串激电机基本原理
-
.
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<
/p>
,
将电能
转化为机械能
< br>;
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
、
2
20V
、
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
,<
/p>
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
(
图一
)
Tm
I
;.
.
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
< br>的
.
I
0
t
t
T1
2.2
<
/p>
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
<
/p>
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Φ
1
和反向磁通Φ
2
,
而对于串励
电动机
,
其力矩方向由电流
I
及磁通Φ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
,
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Φ
1
和Φ
2
.
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
T
1
,
反之则产生负向
T
2
.
这样就决定了
电机的正、反转方向
.
0
T
0
0
(
图二
)
T2
t
t
T1
0
T
0
T2
(
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<
/p>
.
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
.
1
2
3
8
1
2
I
8
1
2
8
1
2
如图一
,
欲使力矩
< br>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
2i
a
2i
a
2i
a
便无法维持恒定
,
上述状
况便无法
n
成立
,
这就需要换向
.
电枢旋转时
,
(
瓜き
)
;.
.
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
,<
/p>
并设碳刷宽稍大于一个换向
片的宽度
.<
/p>
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
,
< br>组件
8
的下组件边
及组件
1
的上组件边电流合为
2i
< br>a
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
< br>的下组件边及组件
2
的上组件边也合为
< br>2i
a
流出
;
< br>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
2i
a
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
.<
/p>
设此电机负
60
载转速为
12000RPM,
则
T
k<
/p>
6
.
25
x
10
4
秒
.
12000
x
8
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
10
-4
秒级<
/p>
.
在这么短的时间内
,
< br>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
r
+e
a
)i+e
kt
i
下面将逐一讨论这些引起火花的电势
.
只有明
齿顶漏磁通
槽漏磁通
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
,
< br>一般要求
e
kt
≦
8V,(e
r
+e
a
)
≦
4.5V.
(
瓜せ
)
2.4.1
电抗电势
e
r
在换向周期
T
K
内
,
换向组件中电流由
+i
a
变
到
< br>-i
a
,
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
e
L
;
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
e
m
.
2
i<
/p>
di
e
r
e
L
e
m
L
r
L
r
< br>a
dt
T
k
其中
L
r
为换向组件的等效漏电感
. Lr
W
2
‧
·
L
W
–––
换向组件之匝数
,
L
–––
电枢铁芯长
.
端部漏磁通
a
i
2
即
e
r
W
L
.
这说明电机同一组件
< br>,
其匝数越多
,
转速越高
,
电流越大
,
则电抗
电势就愈大
.
T
k
2.4.2
旋转电势
e
a
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
d
及电枢绕组产生
的交轴电枢磁场Φ
aq,
此时换向组件轴线
与主磁场轴线重合
,
当电机旋转时
,<
/p>
换向组件在
交轴电枢磁场中产生的旋转电势大小为
:
e
a
< br>2
W
V
L
B
a
q
W
–––
换向组件匝数
;.
.
V
–––
电枢线速度
;
L
–––
铁芯长
;B
< br>aq
–––
交轴电枢反应产生的磁密
.
其中
B
aq
W
．
i
a
,
则
e
a
W
2
<
/p>
V
L
i
a
.
可见<
/p>
e
a
的大小与组件匝数平方、
线速度及电流成正比
;
旋转电势
< br>e
a
与电抗电势
e
r
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<
/p>
.
2.4.2.2
电刷不在几何中性在线
:
如图七所示
,
当电刷偏离几何中性
N
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
e
a
;
又切割主磁场
,
产
生对
应的旋转电势
e
m
.
< br>它们符合右手安
e
a
e
r
培定则
.
e
m
β角越大
, e
m
越大
.
且
e<
/p>
m
的电势方向
同
e
r
的相反
.
2.4.2.3
变压器电势
e
kt
换向组
件轴线与主磁场轴线重
S
合
,
脉振主磁场Φ
d
与换向线圈匝链
,
产生
变压器电势
.
e
kt<
/p>
4
.
44
fW
d
因Φ
d
与换向组件匝链
,
故
e
kt
数值很大
,
且比
(e
< br>r
+e
a
)
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
e<
/p>
m
与交轴旋转
电势
e
a
及电抗电势
e
< br>r
的方向相反
,
这样就出现
(e
a
+e
r
-e
m
)
使换向需
释放的能量
p
减小
,
< br>从而
改善了火花
.
β越大
,
使得
e
m
越大
,
则出现
e
m
>>(e
r
+e<
/p>
a
),
同样使能量
p
增大
,
不利换向
< br>,
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
.
;.