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,符合Array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,因电流为交

,则在定子中产生滞后约

°的交变正弦波磁场, 如图中Φ1和Φ2.其电流与磁,从而产生形象同于全波整流波.当定子绕组顺绕时产生上半部分力矩波, 即产1T ,反之则产生负向2T .这样就决定了.

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

,才能有效地找到

.对于串励电动机,一般要求e kt r +e a )≦4.5V.

电抗电势e r

T K 内,换向组件中电流由+i a 变 (包括槽漏

).

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

W –––换向组件匝数

端部漏磁通