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，将电能转化为机械能; 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 Hz；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）。

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.
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，Array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Φ1和反向磁通Φ2，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
5°的交变正弦波磁场, 如图中Φ1和Φ2.其电流与, 1T ,反之则产生负向2T 。

这样就决.
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 持为恒定,即Φ及I 在空间上的相位必须恒
定。

假使转子沿着轴向旋转,而导体流过的电流却仍未换向,则作用力便无法维持恒定，上述状况便无法
成立，这就需要换向。

电枢旋转
时,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,并设碳刷宽稍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2i 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的下组件边及组件2的上组件边也合为2i a 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 .
设此电机负载转速为12000RPM ，则41025.68
1200060
-==
x x T k 秒。

2.4 引起换向火花的原因
,其换向周期特短，一般在.在这么短的时间内,要释放电机换向必然会引起火花.换向组件:
P=(e r +e a ）i+e kt i
.只有明
.对于串励电动机,一般要求e kt e r +e a ）≦4.5V 。

电抗电势e r
T K 内，换向组件中电流由+i a 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 .
k
a r r m L r T i L dt di
L e e e 2=-=+=
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 .
即k
a r T i L W e ⋅⋅∝2.这说明电机同一组件，其匝数越多，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Φd 及电枢绕组产生的交轴电枢磁场Φaq ，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为： aq a B L V W e ⋅⋅⋅=2
端部漏磁通
W –––换向组件匝数
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a a i L V W e ⋅⋅⋅∝2.
可见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。

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线一定角度β时,换向组件既切割电枢
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 。

它们符合右手安培定则。

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合,脉振主磁场Φd 与换向线圈匝链，产生变压器电势。

d kt fW
e Φ=44.4
因Φd 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
转电势e a 及电抗电势e 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,从而改善了火花。

β越大,使得e m 越大,则出现e m 〉〉(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，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.
图八（a)所示为换向组件产生的（e a+e r）大，因而火花大;当碳刷逆转向移动两片换向片
瓜瓜
时，产
生的e m使(e a+e r—e m)=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（a)表示对于整距绕组的电枢，此时换向火花好，即(e a+e r-e m)=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e m〉(e r+e a）,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e m减小,从而达到（e a+e r—e m）=0的目的,改善了火花.
2.5.2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 r+e a）,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1.5~2。

0.
2.5.3 增加每槽并列组件数n d ,即增加换向片数。

在电机整体性能已定的条件下，即电枢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e r 、e a 与换向组件的匝数平方成正比，e kt 与换向组件匝数成正比，故减小换向组件匝数会大大降低(e a + e r )及e kt 值.在电枢绕组总匝数已定情况下,增加每槽并列组件数n d ，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T K 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（1）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 r 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e m 增大,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 e m 降低了 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
如图十一所示，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
俱禯78瓜
祏禯
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.单边气隙一般取0.2～0.5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.一般碳刷的电阻率要求为： 30，000～100,000μΩ。

cm,能存受的电密为10A/cm 2.
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300~500g/c ㎡.
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。

4～1.2间,跳动量一般控制在5μ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: )(10106088v n c n a
PN
E e --⋅Φ=⋅Φ= 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 Φ–––每极气隙磁通量 n –––电机转速
对于单相串励电动机： )(102608v n k a
PN
E p -⋅Φ=
k p –––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: b f a a U R R I E U ∆+++=)( R a -。

––––电枢绕组电阻
R f ––––激磁绕组电阻
∆U b 。

––––电刷与换向器间压降 对单相串励电动机： 22r x U U 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: a m I PN
T Φ⋅=
a 2π； 对于交流串励电动机: θπcos 2
2N p m I K a PN
T Φ⋅=
.（此为平均力矩,非瞬时力矩）
其中:θ 。

––– 电枢电流超前主磁通的相角。

3.1.4 每极气隙磁通量为:
δδδταB L ...=Φ δα。

––– 极弧系数 τ ––– 极弧长度
δL .. ––– 电压铁芯计算长 δB 。

. ––– 气隙磁密
3.1.5 转速：
略去电刷和换向器之间的压降△U b ，则直流串励电动机的转速:
Φ
+-=e f a a C R R I U n )
(
对单相串励电动机，在略去ΔU b 和假设θ=0的条件下有:)(f a a r R R I E UCOS U ++==ϕ
n C E e Φ=2
1
则Φ
+-=
e f a a C R R I uCOS n )]
([2ϕ。

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: D
2πa NI
A =
N 。

. ––– 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J:. 导体单位横载面积上通过电流的大小。

2
4d I
J =π
d 。

––– 导体直径
发热因子： 电枢绕组的线负和导体电密J 的乘积A ·J 叫发热因子。

它决定了电机温升的高低。

2
22
2242Dd
a NI d I D a NI J A πππ=⋅=⋅ 从上可见,在电流一定的条件下，对于整个电机有:
a. 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,允许发热因子的数值越大，一般对串激电机,A ·J 为700～1400安/厘米‧安/毫米2)。

3.2.2 电机的体积、转速与功率之间的关系。

对于串励电动机 :
δ
αB A p n L D p ⋅⋅⋅=⋅⋅'
21
6' 因串激电动机η
N
P P ='则P n L D P n L D η
⋅⋅⋅=⋅⋅22' 式中: 'P ———-—— 计算功率， η ———---— 效率, P ———————-
额定功率, '
P α ——-————— 计算极弧系数， L D ⋅2—---—-- 类同于电机的体积。

从上可知:
a. 在要求的转速与计算功率比值一定的条件下,改用不同类型的电机芯片（即改变D ）,
则可通过改变铁芯长度L 来保证达到相同的性能; b. 在电机的芯片与长度一定的条件下，要求的功率越大，则转速越高,如若要保证工作
点的转速,则应提高工作点的效率；
c. 在功率一定的条件下，可提高转速以减小电机体积。

3.2.3 利用系数K A 与力矩之间的关系。

利用系数K A 它反映了产生单位计算转矩所耗用的有效材料.
n
L D P K A ⋅=2'
因''T n P =，则L
D T K A ⋅=2'. 可见： 在D 2
·L （即电机体积)一定的条件下,产生的力矩越大,则利用系数越高. 3.2.4 电负荷与磁负荷之间的关系.
由δ
αB A p n L D p ⋅⋅⋅=⋅⋅'
216'可知: a. 若线负荷A 不变，气隙磁密B δ增大，则电机体积减小,用铁量减小；同时因铁损与2δB 成正比则电机铁耗增大，温升也将升高;同时气隙磁层降和磁路饱和程度增加,功率因子下
降；
b. 磁负荷B δ不变,线负荷A 增大，则电机体积减小,用铁量减少；因B δ一定,而铁芯重量减小，则铁耗减少;同时因每极磁通变小，为了产生一定的感应电势，则绕组匝数必须增加，致使用铜量增加，铜耗随之增加，使绕组温升增高。