并接并接)改为并接改为并接(串接串接) ， 见图(c) ，串联 并联，励磁电流减半，磁通也 减少，转速上升;反之亦然。 (2)励磁

17、绕组分级抽头调速。励磁绕组分级抽头调速。见图(d) ，励磁绕组有3 个抽头，不同抽头不同匝数Wf，Wf多,Ff大,磁通 大，则转速降低;反之亦然。 3.串电阻调速串电阻调速 见图(e) ，电枢回路串电阻，加到电机端电压就下 降，实现降压调速。 32 小结(绪论，笫一章) n演变过程 直流电动机-直流串激电动机-单相 串激电动机，交直流两用电动机 n基本原理-结构特点(换向器-电刷)- 运行原理(串激电动机:高转速，软特性， 调速) 33 第二章第二章 单相串激电动机的基本特性单相串激电动机的基本特性 No Image No Image 34 2.1.电压向量图和电势平衡方程式电压向量图和电势平

18、衡方程式 n电路方程式，向电路方程式，向(相相)量图，等效电路是分析量图，等效电路是分析 交流电机的主要手段。交流电机的主要手段。 n向(相)量图基本概念，图中各量(如u,i)为正弦 交变的交流量(时间函数)，且交变频率相同 (如50Hz) ，各向量(如U,I,E)空间相位差反映 各交流量时间上的相角差，其幅值反映各向 量的大小。 n向(相)量图中各量之间关系，符合电路原理和 电磁感应原理。 35 36 d q -励磁电流励磁电流I流过励磁绕组产生流过励磁绕组产生主磁通主磁通(电源频率脉动电源频率脉动) 位于电机磁极中心线，位于电机磁极中心线，直轴方向直轴方向，放在向量图横轴上。，放在向量图横

19、轴上。 -电枢电流电枢电流I(大小同励磁电流大小同励磁电流) 流过转子线圈流过转子线圈，产生产生 转子磁通，位于与磁极中心线垂直位置，称转子磁通，位于与磁极中心线垂直位置，称交轴磁通交轴磁通， 磁通回路中空气隙很大，铁耗可以略去，可看成与电磁通回路中空气隙很大，铁耗可以略去，可看成与电 枢电流枢电流I同相。同相。 -电流电流I流过励磁绕组产生主磁通，在铁心中产生铁流过励磁绕组产生主磁通，在铁心中产生铁 耗，所以超前主磁通一小角度耗，所以超前主磁通一小角度 。 -定子绕组的自感电势定子绕组的自感电势，由主磁通产生，滞后于主磁，由主磁通产生，滞后于主磁 通通 向量向量90度度(变压器电势变压器电势

20、) W-一个定子绕组的圈数一个定子绕组的圈数 -每极磁通每极磁通(Wb) )(88. 8VfWE dd d d E d I 37 -转子绕组的自感电势转子绕组的自感电势。由磁通。由磁通 产生变压器产生变压器 电势，滞后于磁通电势，滞后于磁通 向量向量90度，度， E-旋转电势旋转电势，转子绕组切割主磁通，转子绕组切割主磁通 产生旋转电产生旋转电 势势E与与 方向方向相反相反，大小与旋转频率，电枢串联，大小与旋转频率，电枢串联 匝数和主磁通成正比。匝数和主磁通成正比。 -定子漏抗压降，超前定子漏抗压降，超前I向量向量90度度 -转子漏抗压降，超前转子漏抗压降，超前I向量向量90度度 -定子绕组的

21、电阻压降，与定子绕组的电阻压降，与I向量同相向量同相 -转子绕组的电阻压降，与转子绕组的电阻压降，与I向量同相向量同相 U-外加电源电压，外加电源电压，U超前超前I角度角度 )( 0472. 0 22 V K lINf Eq q E 1 jIx q 2 jIx 1 Ir 2 Ir d d q 38 外加电源电压外加电源电压U应与这些反电势和阻抗压降相平衡应与这些反电势和阻抗压降相平衡， 电势平衡方程式为电势平衡方程式为 公式中略去了一对电刷的接触压降公式中略去了一对电刷的接触压降 利用电势平衡方程式和相量图可解释电机许多性能，利用电势平衡方程式和相量图可解释电机许多性能， 以功率因数为例。以功

22、率因数为例。 (1)由式可见，由式可见，单相串激电动机的转速高单相串激电动机的转速高，旋转电势，旋转电势E 增大，可以缩小电源电压增大，可以缩小电源电压U与电流与电流I间的相角间的相角 ， 提高功率因素提高功率因素cos ，一般大于，一般大于0.9。 2121 x I jx I jr Ir IEEEU qd U 2 39 由相量图，由相量图，功率因素功率因素 E EE qd arctan cossin)( sincos)( arctan 21 21 EErrI EExxIE d dq 由于 很小，功率因素近似为功率因素近似为 (2)减小转子绕组自感电势和定转子漏抗压降，减小转子绕组自感电势和定

23、转子漏抗压降， 也可以缩小相角差也可以缩小相角差 ，从而提高功率因素，从而提高功率因素 cos ，为此，为此减少定转子线圈匝数减少定转子线圈匝数，尤其是转，尤其是转 子匝数，是十分有效的。子匝数，是十分有效的。 40 电磁转矩电磁转矩(本教材用本教材用M表示，现己改用表示，现己改用T，两者通用，两者通用) 电刷位于几何中性线时电刷位于几何中性线时 瞬时值 式中 为电磁转矩平均值，即磁转矩平均值，即工作转矩。工作转矩。 脉动转矩脉动转矩，两倍频率，平均转矩为零，影响电机振动，两倍频率，平均转矩为零，影响电机振动 和噪声。和噪声。 )()(titCT Te fdmT dmT TTtIC ttICt

24、T e 2 2coscos 2 1 sin)sin(2)( cos 2 1 ICT dmT tICT dmTf 2cos 2 1 2 41 单相串激电动机单相串激电动机的性能的性能可利用三个基本公式 (1)电势平衡方程式 考虑定子，转子漏抗 (2)反电势计算公式 在相量图上 (3)电磁转矩公式 jxrIEU nCE e ICT T O 向量90向量滞后 E pN aE C E n e 60 42 2-2.损耗分布和能量平衡损耗分布和能量平衡 电机损耗分电气损耗和机械损耗两类 1.电气损耗电气损耗 (1)铜耗铜耗:电流流过定转子绕组(铜导线)形成,与电流 平方成正比。 (2)铁耗铁耗:定子铁心通

25、过交变磁通(一般50Hz)形成， 由磁滞损耗和涡流损耗，用硅钢片叠压而成(铁 耗与与B，f及材料特性有关)。 (3)换向损耗换向损耗:换向线圈中环流。 (4)电刷压降损耗电刷压降损耗:电刷压降乘以电流。 43 44 2.机械损耗机械损耗 (1)风摩耗风摩耗:主要由通风耗，轴承损耗和电刷-换向 器摩擦耗三部分组成，不容易精确计算，用实测 和经验数据(如附图1，高速电机损耗较大)。 (2)电气转矩损耗电气转矩损耗:包括转子旋转磁化损耗和谐波损 耗，归纳为转子铁耗转子铁耗(注意f=n/60与定子不同)。 旋转磁化损耗旋转磁化损耗是指转子铁心以一定(高)转速相对 于定子磁场旋转产生的铁心损耗。 谐波损

26、耗谐波损耗是指由于磁场饱和，电流中含有大量 高次谐波，使电机产生谐波转矩损耗，谐波损耗 一般小于旋转磁化损耗。 45 功率平衡方程式功率平衡方程式 cos cos 1 1 UI PUI P PP 46 2.3. 单相串激电动机的单相串激电动机的特性特性(电源电压恒定电源电压恒定) 1.I=f(M)转矩特性转矩特性 电磁转矩M正比于电枢电流I与磁通的乘积， 不考虑磁路饱和，磁通与电枢电流I成正比， 因此 电流特性为抛物线，I随M增大而增大，当 M较大时由于磁路饱和，I增大较快，如图 中虚线所示。 MI 2 47 2.I=f(n)转速特性转速特性 从计算从计算n的公式来分析，的公式来分析， 如不考

27、虑磁路饱和如不考虑磁路饱和 所以所以 即即 电源电压恒定，电源电压恒定，E变化不变化不 大，而大，而取决于电机结构取决于电机结构的的 a，p，N也是固定不变的。也是固定不变的。 故故 nI=常数常数 转速特性是一条双曲线转速特性是一条双曲线 I pIN Ea n 60 pN Ea nI 60 48 3.n=f(M)机械特性机械特性 从从I=f(M)和I=f(n)的曲线 中，可以得到同一I下的转矩 M和转速n值，从而可画出两 个机械量机械量关系曲线n=f(M) ， 即机械特性。 机械特性为双曲线双曲线表明， M增大时，n下降;M减小时， n上升.其特性很软，称软特软特 性性又称串激特性又称串激特

28、性。这是因为M 增加，(1)电枢电流I必定增 大，此时电阻压降增加，E减 小，转速下降;(2)电枢电流 和激磁电流增大，主磁通增加， 因而转速更快下降。 49 设计时设计时输出功率P，输出转矩M和转速n之 间应满足 P=Mn/9.56(W) 当要求M，n和P均为某一额定值时，既满 足上式，又应在机械特性(取决于电机参数 和结构)上，因此转速上下变化应符合容差 要求。 式中: -转矩常数，决定于电机结构， -磁通滞后电流角度 tICT mmT 2coscos T C a pN CT 2 50 对于交直流两用电机，交流比直流特性 还要软。空载时两者转速比较接近，满载工 作时，交流要比直流时转速低交

29、流要比直流时转速低。额定转速越 低，相差越大。交流供电频率越高，相差也 越大。 cos n n 该近似公式表示，在两种不同电源下运行时转速变化 (1)交流比直流时转速低转速低，转速转速越越低低，功率因数越低。，功率因数越低。 (2)转速转速比较高，功率因数也就比较高，两曲线比较比较高，功率因数也就比较高，两曲线比较 接近。接近。 51 N U N U75. 0 直流直流 交流交流 M n 0 M n 0 N U5 . 0 不同电源电压下机械特性不同电源电压下机械特性交直流两用电机交直流两用电机 不同电源电压下机械特性变化，电压下降，特 性曲线往下移，转速下降。依此可调节电压进行 调速。 52

30、M较小时,功率因数较大， M增大时，功率因数有所下 降，这是因为M增大时电流 也增大，电抗压降也增大， 同时由于机械特性很软，M 增大，n下降很快，因而反 电势E减少，因此 增大， 功率因数减小。 单相串激电动机的功率因 数较高，一般在0.9左右， 速度提高，功率因数也提 高，高速电机达0.95，曲线 下降较平缓。 Mfcos 4.功率因数特性功率因数特性 53 第三章 单相串激电动机的转子绕组单相串激电动机的转子绕组 相串激电动机的单迭绕组。激电动机的单迭绕组。 54 3.1.直流电机转子绕组的迭绕组和波绕组直流电机转子绕组的迭绕组和波绕组 n电枢绕组由形状相同的线圈单元组成，线圈有多股电枢

31、绕组由形状相同的线圈单元组成，线圈有多股 线绕制而成，每一线圈有两个圈边，放在相邻不同线绕制而成，每一线圈有两个圈边，放在相邻不同 极性的极面下，一个线圈有两个端头，分别联接在极性的极面下，一个线圈有两个端头，分别联接在 两个换向片上，每个换向片又与两个线圈的端头相两个换向片上，每个换向片又与两个线圈的端头相 连，所以连，所以各线圈通过换向片串联起来各线圈通过换向片串联起来，是一个，是一个闭合闭合 绕组绕组(其它交流电机是开启绕组其它交流电机是开启绕组) 。 n由于线圈两端联接换向片的位置不同，也即线圈间由于线圈两端联接换向片的位置不同，也即线圈间 联结有不同联法，因而绕组型式不同，可分为联结

32、有不同联法，因而绕组型式不同，可分为:迭迭 绕组和波绕组绕组和波绕组两大类。两大类。 55 56 3.1.1.迭绕组迭绕组 n一个线圈的两个端头一个线圈的两个端头(始端和末端始端和末端)接在相邻的两接在相邻的两 个换向片上个换向片上，而第二个线圈的，而第二个线圈的始端始端与笫一个线圈与笫一个线圈 末端相联接末端相联接，一个线圈相对于前一线圈仅移过一，一个线圈相对于前一线圈仅移过一 个槽，彼此串联，形成闭合绕组，其相邻线圈端个槽，彼此串联，形成闭合绕组，其相邻线圈端 部是重迭的，称之为迭绕组。部是重迭的，称之为迭绕组。 n迭绕组相邻两线圈是串联的，逐一对各磁极下的迭绕组相邻两线圈是串联的，逐一对

33、各磁极下的 线圈依此联接，因此有一对磁极，就有一对并联线圈依此联接，因此有一对磁极，就有一对并联 支路，有一对电刷。支路，有一对电刷。 n以上是以上是单迭绕组单迭绕组，当相邻两线圈所联换向片不是，当相邻两线圈所联换向片不是 一片，而是二片或多片时，称复迭绕组。一片，而是二片或多片时，称复迭绕组。 57 58 3.1.2.波绕组波绕组 n这种绕组绕组的线圈两个端头是接到相当于两个极的线圈两个端头是接到相当于两个极 距的换向片上，中间相隔比较多的换向片，同距的换向片上，中间相隔比较多的换向片，同 样一个换向片连接两个线圈的末端和始端，串样一个换向片连接两个线圈的末端和始端，串 联在一起，这样串联联

34、在一起，这样串联P(极数极数)个线圈后，回到个线圈后，回到 原线圈始端相邻换向片处，相邻线圈连接成波原线圈始端相邻换向片处，相邻线圈连接成波 浪形，称为浪形，称为波绕组波绕组。 n这这种绕组绕组是把各极对下线圈都串起来，因此无是把各极对下线圈都串起来，因此无 论极对数多少，并联支路数只有一对。论极对数多少，并联支路数只有一对。 n以上是单以上是单波绕组波绕组，如回到原点是相隔二片或更，如回到原点是相隔二片或更 多片，称为复多片，称为复波绕组波绕组。 59 60 3.1.3.迭绕组和波绕组比较迭绕组和波绕组比较 n迭绕组和波绕组在电气上差异，主要在于并联支迭绕组和波绕组在电气上差异，主要在于并联

35、支 路数的多少。路数的多少。 n迭绕组迭绕组: 磁极数磁极数=并联支路数并联支路数=电刷数电刷数 可适用于较大功率电机可适用于较大功率电机。 n波绕组波绕组: 并联支路数少，串联线圈多，适用于较并联支路数少，串联线圈多，适用于较 高电压较小电流电机高电压较小电流电机。 61 3.2.单相串激电动机实用的单迭绕组单相串激电动机实用的单迭绕组 n单相串激电动机普遍采用单迭绕组普遍采用单迭绕组，原因是单 相串激电动机输出功率不大(大多200-500W) ， 转速较高，批量大。采用一对磁极，用单迭绕 组线圈端联结方式较为简便，联结到换向片的 方式也方便，便于下线工艺，有利于批量生产。 1.单相串激电动

36、机中所用的单迭绕组 (1)采用漆包线直接绕在转子铁心槽中，线圈二个 线头不用弯到二个圈边中间引出，而是直向引 出，使线圈边所在转子槽位置与换向片在圆周 上位置一致，所以电刷位置可放在几何中心线 上，而不是磁极中心线上(简称简称“借偏借偏”)。 62 (2)实槽数Z与虚槽数 ，实槽内线圈边并列对数 因此，虚槽数虚槽数=换向片数换向片数=线圈数线圈数 习惯上称一槽二片或一槽三片，就是指一个实槽 中有二个或三个虚槽。这样可以减少转子实槽数， 又能邦助换向。 ZUZ Ze e Z Z U 63 2.绕组的节距 实槽后节距实槽后节距 。后节距为一个线圈的二个圈边间 的距离。当用实槽数表示 式中为两极电机

37、(Z/2) ，实槽节距必须是整数，实 槽节距小于极距称短距短距，等于极距称全全(整整)距距， 大于极距称长距长距。实用中 为短距，线圈两边 电势相加有小的相角差，所以不宜短得太多。 虚槽后节距虚槽后节距 。当一个线圈的二个圈边间的距离 以虚槽数来表示，也即用换向片数表示 No Image s y 2 Z y s 1 Z e U Z y 2 1 1 y 64 65 换向器节距换向器节距 一个线圈两个端头在换向器上跨距， 以换向片数表示。单迭绕组，单迭绕组， 合成节距合成节距 y 为两个相邻串联线圈对应边在换向器 上跨距，以换向片数表示。单迭绕组，单迭绕组， 前节距前节距 又称第二节距。为线圈后一

38、边与相串联 线圈的前一边间距离，以虚槽数或以换向片数表示。 k y 1 k y 1 k yy 2 y yyy 12 66 3-3绕组图绕组图 1.单迭绕组放射图单迭绕组放射图 从换向器端看绕组接从换向器端看绕组接 线情况，较直观讲原线情况，较直观讲原 理时采用。绕组参数理时采用。绕组参数 10,10Z,10 e1 kUZ Z 1, 3, 4, 4 21 ks yyyyy 10,10, 1,10kZUZ eZ 67 2.单迭绕组展开图单迭绕组展开图 展开图将转子展开成展开图将转子展开成 平面，在平面视图上平面，在平面视图上 将绕组接线表示出来。将绕组接线表示出来。 有用于生产图纸有用于生产图纸。

39、绕绕 组参数组参数 20,20, 2,10kZUZ eZ 20,20, 2,10kZUZ eZ 1, 7, 8, 4 21 ks yyyyy 68 实用单迭绕组展开图单迭绕组展开图(虚槽，实槽等虚槽，实槽等) 69 第四章第四章 换换 向向 n单相串激电动机换向是运行中的一个突 出问题，换向条件比较直流电机困难， 对于高转速高转速，又是交流电交流电供电情况下换 向，增加了换向的复杂性。 n本章由简简到繁繁分析换向的机理，产生火 花的原因和改善的措施。 70 上图上图直直流电机电机转速电机转速 14000r/min，换向片数，换向片数 24，电刷宽度为换向片的，电刷宽度为换向片的 1.4倍，则换

40、向时间为倍，则换向时间为 s000125. 0 24214000 4 . 160 下图下图单相串激电动机定单相串激电动机定 转子线圈电流变化曲线，转子线圈电流变化曲线， 交流电频率交流电频率50Hz，交变，交变 周期周期0.02s，一周内完成，一周内完成 多次换向多次换向。 71 4-1.直流电机的电阻换向直流电机的电阻换向 n直流电机在理想情况下换向称直线换向。直流电机在理想情况下换向称直线换向。 此时换向电流回路中只有此时换向电流回路中只有电阻电阻，不存在电，不存在电 感，换向元件中感，换向元件中无感应电势无感应电势。 n换向过程中，回路中电阻主要是换向片与换向过程中，回路中电阻主要是换向

41、片与 电刷间接触电阻，忽略其它电阻，电刷间接触电阻，忽略其它电阻， 式中式中: 分别为换向片分别为换向片1和和2与电刷的接触与电刷的接触 电阻。电阻。 0 2211 riri 21和r r 72 73 由于接触电阻与接触面积成反比 式中: 分别是换向片1和2与电刷接触面积。 如图分析换向过程分析换向过程，假定电刷宽度等于换向片宽度 图图(a) ，换向前，换向片1与电刷全接触，流过电刷 电流为右边和左边线圈中电流之和 换向线圈(换向片1,2间)中电流方向左， 图图(b) ，转子继续旋转，当电刷处于两换向片之间， 流过电刷电流仍为 ,换向线圈中电流为零。 1 2 2 1 r r i i 2 1 1

42、 2 S S r r 2 1 2 1 S S i i 21和S S a ii2 1 a iiiSS 2121 , a i 2 a ii 74 图图(c) ，转子继续旋转，换向片2与电刷全接触，电 刷电流不变，换向线圈(换向片1,2间)中电流大小同 (a) ，方向向右，与(a)相反。换向线圈中电流换向线圈中电流i换向换向 过程结束。过程结束。 从电刷与换向片1全接触到与换向片2全接触，这段 时间称为换向周期换向周期T。 换向开始后，换向片2与电刷接触面积，随时间增 大而增大，当T时，电刷与换向片2全接触 式中: -换向器表面线速度 t -换向开始后时间 -换向片长度 C tLS 2 C L 75

43、 换向片1与电刷接触面积 所以 联立解 得 表示换向电流i与时间t成直线关系，称直线换向直线换向。 C LtTS 1 t tT S S 2 1 t tT i i 2 1 a iii2 21 T tT ii a 2 1 T t ii a 2 2 a a a it T i iii 2 2 76 图可作以下分析 (1)直线斜率为 (2)斜率可表征电刷电流密度斜率可表征电刷电流密度大小，因斜率与电流密 度成正比。 前刷边电流密度 后刷边电流密度 因此 (3)当t=T时，换向结束，此时 说明电刷与换向 片脱开时，无电流流过，所以是无火花换向。无火花换向。 t i tT i T i tgtgtg a21

44、21 2 2 2 2 2 1 tg LtL i S i CC 1 1 2 2 S i S i 1 1 1 1 1 tg LtTL i S i CC 0 1 i 77 4-2.延迟换向与超前换向延迟换向与超前换向 n电阻换向是理想情况，实际线圈有电感， 线圈中还有感应电势。 1.延迟换向延迟换向 换向换向线圈中电流变化，由此产生磁通大小， 极性也变化，导致线圈中产生电抗电势， 被电刷短路的回路中 与电阻换向相比多了一个阻换向相比多了一个电抗电势，电抗 电势性质是力图阻止换向换向线圈中电流变化。 x eriir 221 78 21 tgtg a ii a i 电抗电势电抗电势作用: 在闭合的换向换

45、向回路中，除了有 电阻换向阻换向电流外，增加了一个 环流，它的变化趋势与电阻换换 向向电流相反，因而使换向线圈换向线圈 中中电流改变方向时间延迟了， 换向向电流到零的时间大于T/2。 这时两电刷上电流密度不同， 后刷边电流密度大于前刷边 电刷滑出处可能产生火花电刷滑出处可能产生火花。 若换向结束时，电流不为 而是突然断开，强制变为 就会产生火花火花。 a i 79 2.超前换向超前换向 换向向线圈中除了电抗电势抗电势 外，还有外，还有换向向线圈切割外 界磁场产生的旋转电势旋转电势， 此电势又称换向电势换向电势 旋转电势的方向，取决于 外界磁场极性，可和电抗抗 电势电势同相，也可反相，从 改善换

46、向看， 有利于克服延迟换向，若 换向向电势大于电抗电势，抗电势， 将会产生超将会产生超前换向，会使 电刷前刷边电流密度比后 刷边大，也会产生火花。 ax eeriir 221 No Image ax eeriir 221 反相与e xa e 80 4-3.单相串激电动机的换向单相串激电动机的换向 n直流电机的换向理论同样适用于流电机的换向理论同样适用于 单相串激电动机单相串激电动机，但有以下特点但有以下特点: 单相串激电动机电源是交流电， 按电源频率交变。交变交变定子磁通, 恰好穿过换向向线圈，在换向线圈 内产生感应电势，称变压器电势变压器电势。 81 一般大于电抗电一般大于电抗电 势，在闭合

47、势，在闭合换向向线 圈中产生环流较大环流较大， 对换向影响也较大， 并无法抵消其影响。 三种电势三种电势的相互关 系，以及影响换向 程度。用向量图表 示: 82 电抗电势电抗电势与与电流I同相 定子磁通 与电流I同相 转子横轴磁通 与电流I 同相 旋转电势旋转电势 变压器电势变压器电势 是由于交变是由于交变 的磁的磁通产生，因此滞后 三个电势合成合成e的存在， 恶化了换向恶化了换向。 d No Image d q 反方向与ex a e t e 0 90 d 83 特别说明特别说明几个问题: 三个电势中，只有变压器电势是正弦量交变 频率是电源频率，而电抗电势和换向电势频 率决定于转子转速，三个电

48、势交变频率不同， 因此不符合画向量图条件。 电抗电势与电流I同相也是有条件的有条件的。按感应 原理，电抗电势滞后此变化电流90度，这对 正弦量而言，而换向电流可分解成很多不同 频率的正弦量。由于换向时间很短(如前例 0.125ms)，与变压器电势交变周期(当电源频 率50Hz周期为0.02s)相比可忽略不计，所以 可看成与电流同相位。 84 形象分析几种电势对 换向影响。 电抗电势所形成环流电抗电势所形成环流 换向电势所形成环流换向电势所形成环流 两种环流方向相反，两种环流方向相反， 可相反抵消一部分。可相反抵消一部分。 当当 为延迟换向为延迟换向 当当 为超前换向为超前换向 ex i ex

49、i ea i eaex ii exea ii 85 变压器电势所形成环流 对换向影响。变压器电 势按电源频率交变，滞 后于电流90度。 图中画出两个换向期间， 1中 幅值较小，处于 负值，相当于加快换向 环流作用;2中 幅值较 大，处于正值，相当于 阻止换向环流作用，成 为延迟换向。所以变压变压 器电势所形成环流对换器电势所形成环流对换 向影响难以控制向影响难以控制。 et i et i et i 86 4-4产生换向火花的原因产生换向火花的原因 1.电磁因素电磁因素 (1)换向线圈内环流换向线圈内环流，将使，将使 电刷上电流密度不等， 在电刷滑出或进入处产 生火花。 (2)片间电压过高及电枢

50、反片间电压过高及电枢反 应影响应影响。片间电压平均。片间电压平均 值值 K E K E Ep 2 2 87 实际各换向片间电压 不相等，e=BLv各线圈 所在空间位置B不同， 产生电势大小也不同。 气隙空间磁场分布如 图示，电枢反应电枢反应使一半 极面(前极尖)下B增加， 另一半极面(后极尖)下 B减少，总量略有减少 (磁场饱和去磁作用)。 从而各换向片间电压不 相等，最大可高出平均 值1.7-2.5倍，产生火 花。 1.定子定子磁通磁通密度密度B 2.转子转子磁动势磁动势F(B未画未画) 3.定转子定转子合成磁通合成磁通密度密度B 88 89 2.机械因素机械因素 (1)转子动平衡不良。高速

51、 时剧烈振动，产生跳火。 (2)换向器偏心或不圆。运 行中换向器发热，在热 和离心力作用下造成偏 心或不圆。 (3)电刷弹簧压力不够，也 非越大越好，保持适宜 范围，使电刷换向器很 好接触，如30000Pa左 右，高速及较小截面电 刷电机，压力更高些。 90 (4).刷盒与电刷配合不好. 刷盒与电刷配合，应使 电刷在刷盒内上下滑动上下滑动，以致在旋转中产生振动 时，保证电刷与换向器有良好接触。也不宜太松， 造成跳动，引起火花。 3.化学因素化学因素 换向器上氧化膜氧化膜有很必要，有两层薄膜组成， 一层是氧化薄膜一层是氧化薄膜(主要是氧化亚铜主要是氧化亚铜)，是换向器铜排 在空气中氧化形成，而且

52、还由于运转时电流流过 电刷换向片，使换向器表面水膜产生电解形成。 单相串激电动机换向器极性交替，又是交流电，单相串激电动机换向器极性交替，又是交流电， 从而便氧化还原交替发生，增加了回路电阻，对从而便氧化还原交替发生，增加了回路电阻，对 改善换向，降低火花有利。改善换向，降低火花有利。 91 二是炭素薄膜二是炭素薄膜，由于旋转中从电刷上磨下，由于旋转中从电刷上磨下 的石墨炭粉，吸附了水份而形成。这层的石墨炭粉，吸附了水份而形成。这层薄薄 膜膜能对磨擦起润滑作用，减少磨擦系数和能对磨擦起润滑作用，减少磨擦系数和 磨擦损耗。磨擦损耗。 运行中，氧化层在不断被磨损及还原中，运行中，氧化层在不断被磨损

53、及还原中， 同时又在被氧化而加厚，最终达到动态平同时又在被氧化而加厚，最终达到动态平 衡。但当周围空气非常干燥而缺乏水分，衡。但当周围空气非常干燥而缺乏水分， 会影响氧化膜生成，使换向恶化。当周围会影响氧化膜生成，使换向恶化。当周围 有氯气与水分化合物生成盐酸，会消除氧有氯气与水分化合物生成盐酸，会消除氧 化亚铜，破坏氧化层。化亚铜，破坏氧化层。 92 4.环火和故障性火花环火和故障性火花 当电机沿负载剧烈改变时，电枢电流突然 增大，电抗电势过大，产生过分延迟换向， 后刷边产生强烈火花，形成电弧，沿换向 器圆周表面，拉长电弧与火花汇合，导致 两电刷之间发生环火。 如果电机发生故障，如定,转子绕

54、组短路， 断路，接地等，也会使电机出现火花，称 为故障火花。 93 4-5.换向火花等级换向火花等级 n火花等级划分按火花征状和对花等级划分按火花征状和对换向器及电刷 损伤情况分 n不大于 级时，换向器及电刷均无明显损伤 n2级时，换向器上有用汽油不能擦除黑痕，电 刷上也存灼痕，但电机仍能正常运转。 n3级时，换向器及电刷有严重损伤，可能产生 环火，电机不容许继续运转。 2 1 1 94 95 4-6 .改善换向的措施改善换向的措施 n本节着重介绍减小电磁因素造成火花措施。 1.减小换向线圈内电抗电势减小换向线圈内电抗电势 电抗电势正比于换向线圈电感及电枢电流，电抗电势正比于换向线圈电感及电枢

55、电流， 反比于换向周期，对于功率大小，转速己定反比于换向周期，对于功率大小，转速己定 电机，只有降低电感电机，只有降低电感L来改善换向，如减少来改善换向，如减少 换向线圈匝数，采用较短转子槽和较短铁心换向线圈匝数，采用较短转子槽和较短铁心 叠压。叠压。 T i Le a x 2 m R N I L 2 96 2.利用换向电势来抵消电抗电利用换向电势来抵消电抗电 势势 要使要使 可从所产生环流与换向后电流可从所产生环流与换向后电流 方向一致来难断磁场极性。方向一致来难断磁场极性。 图图(a) ，所示磁场和流入电流，所示磁场和流入电流， 按电动机原理，左手定则，按电动机原理，左手定则， 决定转速方

56、向为逆时针。决定转速方向为逆时针。 图图(b) ，画出两导体电流为换向，画出两导体电流为换向 前的，利用右手定则推出磁前的，利用右手定则推出磁 场极性，如图中虚线所示。场极性，如图中虚线所示。 可见，可见，为改善换向，换向区为改善换向，换向区 域内磁场极性应和线圈未进域内磁场极性应和线圈未进 入换向区域磁场极性相同。入换向区域磁场极性相同。 方向相反与ex a e 97 常用常用单相串激电动机单相串激电动机不加不加换换 向向极，而用以下两种方法来极，而用以下两种方法来 实现。实现。 (1)逆转子旋转方向移动电刷移动电刷位 置。使转子未到几何中心线 就开始换向。 不利一面(a)定子磁场作用 到转

57、子上有效磁通减少，效 率降低，转速升高。 (b)移 动电刷过大，改善换向作用 并不增加，因为它对变压器 电势产生环流无效。一般电 刷位移角为10-26度。 98 (2)借偏转子线圈到换向片的接线借偏转子线圈到换向片的接线 大多数单相串激电动机的电刷是不能移动的，为了 达到移刷效果，可转子线圈接到换向片的位置借借 偏偏一个角度。 将接线顺转向偏前1-2个换向片，与电刷逆转向移 后一个角度是等效。 如何进行接线借偏借偏，以及如何计算借偏借偏角度。首先。首先 定一个转子槽内线圈中心线槽内线圈中心线，然后，然后定出槽中心线槽中心线 及换向片位置。两个中心线中心线落在换向片上的间距， 就是移片数。 具体

58、做法如下: 99 100 图4-16中,图(a) ，为一槽两线圈(两个换向片)转子， 图(b) ，为一槽三线圈(三个换向片)转子。将相邻将相邻 槽内的与本槽线圈相连接的第一个线圈边合在一槽内的与本槽线圈相连接的第一个线圈边合在一 起，并把连到起，并把连到换向片的连线作为基线，这几个连 接线的中心，就是线圈中心线线圈中心线。 图4-17中,图(a) ，为一槽两个换向片的转子，图(b) ， 为一槽三个换向片的转子。换向片的片中心应对 准槽中心线槽中心线。 两个中心线位置及换向片位置确定后，按接线借 偏要求，来决定线圈应接到那一换向片上。图4- 18(a)为一槽两个换向片的转子，接线顺旋转方向 借偏

59、一个换向片;图(b) ，为一槽三个换向片的转 子，接线顺旋转方向借偏一个半换向片。 101 以上移电刷和借偏方法，只适用于一种转向的电 机，否则反转换向严重恶化。对于正反转电机，正反转电机， 电刷放在几何中心线上，线圈连到换向片的接线 不借偏。 (3)元件短距的影响元件短距的影响 a)由于磁极中心处磁密比边缘部分高，元件短距 会使换向电势大于电抗电势，产生超前换向。 b)由于短距使上下元件边不同时进行换向，削弱 互感电势的影响，有利换向。 但是，短距后会减少线圈中磁通量，从而减小电 机电磁转矩，因此短距不能太大。 102 3.减小电枢反应影响，限止气隙磁场波形过多畸变减小电枢反应影响，限止气隙

60、磁场波形过多畸变 为了减小电枢反应影响为了减小电枢反应影响，可加强定子磁场，相对削弱可加强定子磁场，相对削弱 转子磁场转子磁场。定子磁势定子磁势:2WI，而转子磁势，而转子磁势:NI/4 定转子安匝比定转子安匝比: 定转子安匝比宜控制在定转子安匝比宜控制在0.85-1.3，大一点对换向有利大一点对换向有利， 过大则铜耗过大，效率下降。过大则铜耗过大，效率下降。 4.限止变压器电势限止变压器电势 变压器电势往往比换向线圈内其它电势大，而且无法变压器电势往往比换向线圈内其它电势大，而且无法 抵消，变压器电势为抵消，变压器电势为 只有减少每元件匝数只有减少每元件匝数 设计经验设计经验，变压器电势不超