串激电机基本原理之欧阳科创编

1、欧阳科创编2021.02.05概述:时间：2021.02.05创作：欧阳科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

2、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 H乙不论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

3、）.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.133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. 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基本原理：如左图一,它是串励电动机的基本工作原理图.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

4、上、下并联支路流过，导流的转子 线圈在外部磁场作用下产生力，从而 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 必须保持一致的.2.2串励电动机为何能按设计方向连 续转动？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.如图中电流I,可产生磁通4和反向磁通6,而对于串励电动 机，其力矩方向由电流|及磁通e两个矢量决定.这就是定子绕线后接线的开口及交叉决定反正、转向的原因.正向电流如经绕组产生正向磁场，

5、则电机产生正向力矩，即正转.反之则反转. 如左图三，对于单相串励电动机,因电流 为交变的单相正弦波，则在定子中产生滞后 约1°5°的交变正弦波磁场,如图中5和5. 其电流与磁通矢量积决定了力矩方向，从而产生形象同于全波整流波的力矩波.当定子绕组顺绕时产生上半 部分力矩波，即产生正向的平均力矩匚反之则产生负向匸这样就 决定了电机的正、反转方向.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励电动机的换向火花是一个复杂而困 难的问题.如图一，欲使力矩Tm的大小和方向保n

6、（瓜紀芍为恒定，即e及I在空 上的相位必须恒定. H吏转子沿着轴向旋转, i导体流过的电流却仍 :换向，则作用力便无法 2持恒定，上述状况便无 成立，这就需要换向.I枢旋转时，使每一组件 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

7、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 欧阳科创编2021.02.05欧阳科创编2021.02.05件8的下组件边及组件2的上组件边也合为2L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-L 完成此换向过程的时间称为换向周期Tk.设此电机负载转速为 12000RPM,则 7；= = 6.25刘0"秒.2.4引起换向火花的原因12000.

8、V8对于串励电动机,其换向周期特 短,一般在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=(er+ea)i+ekti 下面将逐一讨论这些引起火花的 电势只有明了这些电势与各量间 的关系，才能有效地找到改善火花 的方法对于串励电动机，一般要求EW8V，e+ea)W4.5V.241电抗电势&在换向周期Tk内，换向组件中电流由+ia变到4,电流的变化引起漏磁通的变化(包括槽漏磁通、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比同 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.其中L为换

9、向组件的等效漏电感.Lr W2' LW换向组件之匝数，L电枢铁芯长.即厂叨这说明电机同一组件淇匝数越多，转速越高，电流越大, 则电抗电势就愈大.2.4.2旋转电势ea2.4.2.1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 场及电枢绕组产生的交轴电枢磁场Gaq,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ea=2W V L Ba（lW换向组件匝数V电枢线速度;L铁芯长;Baq交轴电枢反应产生的磁密.其 中 Baq W . ia,贝 IJocW2.VLifl.可见ea的大小与组件匝数平方、线速度及电流成正

10、比;旋转电势ea 与电抗电势&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.2.422电刷不在几何中性在线：如图七所示，当电刷偏离几何中性线一定角度P时，换向组件既切割 电枢磁场,产生旋转电势ea；又切割主磁场，产生对应的旋转电势缶.它 们符合右手安培定则.P角越大,缶越大.且缶的电势方向同Q的相反.2.423变压器电势比换向组件轴线与主磁场轴线重合，脉振主磁场5与换向线圈匝链， 产生变压器电势.5 =4.44用®因6与换向组件匝链,故比数值很大，且比大淇中：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

11、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P角后，换向组件产生的直轴旋转 电势缶与交轴旋转电势0a及电抗电势er的方向相反，这样就出现 6 +餌缶）使换向需释放的能量P减小，从而改善了火花$越大，使得务越大，则出现务 >>（巳十巳），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P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.厂、s I LLJ |l|2|la)i n 、 iN 、IIHhuHQ图八所示为换向组件产

12、生的（巳十引大,因而火花大;当碳刷逆转向 移动两片换向片时，产生的缶使（巳+论缶）二0（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:图表示对于整距绕组的欧阳科创编2021.02.05欧阳科创编2021.02.052.5.22.5.3电枢，此时换向火花好，即(ea4-er-em)=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 务(巳+eJ,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，使缶减小，从而达到(e

13、a+er-em)=0 的目的，改善了火花.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 e+ej,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1.52.0.增加每槽并列组件数皿即增加换向片数.在电机整体性能已定的条件下，即电枢

14、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色与换向 组件的匝数平方成正比，比与换向组件匝数成正比，故减小换向组 件匝数会大大降低(ea +引及去值.在电枢绕组总匝数已定情况下, 增加每槽并列组件数g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槽内.从电抗电 势e

15、的描述中可知，这时上下组件通过互感作用在各组件边中感应的互 感电势enJ曾大，使火花增大.当采用图中(2)的短距绕组时，虽然电磁力矩 稍有减小,但换向的上下组件边不在同一槽内，从而减小了缶降低了火花. 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.2-5.5增大气隙如图一所示,因交轴电枢反应在顺主磁场方向使直轴磁场增强，在0 A逆主磁场 方向使直 轴磁场减弱，如图十一中曲线2;结果 使主磁场 波形发生 畸变，如 图中曲线 3;主磁场 的畸变会影响换向组件中感应电势的大小，影响换向因气隙磁阻大，故增大气隙会削弱这种畸变，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

16、般取0.20.5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选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

17、阻率要求为:30,000100,000pQ.cm,能存 受的电密为10A/cm1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 300500g/c m.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 般选用含银的银铜合金加工光洁度一般在0.41.2间，跳动量一般 控制在5p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：对于直流串励电动机：E =冬動 E =“ -10-8(v)60"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每极气隙磁通量n电机转速对于单相串励电动机：

18、E =PN60岳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 +Ra电枢绕组电阻Rt激磁绕组电阻叽电刷与换向器间压降对单相串励电动机：U =Ux端电压有动分量Ur端电压无功分量3.1.3电磁力矩公式对于直流串励电动机:人严器 打；2兀a对于交流串励电动机:Tm=L= KINcos0此为平均力矩，非瞬时 力矩）其中：电枢电流超前主磁通的相角.3.1.4每极气隙磁通量为：殓极弧系数极弧长度5电压铁芯计算长气隙磁密3.1.5转速：略去电刷和换向器之间的压降%,则直流串励电动机的转速：对单相串励电动机,在略去和假设e二o的条件下有:U=UCOS叶 E + I屁+ RJ

19、血“COS0 /“(/?“+©)3.2电机主要参数之间的关系 3-2.1电负荷（线负荷）、电密及发热因子之间的关系.电负荷A定义:沿电枢圆周单位长度上的安培导体数称为电负荷.公式：心NI2a兀D欧阳科创编2021.02.05N电枢总导体数D电枢外径a电枢绕组的并联支路对数电密：一导体单位横载面积上通过电流的大小. d导体直径发热因子:电枢绕组的线负和导体电密的乘积AJ叫发热因子.它决 定了电机温升的高低.a.从上可见,在电流一定的条件下，对于整个电机有: 导线的横载越大,则温升越低；b电枢直径越大，则温升越低；c.电枢匝数越小，则温升越低.但在实际情况中,为了增大力矩，往往电枢匝数较大，使得电枢温升高 于定子线圈部位的温升.电机绝缘等级越高，允