串激電機(jī)技術(shù)

1、串激電機(jī)技術(shù)1第1頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日小型電機(jī)的分類、市場第2頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日電機(jī)的分類第3頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日小型電機(jī)的分類及定義小型電機(jī)的分類與定義（除玩具用電機(jī)）第4頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日小型電機(jī)的生產(chǎn)情況技術(shù)家電AV機(jī)器AV測試其它汽車相關(guān)圖1.6 各種用途的生產(chǎn)臺電機(jī)圖1.6 小型電機(jī)各種類的生產(chǎn)情況其它交流電機(jī)有刷直流電機(jī)DC伺服電機(jī)0.3%步進(jìn)電機(jī)5.2%無鐵心電機(jī)3.6%無碳刷電機(jī)4.1%其它直流電機(jī)15.2%感應(yīng)電機(jī)12.8%直流電

2、機(jī)交流電機(jī)第5頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日未來預(yù)測技術(shù)市 場圖1.7 各種小型電機(jī)的種別預(yù)測MM（有刷微型電機(jī)）BL（無刷電機(jī)）STP（步進(jìn)電機(jī)）SDC（DC&串激電機(jī)）1（單相電機(jī)）SHAD（罩極電機(jī)）LIN（線性傳動裝置、特殊電機(jī)）第6頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日電機(jī)的基本原理第7頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日交變磁場與旋轉(zhuǎn)磁場技術(shù)圖3.1交變磁場圖3.1旋轉(zhuǎn)磁場第8頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日力矩的產(chǎn)生原理圖3.5 夫累銘（fleming）左手法則最基本的電磁力是如圖3.5所示的

3、夫累銘左手法則而產(chǎn)生，當(dāng)磁場B中所置的長度為l的導(dǎo)體上流通電流I時，載流導(dǎo)體所受的作用力F為： F=IBl圖3.5 夫累銘左手法則第9頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日電機(jī)存在的3種力矩技術(shù) 電磁力中除了導(dǎo)體所受的作用力外，還有鐵心及永久磁石所受的作用力，嚴(yán)格來說，微小部分所受的作用力可用下式（3.13）來表示。 在這里，i：電流密度，B:磁密，H：磁場的強(qiáng)弱，ur：可逆透磁率，J：磁化的強(qiáng)度。 與此式中的3種力矩對對應(yīng)的有3項，與式(3.13)相同，第1項是載流導(dǎo)體所受的作用力，在后面會講到如果繞組向無鐵心電機(jī)一樣全部在磁場中，那么就可以考慮只有這種力在作用。第2項是鐵

4、心表面所受的作用力，在鐵心槽內(nèi)繞線的電機(jī)，基本上是以這種力在作用。第3項是永久磁瓦的磁極所受的作用力，永久磁瓦轉(zhuǎn)子因為受此力而轉(zhuǎn)動。第10頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日電機(jī)存在的3種力矩技術(shù) 但是，要用此式根據(jù)作用點的電磁力直接計算力矩一般是比較困難的，所以通常是使用虛功原理（移動微小距離時的工作與那時的磁場能量變化量是相等）根據(jù)積蓄磁氣能量Wm的變化，以下式(3.14)為基礎(chǔ)進(jìn)行計算的情況比較多。 氣隙面的吸引力（法向力）F是在氣隙長度的變化方向X、微分積蓄磁氣能量Wm而得出的。旋轉(zhuǎn)力矩（發(fā)生力矩）T同樣地是在旋轉(zhuǎn)方向、處微分積蓄磁氣能量Wm而得出。 這個計算的具體

5、方法就是終章中所示的FEM有限要素法解析。 如上所述，電機(jī)中有導(dǎo)體、鐵心、永久磁瓦這3個發(fā)生力矩的要因。 總之，電機(jī)上存在著含磁阻力矩、波動力矩的3種力矩發(fā)生要因。第11頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日法向力與切向力技術(shù)中所積蓄的能量，X是位移量，這叫做假相位移原理。電機(jī)的話，其力的發(fā)生是在氣隙面進(jìn)行的。圖(a)是表示氣隙附近的概略圖，在這里，W是磁氣能量，X是旋轉(zhuǎn)角或是氣隙長的變化。 作為發(fā)生力，與氣隙面垂直方向的吸引力Fn（叫做法向力Normal Force）絕對要多，但如圖(b)所示的圓筒結(jié)構(gòu)的對稱設(shè)計時，與上下、左右的氣隙面垂直所發(fā)生的磁氣吸引力相互打消，合成值

6、基本為0。與此相對的，與氣隙面平行的成分Ft（切向力Tangential Force）雖然只是法向力的幾分之1，但全周積分后的合成值便成了電機(jī)的發(fā)生力矩了。 作為一種物理現(xiàn)象的力F、其發(fā)生是遵循的大法則，在這里，W是磁場 法向力與切向力法向力與切向力第12頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日電機(jī)力矩的2個基本技術(shù) 在這里我們對電機(jī)力矩的2個基本做進(jìn)一步進(jìn)行思考。 首先，設(shè)想一下永久磁石間相互極引和排斥的關(guān)系，圖3.6中表示定子磁極（上側(cè)S-N2）和轉(zhuǎn)子（下側(cè)N1）的相對相位角和發(fā)生力矩的關(guān)系。 力矩發(fā)生的基本原理是異極相吸、同極相斥，總之讓上下磁極中心（磁瓦中心）保持一致而

7、產(chǎn)生力。圖3.5 力矩與相位角度的關(guān)系（力矩角）圖3.6 N、S磁瓦中心的偏移角與法向力的關(guān)系第13頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日直流電機(jī)（共通、關(guān)聯(lián)）第14頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖4.7 音響機(jī)器用微型電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖例 圖4.7中的微型電機(jī)，羅列其零部件名稱：軸、定子磁氣機(jī)殼、絕緣端 蓋、軸承、繞組、轉(zhuǎn)子鐵心、整流子、定子永久磁石、碳刷防 震用減震器、環(huán)形可調(diào)電阻。第15頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖4.8 有槽標(biāo)準(zhǔn)型DC電機(jī) 圖4.8中的有槽轉(zhuǎn)子DC電機(jī)，其結(jié)構(gòu)包括有槽轉(zhuǎn)子鐵心

8、、整流子、轉(zhuǎn)子繞組、碳刷、 永久磁石。 此結(jié)構(gòu)的特征是，轉(zhuǎn)子繞組與整流子片數(shù)做多，從設(shè)計上可提高電壓，輸出可做到幾十幾百W。第16頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日直流電機(jī) 繞組接線技術(shù)星形接線與三爪接線 對3槽電機(jī)的接線方式進(jìn)行簡單地說明，槽內(nèi)繞組所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓因其繞組的接線方式不同，輸給碳刷端子上的電壓也會不同。其代表性的接線方式如圖4.4的星形接線和三爪接線。 各槽內(nèi)的繞組感應(yīng)電壓e是相同的，但碳刷間出現(xiàn)的合成電壓(a)和(b)是不同的。星形連線圖(a)是通過N（稱為中性點）將各繞組的一端共同連接，所以碳刷端子上出現(xiàn)的電壓就只是2個繞組的和2e，而另一邊，三爪接線

9、中端子電壓是隨著繞組數(shù)的增加而增大。第17頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日碳刷與換向器例技術(shù) 碳刷 碳粉碳刷金屬黑鉛碳刷 碳素質(zhì)碳刷 黑鉛質(zhì)碳刷 電氣黑鉛碳刷 高金屬黑鉛碳刷圖4.18 根據(jù)碳刷的材料的分類低金屬黑鉛碳刷油煙系黑鉛系瀝表焦系蝕刻加工模具沖壓線性加工換向器的結(jié)構(gòu)第18頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日直流電機(jī)的基本式技術(shù)（1）直流電機(jī)的基本式 基于電磁感應(yīng)作用電機(jī)的一般式是遵循夫累銘左手或是右手法則，所以轉(zhuǎn)速、磁通、力矩、發(fā)生電壓間的關(guān)系式是以基本電壓方程式來表現(xiàn)。這不僅僅是限定于直流電機(jī)，一般的電機(jī)也可通用。 結(jié)論是以下列2條式子為

10、基本式。 （4.1）式從電壓方程式導(dǎo)出轉(zhuǎn)數(shù)n的關(guān)系式，kV/rpm是感應(yīng)電壓常數(shù)、是電機(jī)設(shè)計時決定的特有常數(shù)，Wb是主磁通量，VV是電源的外加電壓，IRV是電路的壓降。（4.2）式是發(fā)生力矩T的關(guān)系式，kT/A是力矩常數(shù)。力矩常數(shù)與感應(yīng)電壓常數(shù)k一樣是電機(jī)設(shè)計的特有常數(shù)，發(fā)生力矩T基本上是與主磁通量Wb和電流IA的積成比例。第19頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日直流電機(jī)的基本式技術(shù) 另外，電機(jī)的輸出和輸入功率有如下關(guān)系式： （4.3）式中是輸出功率的關(guān)系式，w.T是旋轉(zhuǎn)角速度wrad/s與力矩TN.m的乘積，這就是機(jī)械輸出功率。但是，從能量保存的法則上來考慮，機(jī)械輸出功

11、率與電氣輸出輸率是一樣的。這種情況，有效電氣輸出功率就是電機(jī)反電動勢（發(fā)生電壓）Er和電流Io的乘積。這也就可以根據(jù)能量保存法則從原理上來證明等效。第20頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日直流電機(jī)的等效電路技術(shù)圖4.5 DC電機(jī)的電壓等效電路 根據(jù)Eo與Er的電壓差E（=Eo-Er），這個閉合電路內(nèi)，流通有E=Eo-Er=Io.R的電流Io。直流電機(jī)的等效電路 機(jī)械輸出與電氣輸出功率的等效關(guān)系如圖4.5所示，Eo是外加電壓，Er是電機(jī)的反電動勢，E是電壓差，I.R是電阻部分引起的壓降，Io是電路電流。像這樣的電路稱之為DC電機(jī)系統(tǒng)的等效電路。 通常，電源電壓Eo與電機(jī)的反

12、電動勢Er間，有這樣的關(guān)系：圖4.5 直流電機(jī)電壓等效電路第21頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日直流電機(jī)的特性技術(shù)圖4.5 直流電機(jī)電壓等效電路 根據(jù)此等效電路，可以理解電機(jī)的性能。首先，將DC電機(jī)連接到Eu的DC電源上，因為最開始沒有旋轉(zhuǎn)，所以Er=0、E=Eo。當(dāng)全部電壓施加到串聯(lián)電路電抗R上時、流通Ia=Eo/R過大電流，產(chǎn)生很大的力矩。接著，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速開始上升時，電樞繞組內(nèi)發(fā)生反電動勢，相應(yīng)此部分E會減少。最后加速完成，最高轉(zhuǎn)速為恒定狀態(tài)，如果電機(jī)沒有損失、那么不要力矩，所以Io.R=0，即Eo=Er、不流通電流。 以上的關(guān)系如圖4.6所示。這是永久磁石電機(jī)中具

13、有代表性的它勵式DC電機(jī)的一般性能。換言之，也就是可以忽略電樞反作用及鐵心的飽和現(xiàn)象時的例子。圖4.5 直流電機(jī)電壓等效電路圖4.6 永久磁石DC電機(jī)的特性圖第22頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日直流電機(jī) 轉(zhuǎn)子角度與力矩技術(shù)電機(jī)的區(qū)分是以產(chǎn)生主磁通量的定子極數(shù)來表現(xiàn)的圖4.1 2極2槽DC電機(jī)圖4.2 2極3槽DC電機(jī)(a) 2極2槽DC電機(jī)圖4.3 轉(zhuǎn)子角度與產(chǎn)生力矩的關(guān)系(b) 2極3槽DC電機(jī)第23頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日交直流兩用電機(jī)第24頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日交直流兩用電機(jī)技術(shù) 交直流兩用電機(jī)（

14、universal motor），本來是對設(shè)計成交流或DC都可以使用的電機(jī)而定名的，但現(xiàn)在，雖然直流也可以使用，但基本是多數(shù)場合都是指交流用的電機(jī)。 此電機(jī)跟DC電機(jī)同樣，由帶整流子的轉(zhuǎn)子和產(chǎn)生主磁通量的磁場而構(gòu)成。與DC電機(jī)不同，因為是由交流而發(fā)生的交變磁場，所以為了控制鐵損、以防止發(fā)熱為目的而把所有的鐵心都疊積起來制作是其一大特征。另外，此電機(jī)為了提高效率及改善功率因數(shù)，有必要將轉(zhuǎn)子的磁動勢做得比磁場的磁動勢大。第25頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日交直流兩用電機(jī)的分類技術(shù) 交直流兩用電機(jī)的分類大致可分為下面的(1)(5)種類型，但小型電機(jī)主要是單相串勵電動機(jī)（串激

15、）電機(jī)使用得比較多，所以交直流兩用電機(jī)也可以當(dāng)成是串激電機(jī)來考慮，且串激電機(jī)這個稱呼比較普遍。在這里，除了介紹串激電機(jī)以外，其它的結(jié)構(gòu)也進(jìn)行簡單地說明。 (1)單相串勵電動機(jī)（串激電機(jī)，single-phase series motor） 此電機(jī)如圖4.34所示，是串激繞組F與轉(zhuǎn)子繞組A串聯(lián)接續(xù)的電機(jī)。(b)和（c）是帶有補(bǔ)償繞組的電機(jī)圖例，（c）表示補(bǔ)償繞組。這個繞組可以通過打消轉(zhuǎn)子電流引起的磁動勢而防止功率因素的降低，是為了改善整流而設(shè)計的。(b)是補(bǔ)償繞組與轉(zhuǎn)子串聯(lián)繞線，激磁是電氣角偏移90的一種設(shè)計，（c）由感應(yīng)作用而進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆绞?。?6頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3

16、分，星期日交直流兩用電機(jī)的分類技術(shù)以感應(yīng)作用補(bǔ)償與激磁串聯(lián)、90相位第27頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日交直流兩用電機(jī)的分類技術(shù)(2)單相并勵電動機(jī)（single-phase shunt motor) 這種類型如圖4.35所示，是指激磁F與電樞A并聯(lián)的電機(jī)。(3)單相復(fù)勵電動機(jī)(single-phase compound motor） 這種類型如圖4.36所示，是指并聯(lián)的兩個激磁F1和F2與電樞A串聯(lián)在一起的電機(jī)。圖4.35 單相并勵電動機(jī)圖4.36 單相復(fù)勵電動機(jī)第28頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日交直流兩用電機(jī)的分類技術(shù)圖4.37 單相排

17、斥電動機(jī)(4)排斥電動機(jī)(repulsion motor） 這種類型如圖4.37所示，僅在激磁繞組F上連接電源，電樞繞組傾斜于激磁方向，在與整流子接觸的碳刷間形成短路。受激磁繞組與電樞繞組的轉(zhuǎn)換作用而產(chǎn)生電動勢，電樞內(nèi)流通電流。因此電流與激磁磁通量的相互作用而得到轉(zhuǎn)矩。 如果把此碳刷向反方向傾斜，那么可以逆向旋轉(zhuǎn)。如果把激磁繞組分成與碳刷軸平行的成分和直角成分來思考，那么這個電機(jī)就可視作是與圖4.30所示（1）的感應(yīng)補(bǔ)償形串激電機(jī)一樣。第29頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日交直流兩用電機(jī)的分類技術(shù)(5)3相串勵電動機(jī)、3相并勵電動機(jī) 這些電機(jī)是將單相串勵電動機(jī)和并勵電動

18、機(jī)設(shè)計成3相繞組結(jié)構(gòu)，例如3相串激電機(jī)是如圖4.38所示的方式接線。圖4.38 3相串勵電動機(jī)第30頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日單相換向器電機(jī)的種類電気工學(xué) A：電樞繞組 F：激磁繞組 C：補(bǔ)償繞組：碳刷移動角 B1：固定碳刷 B2：可動碳刷Be：激磁碳刷 Ba：動作碳刷 77圖 單相換向器電機(jī)的種類(a)串勵式(b)補(bǔ)償串勵式(c)感應(yīng)補(bǔ)償串勵式 (d)排斥式 (e)排斥式(f)補(bǔ)償排斥式(g)并勵式(h)并勵式(i)雙重給電并勵式 (j)復(fù)勵式第31頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日串激電機(jī)的結(jié)構(gòu)技術(shù) 串激電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖4.39概略圖所示，

19、主要部件是定子和轉(zhuǎn)子，各部件的名稱如圖所示。此圖中省略了支撐定子、固定轉(zhuǎn)子軸承的端蓋。 串激電機(jī)如通常圖4.39所示，是2極結(jié)構(gòu)，在2個激磁繞組中間連接電樞繞組。定子鐵心轉(zhuǎn)子定子繞組整流子定子（激磁）定子繞組軸承軸轉(zhuǎn)子（電樞）電樞繞組電樞鐵心定子鐵心軸承碳刷骨架碳粉碳刷圖4.39 串激電機(jī)的結(jié)構(gòu)第32頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日單相串勵換向器電動機(jī)-結(jié)構(gòu)資料 2、結(jié) 構(gòu) 如果直接把直流用的串勵電動機(jī)作為交流用的話，會出現(xiàn)一些問題。交流 用的單相串勵換向器電動機(jī)，在做成如下的結(jié)構(gòu)后，也擁了很好的性能。 （1）因磁氣回路中的磁通量會交變、鐵損會變大，所以激磁上使用層疊鐵

20、心， 做成類似感應(yīng)電動機(jī)的定子的圓筒狀。 （2）因電樞及激磁繞組的電抗下降，功率因素會變得非常低，所以要減少激 磁繞組的匝數(shù)、縮小界磁束。為了補(bǔ)償為此而減少的轉(zhuǎn)矩，要增大電樞繞組的匝 數(shù)。因此，與相同額定的直流機(jī)相比，電樞變大，整流子片的數(shù)量也會變多。第33頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日單相串勵換向器電動機(jī)-結(jié)構(gòu)資料 （3）如果增加電樞的匝數(shù)，那么電樞的反作用將會變大，所以除了極小輸出的電機(jī)外，一般會設(shè)計成在4.7的5處所學(xué)補(bǔ)償繞線。 （4）由碳刷短路的繞組中，除4.3的4中所學(xué)由電抗產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢以外，因主磁通量的交變，還會感應(yīng)出受變壓器作用的電動勢，導(dǎo)致短路電流

21、變大，整流困難。為了改善此問題，采用接觸抵抗相對較大的碳刷。另外，在大型電機(jī)上設(shè)立補(bǔ)極、或是在電樞繞組和換向器片之間使用高電阻的導(dǎo)線連接，以限制短路電流。 第34頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日為何可AC、DC兩用？技術(shù) 串激電機(jī)的工作原理基本上與直流電機(jī)完全相同。但是，直流電機(jī)是主激磁 由永久磁石作成、有一定的方向，而串激電機(jī)是由激磁繞組形成，其方向及強(qiáng)度 隨時間的變化而不同。這兩種電機(jī)都是基于夫雷銘左手法則、受永久磁石或激磁 繞組形成的磁場與電樞繞組中的電流的相互作用，從而得到一定方向的轉(zhuǎn)矩。第35頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日為何可AC、

22、DC兩用？技術(shù) 此式中，f：根據(jù)夫累銘左手法則的電磁力N，D：電樞的直徑m，B：激磁磁極 的磁密Wb/m2，L:導(dǎo)體的有效長（電樞疊厚）m，I：導(dǎo)體電流A。 在交直流兩用電機(jī)上，電樞和激磁的電流方向是隨著電源的頻率而變化的，因 為其變化是在電樞和激磁上同時產(chǎn)生的，所以與直流電機(jī)的+碳刷和-碳刷端子轉(zhuǎn) 換的同時，永久磁石的N極和S極發(fā)生轉(zhuǎn)換是同樣的關(guān)系，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向可保持 一定。 如此，導(dǎo)體a承受的力矩t與直流電機(jī)相同可求得以下公式： 第36頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日為何可AC、DC兩用？技術(shù) 如果把電樞導(dǎo)體數(shù)作為z，那么電機(jī)整體的發(fā)生力矩為 在式(4.15)中代

23、入式(4.12)、(4.13) 和(4.13)的關(guān)系式后，表示如下 把當(dāng)作每1極的磁通量Wb，2P當(dāng)作極數(shù)（P是極對數(shù)），那么 另外，把ia當(dāng)作電樞電流，2a當(dāng)作電樞的并聯(lián)電路數(shù)時，第37頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日為何可AC、DC兩用？技術(shù) 式(4.19)中，電機(jī)力矩的平均力矩是P/4azmIm，隨電原頻率的2倍頻率而變化，可以理解為如圖4.40所示的變動力矩。圖4.0 電氣的發(fā)生力矩在這里，電樞電流ia是交流，所以 另一方面，忽略鐵損后， 式子可以這樣列。 在式(4.16)中代入式(4.17)和(4.18)后，第38頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3

24、分，星期日為何可AC、DC兩用？技術(shù) 串激電機(jī)是直流交流都可以得到同一方向轉(zhuǎn)矩的交直兩用電機(jī)，但在交流使 用時，磁場隨電源頻率進(jìn)行交變，所以為了控制渦流損等的鐵員，如前面所敘述的 必須注意要將定子鐵心進(jìn)行層疊的對策。第39頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日 換言之，交直流兩用電機(jī)也與DC電機(jī)一樣，其轉(zhuǎn)速因系統(tǒng)的等效電路即電壓方程式而被規(guī)定。電機(jī)的反電動勸勢Er不可能比電源電壓V0大，也就是說EoEr的關(guān)系式成立。另外其發(fā)生力矩與電樞電流ia的平方成比例的關(guān)系下節(jié)敘述。結(jié)論是電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速可以無限制在上升。 也就是說交直流兩用電機(jī)（串勵電機(jī)）的轉(zhuǎn)速因負(fù)載而決定，因此為了防止

25、轉(zhuǎn)速過高，需要下一些工夫，如在電機(jī)軸上安裝冷卻風(fēng)扇以避免高轉(zhuǎn)速時的超速。轉(zhuǎn)速的基本式技術(shù) 根據(jù)夫累銘右手法則，磁密BWb/m2的磁場中，長Lm的導(dǎo)體以vm/s速度運動時，此導(dǎo)體上所感應(yīng)的電動勢為：如果把電機(jī)的轉(zhuǎn)速作為Nrpm，那么將式（4.21）代入式4.20中，那么第40頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日交直流兩用電機(jī)的性能曲線技術(shù) 圖4.41是表示串勵性能，此類性能的電機(jī)特點是起動力矩大、空載 時轉(zhuǎn)速高。因此，旋轉(zhuǎn)的加速時間短，根據(jù)負(fù)載的大小速度發(fā)生變化，所 以也被稱為變速電機(jī)或是恒定輸出電機(jī)。 另一方面，并勵電機(jī)帶有如圖4.42所示的性能，而且不受負(fù)載的變 化限制可

26、保持恒定的轉(zhuǎn)速，因此也被稱為恒定轉(zhuǎn)速電機(jī)。圖4.41 串勵性能圖4.42 并勵性能第41頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日補(bǔ)償串勵電動機(jī)的向量圖電気工學(xué) 10.1.2 向量圖 圖78是補(bǔ)償串勵電動機(jī)的簡略接線圖，與此相對的向量圖（忽略鐵損）如圖79，此向量圖中 主磁通基本上與電流I成比例，所以力矩變?yōu)槭桥cI的平方成比例，即串勵特性輸入功率機(jī)械輸出功率力矩或者P：極數(shù)， Z：電樞全導(dǎo)體數(shù)2a：電樞的并聯(lián)電路數(shù)n：旋轉(zhuǎn)速度(rpm)，：每極的磁能量（Wb）第42頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日補(bǔ)償串勵電動機(jī)的向量圖電気工學(xué)V：電源電壓， Ev：速度電動

27、勢，Ii：補(bǔ)極電流，I：負(fù)載電流，Ir：電阻分路電流，ra：電樞繞組電阻（含碳刷電阻），rc：補(bǔ)償繞組電阻，rf：激磁繞組電阻，ri：補(bǔ)極繞組電阻，ri：含電阻分路的補(bǔ)極繞組電路的等效電阻，xa：電樞繞組漏電抗， xc：補(bǔ)償繞組漏電抗，Xf：激磁繞組電抗，Xi：補(bǔ)極繞組電抗，Xi：含電阻分路的補(bǔ)極繞組電路的等交電抗。：主磁通量，：功率因素角79圖 補(bǔ)償串勵電動機(jī)的向量圖第43頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日交直流兩用電機(jī)的性能電気工學(xué)單相4極，100W、100V、50/60/c/s、2A、6003000rpm81圖 交直流兩用電機(jī)的力矩-速度、電流、效率、輸出性能第44

28、頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日交直流兩用電機(jī)的性能資料 交直流兩用電機(jī)（universal motor）考慮了以上幾點的交流直流兩用的串勵電動機(jī)。這種電動機(jī)在家用吸塵器、榨汁機(jī)、縫紉機(jī)、辦公機(jī)器、手槍式電鉆等上被廣泛使用，因為電源的關(guān)系所以交流驅(qū)動的情況比較多。在這種情況下，稱這種電機(jī)為單相串勵交流換向器電動機(jī)比較妥當(dāng)。 圖3.14是表示175W、8500rpm的交直流兩用電機(jī)的速度-力矩性能，變?yōu)楦咚俸?，交流與直流的差基本上消失了。圖3.14 交直流兩用電機(jī)的速度-力矩性能第45頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日交直流兩用電機(jī)的性能資料 圖3.

29、15是家用吸塵器用電動機(jī)的負(fù)載性能。使用交流電源帶換向 器 的電動機(jī)中，除此之外（串激電機(jī)以外的交流用電機(jī)）數(shù)量還有很多。這些 總稱之為交流換向器電動機(jī)，常用的種類有：交流整流子電動機(jī)單 相三 相單相串勵交流整流子電動機(jī)單相排斥交流整流子電動機(jī)三相并激整流式電動機(jī)三相串勵交流整流子電動機(jī)圖3.15 電氣吸塵器用電動機(jī)性能第46頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日附錄第47頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日附錄 換向現(xiàn)象第48頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日換向現(xiàn)象技術(shù) 4.3.3 換向現(xiàn)象 直流機(jī)上換向作用的必要性及其概略功能已

30、在前節(jié)敘述，原理性的換向作用 暫且不論，講得偏激點，換向現(xiàn)象的技術(shù)問題點就是碳刷的火花與壽命問題。 使用機(jī)械碳刷與換向器的DC電機(jī)上，各繞組與換向器片相連接，隨著轉(zhuǎn)子的 運轉(zhuǎn)而通過碳刷短路，因為會斷開（ON-OFF)，所以必然會產(chǎn)生火花。 設(shè)計者會盡可能地將被換向繞組的感應(yīng)電壓做低，但要將磁通量的變化做成 0卻是非常困難，而且還會涉及成本問題。第49頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日換向現(xiàn)象技術(shù) 于是，小型電機(jī)不能設(shè)計補(bǔ)極，最后得出在被換向的繞組上不得不發(fā)生某種程度感應(yīng)電壓這樣的結(jié)論。除此之外，換向時的電流方向反轉(zhuǎn)及短路斷開動作，所以會因繞組漏電感而產(chǎn)生感應(yīng)電壓、（e=L

31、di/dt)電壓。 被換向的繞組上，產(chǎn)生了轉(zhuǎn)動引起的感應(yīng)電壓和繞組漏磁通引起的（Ldi/dt）這2件感應(yīng)電壓。此電壓被碳刷短路，斷開時產(chǎn)生火花，此電磁能量（Li2/2及i2t）被作為碳刷中的電阻損（i2R）及火花能量而消耗。 但是，此火花的產(chǎn)生不僅會因為換向器表面的粗化或碳刷酸化引起碳刷壽命的縮短，同時還會引發(fā)電波干擾等有害現(xiàn)象。 因此，出現(xiàn)這樣一種設(shè)計思想：中至大容量機(jī)上應(yīng)盡量控制換向火花，提高碳刷的電阻，將換向時的電磁能量在碳刷中消耗，這種做法叫做電阻換向。第50頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日換向現(xiàn)象技術(shù) 但是，R=Rc+Rb，Rc是繞組的電阻，Rb是繞子與換向片

32、連接的 接觸電阻，T是換向周期、碳刷寬度除以換向圓周速度的值，t是時間， ec是表示受換向作用產(chǎn)生的電動勢換向電動勢。 為理解關(guān)于換向的概念，圖4.28中顯示了最簡單的換向模式。 碳刷厚度與換向片相同，換向片間的絕緣物厚度忽略。碳刷全面接 觸，其接觸電阻Rb設(shè)為一定，根據(jù)導(dǎo)體上的漏磁通，如果把電感作 為L，那么換向時的電路的電壓方程式可表示如下（4.11式）。圖4.28 換向現(xiàn)象的說明圖第51頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日換向現(xiàn)象技術(shù) 思考一下構(gòu)成電構(gòu)繞組的各繞組，在運轉(zhuǎn)中繞組穿過碳刷下面時電流方向反轉(zhuǎn)。 繞組穿過碳刷下面的時間為毫秒，所以如果繞組中有電感就會發(fā)生電壓

33、，因為此電壓、換向器換向片與碳刷的接觸斷開時會產(chǎn)生火花。 由碳刷短路時的繞組電流變化非常復(fù)雜，為了簡單地理解這種現(xiàn)象，從以前開始一般多用如圖4.29所示的假想換向曲線進(jìn)行說明。以下對圖紙的各曲線進(jìn)行簡單說明： （a）直線換向（linear Commutation）：碳刷面的電流分布是恒定的。 （b）最合適換向（Opitimum Commutation）：換向末端上的曲線傾 斜為0是最理想的換向。 （c）過換向（Over Commutation）：換向過早結(jié)束，電流集中在碳刷 的入口部，換向效 果不理想。 （d）正弦波換向（Sinusoidaf Commutation）：難產(chǎn)生火花，理想換向 的

34、一種。 （e）（f）不完全換向（Under Commutation）：電流集中在碳刷的出口， 產(chǎn)生火花，所以效果不理想。 以上是對一般直流機(jī)的換向現(xiàn)象進(jìn)行了一個定性地說明。第52頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日單相換向器機(jī) 換向作用與改善電気工學(xué) 10.1.4 換向作用與其改善方法 進(jìn)行換向作用的 電樞繞組上透導(dǎo)出因換向產(chǎn)生的電抗電壓er和因與速度無 關(guān)的主磁通交變而產(chǎn)生的變壓器電壓et，這2種電壓的合計 值ef作為火花電壓成為發(fā)生火花的原因。為了起到良好的 換向作用，把ef和180相位的不同電壓誘導(dǎo)于換向繞組 中，如圖78所示在補(bǔ)極中插入支路電阻，讓其流通適當(dāng)相 位的

35、補(bǔ)極電流Ii是一種比較廣泛的方法，其關(guān)系可如圖82 所示。82圖 補(bǔ)極中插入了支路電阻時的換向向量圖 Ei：補(bǔ)極繞組端子間的電壓 Ir：支路電阻電流第53頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日單相換向器機(jī) 換向作用與改善電気工學(xué) 但是，此方法在某恒定 的速度下并不能消除火花 電壓。變壓器電壓et與速 度無關(guān)系，所以恒定支路 電阻值并不能在整個速度 范圍內(nèi)保持良好的狀態(tài)， 實際情況是對支路電阻值 進(jìn)行些許調(diào)整，控制殘余 火花電壓在不影響換向的 范圍內(nèi)。 除此之外，為防止支路電阻的功率損失，并聯(lián)接入電容，為了讓 補(bǔ)極電流中也流通諧波電流、有時也會在電阻上串聯(lián)上電抗器。為了 發(fā)揮更

36、好的換向作用，如圖83所示也可使用分割碳刷，除此之外，在 電樞槽數(shù)的選擇、繞組節(jié)距、槽內(nèi)導(dǎo)體數(shù)及其排列方式等方面也需要 考慮到改善換向作用這一問題。（a）雙子式2分割（b）雙頭式2分割（c）三連式3分割（d）3分割（槽楔式）（f）3分割（倒形）圖83 分割碳刷第54頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日附錄電機(jī)設(shè)計第55頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日設(shè)計第1步技術(shù) 使用圖形CAD功能，如實畫出鐵心的形狀圖，接著是將槽內(nèi)的繞組作為1匝繞組 畫圖（也要決定導(dǎo)體的電流方向）。在此設(shè)定各部的物質(zhì)常數(shù)（鐵、銅、空氣）。 為了進(jìn)行FEM有限元法解析，用鼠標(biāo)操作設(shè)

37、定好接點間隔以及概略元素數(shù)以形 成多個網(wǎng)狀。 之后在畫面上描出網(wǎng)狀圖，網(wǎng)格圖的優(yōu)劣點在于：所有的元素要有以下4點：接 近正三角形，各元素內(nèi)的磁氣能量要盡量均一，氣隙部的網(wǎng)格要清楚地切斷，盡 量不要形成過多的元素數(shù)（500015000左右）。 顯示其結(jié)果后再確認(rèn)，即可如圖9.2所示。第56頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日設(shè)計第1步技術(shù) 接著設(shè)定槽內(nèi)導(dǎo)體的流通電流值（電流密度），計算后的磁通量分布 圖結(jié)果如圖9.3。此圖面中鐵心各部的磁密可以用顏色區(qū)分表示，也可作 為等磁密線圖以數(shù)值來表示。從此圖中，哪部分飽和了可一目了然。圖9.3 輕負(fù)載時的磁通量分布解析例圖9.2 感應(yīng)電機(jī)的2次元網(wǎng)狀圖例第57頁，共68頁，2022年，5月20日，19點3分，星期日設(shè)計第2步技術(shù) 作為電氣設(shè)計問題這點是最讓人操心的。第二步就是漏磁分布的計算和 漏電抗（電路常數(shù)）的推算及繞組系數(shù)、電壓方程式、諧波磁通成分的推算，把 導(dǎo)體內(nèi)交流電流造成的表皮效應(yīng)作為頻率的函數(shù)來表現(xiàn)等的高級計算。 對任意形狀的境界條件都能進(jìn)行計算，此情況下，使用Maxwell的基本方 程式和機(jī)械系統(tǒng)的運動方程式（D），可以解釋所有電機(jī)的電磁場問題及旋轉(zhuǎn)運 動時的問題。慣性力矩角加速度負(fù)載力矩摩擦力矩角速度FEM解析得出的電磁力矩第58頁，共6