项目2 电动器具基础知识

项目二电动器具基础知识项目目标1.理解电动器具常用电动机的类型、结构及特点。

2.理解永磁式直流电动机、单相串励电动机及单相交流感应式异步电动机的工作原理。

3.了解电动器具负载特点、分类及常用控制方法。

4.了解单片机及以它为核心的微型计算机控制电路工作原理。

项目描述在家用电器中，电动器具约占60%左右。

它们的共同特点主要是将电能转换为人们所需要的机械能形式，这种转换必须借助电动机。

家用电动器具上使用的电动机可分为三类: 永磁式直流电动机，单相串励电动机及单相交流感应式异步电动机。

输出功率一般都在750W以下。

这些电动机的体积较小，种类很多。

如电风扇、洗衣机常用单相交流电容式电动机；吸尘器、食品加工机常用单相交流串励式电动机；剃须刀、部分电吹风则用永磁式直流电动机。

本项目主要通过对各种电动机以及典型电动器具控制电路的介绍，使学生理解电动器具常用电动机的类型、结构及其特点；理解永磁式直流电动机、单相串励电动机及单相交流感应式异步电动机的工作原理；了解电动器具负载特点及其常用控制方法；了解单片机的组成及以它为核心的微型计算机控制电路工作原理。

项目实施任务一认识电动器具常用的电动机一、永磁式直流电动机家用小型电动器具〔如电动剃须刀、小型电动按摩器等）普遍以干电池为电源，其电动机使用永磁式直流电动机。

1.结构永磁式直流电动机主要由定子、转子（又称为电枢）、换向片、电刷等组成，如图2-1所示。

定子由永久磁铁制成，外形为环形或瓦块形，定子磁场是由永久磁铁产生的。

转子是直流电动机的转动部件，由转子铁心和电枢绕组组成。

小功率电动机的转子铁心一般由三翼式的硅钢片叠压而成，中间固定转轴。

硅钢片的厚度为0.3～0.5mm；电枢绕组由线径为0.16～0.20mm的高强度漆包线绕制而成；线圈匝数为25～30匝/V；三个线图2-1 永磁式直流电动机的结构圈的一端连在一起，另一端焊在相应的换向片上。

换向片是三个相互绝缘的弧形铜片，嵌放在绝缘套筒上。

绝缘套筒由塑料或玻璃纤维制成，固定在转轴上。

电刷一般用石墨和磷铜片制成。

两个电刷应平行地安装在换向片两侧，依靠电刷的弹性与换向片保持良好的接触。

电刷的另一端与电源连接，直流电流经电刷、换向片流入电枢绕组。

2.工作原理接通电源后，直流电流经电刷、换向片流入电枢绕组。

通电线圈在磁场中会受到力的作用，在这个磁场力的作用下，电枢开始转动。

根据左手定则可知，电枢转动方向由磁场方向及电流方向决定。

如电枢绕组中通入的电流方向不变，电枢转过一定角度后，因受到的力矩方向与前面相反，而不能沿此方向一直转下去。

为了使电枢持续向某一方向转动，每转过一定角度，应使电枢绕组中的电流改变方向，以保证电枢绕组受到的转矩方向不变。

直流电动机的电枢绕组有几个线圈，就有几个换向片。

通过换向片的作用使电枢从一个磁极转到另一个磁极时，线圈中的电流方向得到相应的改变，从而保持电动机的转向不变。

3.特点（1）结构简单，体积小永磁式直流电动机无定子绕组，所以它的结构最简单，体积较小，成本也低。

（2）转速稳定理论和实践都表明，永磁式直流电动机的转速随负载的增大而略有下降，有较硬的机械特性。

因此，它常用在需要稳定转速的家用电器上。

（3）易于实现反转永磁式直流电动机的旋转方向是由磁场方向和电枢绕组中的电流方向决定的。

只要改变转子中的电流方向便能改变转子的旋转方向，即只要将连接电源的两根引线互换便可实现反转。

二、单相串励电动机单相串励电动机又称为交直流两用电动机。

这种电动机的转速可达到20000r/min以上，特别适合使用在吸尘器、食品加工机等需高转速的电动器具上。

1.结构单相串励电动机主要由定子、转子（电枢）、换向器、电刷等组成，如图2-2所示。

图2-2 单相串励电动机的结构定子由定子铁心和定子绕组（励磁绕组）组成。

铁心由0.35～0.5mm厚的硅钢片叠压而成。

小功率单相串励电动机的定子铁心都为凸极式，励磁绕组套装在凸极上。

转子由电枢铁心、电枢绕组和换向器、转轴等组成。

电枢铁心也是由硅钢片叠压而成的，在铁心外圆周上冲有多条槽口，由高强度漆包线绕成的电枢绕组嵌放在槽内。

电枢绕组由多个线圈组成，每个线圈都有首端和尾端两根引出线，彼此之间及与换向片间通过有规律的连接，使电枢绕组形成一个闭合回路。

换向器由换向片、云母片、塑料组成。

它由多个铜质的换向片围成一个圆柱体,换向片之间用云母片进行绝缘。

通过塑料压制后使各换向片紧固在一起，且与转轴保持绝缘。

换向器转动时，将电刷输入的电流轮流分配到相应的绕组上，使电枢受到的转矩方向始终不变。

2.工作原理单相串励电动机励磁绕组与电枢绕组采用串联连接。

串联的方式有两种：一是电枢绕组串联在两只励磁绕组中间；二是两只励磁绕组串联后再与电枢绕组串联，如图2-3所示。

图2-3 励磁绕组与电枢绕组的串联方式两种串联方式的工作原理是相同的，第一种方法采用较多。

单相串励电动机的励磁绕组和电枢绕组是串联的，两者通入的电流完全一样。

当电流方向改变时，在励磁绕组产生的磁场方向变化的同时，电枢绕组电流也反向，使电枢绕组受到的转矩方向不变，如图2-4所示。

由于单相串励电动机无论接入直流电，还是单相交流电，转子的旋转方向不变，所以又称其为交直流两用电动机。

图2-4 单相串励电动机的工作原理3．主要特点(1)交直流两用单相串励电动机是交直流两用电动机，使用交流电源与使用相应的直流电源能产生同样大小的转矩。

(2)机械特性属软特性当负载增加时，电动机转速便急剧下降，能起到自动调整转速的作用。

从理论上讲，串励电动机在空载时转速可达无穷大。

因此，不允许空载运行，否则会因机械强度不够而损坏电动机。

(3)转速高且调速方便单相串励电动机的转速与电枢绕组的感应电动势、磁极对数、平均磁通量及电枢绕组的总匝数等因素有关。

通常采用减小电枢绕组总匝数的方法来提高转速，其转速可达到20000 r/min以上。

通过调整电源电压，也可方便地调整它的转速。

(4)结构较复杂，运转噪声较大,会产生无线电干扰。

三、单相交流感应式异步电动机单相交流感应式异步电动机是家用电器中使用最多的电动机，如用于电风扇、洗衣机、抽油烟机、冰箱、空调器等。

1.结构单相交流感应式异步电动机的结构主要分为定子和转子两大部分，如图2-5所示。

定子由定子铁心和定子绕组两部分构成。

定子铁心是用薄硅钢片叠压而成，这些硅钢片的厚度为0.3～0.5mm，由冲床冲压成型。

在每片硅钢片的内圆周开有多个槽口，叠压后图2-5 单相交流感应式异步电动机的结构的定子铁心槽中嵌有定子绕组。

定子绕组由高强度绝缘漆包线绕制而成。

单相交流感应式异步电动机的定子绕组一般都有两个，一个称为主绕组（又称为运行绕组），另一个称为副绕组（又称为起动绕组）。

在电动机内部，主绕组和副绕组的一个头已接在一起，所以定子绕组的引出线一般为三根：一根称为公共端，常用C 表示；一根是主绕组的引出线，常用M 表示；一根是副绕组的引出线，常用S 表示，如图2-6所示。

这三根引出线也就是电路图中电动机的三个接线端。

图2-6 定子绕组的引出线无论是主绕组还是副绕组，都是由几组线圈连接而成的，每组线圈又有许多匝。

图2-7是使用较多的四极电动机定子绕组展开图，图中的实线表示主绕组的线圈，虚线表示副绕组的线圈，数字是定子槽的编号。

这个电动机定子铁心共有8个槽，主绕组和副绕组均各有四组线圈。

每个定子槽内嵌放相邻两个线圈的各一条线圈边，称为8槽双层绕组。

图2-7 四极电动机定子绕组展开图转子也由铁心和绕组两部分构成。

转子铁心由多片薄硅钢片叠压而成。

与定子铁心不同的是，其槽口在转子铁心的外圆周上。

在每个转子槽内都浇灌铝条，转子的两端有两个铝短路环将这些铝条连成一体，这便是转子绕组。

转子绕组通常都是采用压铸的方法制成的。

如果想像一下，去除转子铁心，则其形状很像一个笼子[如图2-5（C）所示]，故常称为笼型（鼠笼式）转子。

转子铁心的中间固定着转轴。

转子与定子之间通过两个轴承支承。

这两个轴承固定在定子外壳的两端，它们将转子固定在定子的中间，而且使转子的外圆与定子的内圆之间有零点几毫米的气隙。

转子与定子必须同心，即两者的中心轴线应重合，使转子与定子间的气隙均匀。

2.运转原理单相交流感应式异步电动机的定子槽内嵌有主、副两个绕组。

它们的线圈嵌放在不同的槽内，空间互成90°角。

但如果在这两个绕组中通入完全相同的交流电流，电动机是不能旋转的。

要使电动机旋转，在这两个绕组中必须通入相位不同的电流，使它们的合成磁场在定子铁心的气隙内旋转，即产生旋转磁场。

单相交流感应式异步电动机的主绕组（运行绕组）和副绕组（起动绕组）在电路中是并联的，即接的是同一个220V正弦交流电源。

怎样使同一个交流电源产生两个相位不同的电流呢？这便要用到分相元件。

在交流电路中，按照电流与电压相位之间的关系可以分为电阻性电路、电容性电路和电感性电路三种。

电阻性电路中的电流与电压同相位；电容性电路中的电流相位超前于电压；而电感性电路的电流相位滞后于电压。

电动机的两个绕组都属于电感性负载，怎样才能使它们之间出现相位差呢？常用电容分相方式来实现。

电容分相电动机是在副绕组回路中串联一个电容（如图2-8所示），使这一回路具有图2-8 电容分相电容性电路的性质。

主绕组回路仍为电感性电路。

当电动机两个绕组同时接上同一个交流电压u后，由于副绕组中的电流i副超前于电压u；而主绕组中的电流i主滞后于电压u，所以i副与i主之间便出现了相位差，即形成两个相位不同的电流。

当电动机的两个绕组接上同一个正弦交流电压后，由于分相元件的作用，使副绕组中的电流超前于主绕组。

这两个相位不同的交流电流所产生的合成磁场会在定子铁心的气隙内旋转，这时，转子便处于这一定子绕组产生的旋转磁场之中。

由于转子的笼型绕组中的每一根铝条都是闭合电路的一部分，当磁场旋转时，每一根铝条对磁场来说,都存在相对运动，而且都在切割磁感应线，所以转子绕组中便会产生感应电流。

转子绕组中的感应电流也会产生磁场，这种磁场与定子绕组所产生的旋转磁场相互作用的结果，使转子运转。

因为转子绕组中的电流是由电磁感应产生的，所以这种电动机又称为感应式电动机。

由以上的分析知道，电动机主、副绕组中相位不同的电流会产生旋转磁场，而转子铝条必须有切割磁感应线运动，电动机才能运转。

所以这种电动机转子的实际转速n与旋转磁场的转速n0（称为同步转速）必须存在差值，即n〈n0。

它的转子的运转与旋转磁场不同步，这便是“异步” 电动机名称的由来。

与电流频率f及定子磁极对数p的关系为这种电动机的旋转磁场的转速n式中，f的单位为Hz；n0的单位为r/min。

在我国，由于单相交流电的频率f=50Hz，所以两极电动机(p=1)的同步转速n0为3000 r/min；四极电动机（P=2）的同步转速为1500r/min。