串激电机基本原理..

巡山小妖精
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2021年02月11日 03:57
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-

2021年2月11日发(作者：欧美经典摇滚歌曲)


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


)

< p>
及散热风叶组成


.


定子由定子铁芯和套

< p>
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


,

< p>
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

< p>
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



串激电机基本原理



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

< br>,


致使上、下定子产生的磁场同向


,

这是必须保持一致


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


.

< p>
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

< br>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

< p>
,


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

< p>
.


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

< br>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


(

< p>
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

< p>
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


)


8


1


2


8


1


2


8


1


2


串激电机基 本原理



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


,< /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

< p>
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

< p>
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


,

< br>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


:


e


a



2


W



V



L



B


aq



W


–––


换向组件匝数



串激电机基本原理



V


–––


电枢线速度


; L


–– –


铁芯长


;B


aq

–––


交轴电枢反应产生的磁密


.


其中


B


aq



W


．


i


a


,


则


e


a



W


2



V



L



i


a


.










可见


e< /p>


a


的大小与组件匝数平方、


线速度及电流 成正比


;


旋转电势


e

< br>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


.


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


.


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


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


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


m


与交轴旋转< /p>


电势


e


a


及电抗 电势


e


r


的方向相反

< br>,


这样就出现


(e


a

< p>
+e


r


-e


m

< p>
)


使换向需释放的能量


p


减小


,


从而


改善了火花


.


β


越大


,

< br>使得


e


m


越大

< br>,


则出现


e


m

< br>>>(e


r


+e


a


),


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< /p>


,


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


.

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