串激電機(jī)基本原理

1、概述: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(lái)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

2、 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 Hz;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)速圍廣：它的轉(zhuǎn)速圍為300040000RPM,在同一電機(jī)上采用多個(gè)抽頭可得到較寬的調(diào)速圍.家用 電器正需要這種高轉(zhuǎn)速、寬調(diào)速圍的電機(jī).因感應(yīng)電機(jī)達(dá)不到高轉(zhuǎn)速（不大于3000 RPM）. 例如吸塵器，它需要高轉(zhuǎn)速在容器外形成負(fù)壓，以產(chǎn)生吸力.1.3.3啟動(dòng)力矩大，體積

3、?。寒?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) .一個(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)子繞組中分成上、下并聯(lián)支路流過，導(dǎo)流的轉(zhuǎn)子線圈在外部1（圖二）磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生力，從而使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，銅

4、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(lái)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1和反向磁通2,而對(duì)于串勵(lì)電動(dòng)機(jī)，其力矩方向由電流I及磁通兩個(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)，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

5、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1和2 .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T1,反之則產(chǎn)生負(fù)向T2.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(wú)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的大小和方向保持為恒定,即及I在空間上的相位必須恒（圖四）2iav2iaf（瓜司定假使轉(zhuǎn)子

6、沿著軸向旋 轉(zhuǎn),而導(dǎo)體流過的電流卻 仍未換向，則作用力便無(wú) 法維持恒定，上述狀況便 無(wú)法成立,這就需要換向 電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，使每一組件 邊在經(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)

7、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，組件8的下組件邊及組件2的上組件邊也合為2ia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)?i.,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Tk一 6.25x10 4秒.12000x82.4引起換向火花的原因?qū)τ诖畡?lì)電動(dòng)機(jī)，其換向周期特短，一般在10-4秒級(jí).在這么短的時(shí)間，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

8、組件所 具有能量為：P=（e r+e a）i+e kti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ekt三 8V,（er+e a）三 4.5V.241電抗電勢(shì)er在換向周期Tk,換向組件中電流由+ia變到-ia,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)eL；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.,di , 2iaereL emLLr dtTk其中Lr為換向組件的等效漏電感.Lr W2? W -向組件之匝數(shù)，L-電樞

9、鐵芯長(zhǎng).即erW2 L俎.這說明電機(jī)同一組件，其匝數(shù)越多，轉(zhuǎn)速越高，電流越大，則電抗電勢(shì)就愈大.Tk2.4.2 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)d及電樞繞組產(chǎn)生 的交軸電樞磁場(chǎng)aq,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)大小為：ea 2W V L BaqW -向組件匝數(shù)V -電樞線速度;L-芯長(zhǎng);Baq -交軸電樞反應(yīng)產(chǎn)生的磁密.其中Baq W . ia ,則 eaW2 V L ia.可見ea的大小與組件匝數(shù)平方、線速度及電流成正比；旋轉(zhuǎn)電勢(shì)ea與電抗電勢(shì)er方向 相同,總

10、是企圖阻止換向組件電流的變化，使換向延遲.2.4.2.2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B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)em.它們符合右手安 培定則.B角越大，em越大且em的電勢(shì)方 向同er的相反.2.4.2.3變壓器電勢(shì)ekt換向組件軸線與主磁場(chǎng)軸線重合，脈振主磁場(chǎng)d與換向線圈匝鏈，產(chǎn)生變壓器電勢(shì).ekt 4.44 fW d因d與換向組件匝鏈，故ekt數(shù)值很大，且比(er+ea)大.其中：W -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B角后，換向組件產(chǎn)生的直軸旋轉(zhuǎn)電勢(shì)em與交軸旋轉(zhuǎn) 電勢(shì)ea及電抗電勢(shì)er的方向相反，這樣就出現(xiàn)(ea+e r-em)使換向需釋放