串激电机原理

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第一篇
原 理 篇
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第一章 单相串激电动机的运行原理
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1-1.运行原理及交直流两用的基本概念
直流电机原理
电动力的方向可由左手定则决定
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图12-6， p189，李
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直流电机原理

上图(a) ，ab边在N极面下，电流方向a b，而 cd边在S极面下，电流方向c d，根据电磁力定 律及左手定则，线圈的ab边受力方向左，而cd边 受力方向右，从而形成转矩，使转子逆时针旋转。 当线圈转过180度时，如图(b) ， ab边在S极面下， 由于换向片和电刷作用，电流方向a b，而cd边 在N极面下，电流方向也改为c d，根据左手定 则，产生电磁转矩方向不变，使电动机继续转动。
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小结(绪论，笫一章)

演变过程 直流电动机---直流串激电动机---单相 串激电动机，交直流两用电动机
基本原理---结构特点(换向器-电刷)--运行原理(串激电动机:高转速，软特性， 调速)
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第二章 单相串激电动机的基本特性
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2.1.电压向量图和电势平衡方程式



电路方程式，向(相)量图，等效电路是分析 交流电机的主要手段。 向(相)量图基本概念，图中各量(如u,i)为正弦 交变的交流量(时间函数)，且交变频率相同( 如50Hz) ，各向量(如U,I,E)空间相位差反映各 交流量时间上的相角差，其幅值反映各向量 的大小。 向(相)量图中各量之间关系，符合电路原理和 电磁感应原理。
D1，R 1，R 2，C及激磁 绕 组F电枢A r 组成的RC充电
回路，RC越大，充放电时 间越长。
• 当输入交流电压为正半波 时，可控硅二端是正向电 压，同时RC充电回路开始 充电，只有在电容器二端 电压充到可控硅触发电压 时，可控硅才导通，调节 电阻 R2 ，就能进行可控移 相整流调压，达到调速目 的。
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外加电源电压U应与这些反电势和阻抗压降相平衡， 电势平衡方程式为
E E E Ir Ir jIx jIx U d q 1 2 1 2
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图8-12，P179,程
30Leabharlann Baidu
(2)串联电抗器调速。见图(b) ，改变电抗器抽头可 进行有级调速。 2.改变励磁磁通调速 (1)将两个串励绕组由串接(并接)改为并接(串接) ， 见图(c) ，串联 并联，励磁电流减半，磁通也 减少，转速上升;反之亦然。 (2)励磁绕组分级抽头调速。见图(d) ，励磁绕组有3 个抽头，不同抽头不同匝数Wf，Wf多,Ff大,磁通 大，则转速降低;反之亦然。 3.串电阻调速 见图(e) ，电枢回路串电阻，加到电机端电压就下 降，实现降压调速。
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2.转子 转子铁心，又称电枢铁心。由0.5mm硅钢片冲制叠 压，冲片槽型多数为半闭口梨形槽，转轴压入铁 心轴孔。 转子绕组。为分布绕制的电枢绕组嵌放在电枢铁心 中，依次串联成闭合绕组(详见第三章)。 换向器(又称整流子) 。与电刷装置，构成滑动接触。 有半塑料换向器(由紫铜的换向片和云母片用塑料 压制成整体) ，全塑料换向器(无云母片) 。

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0-1.单相串激电动机的结构特点
1.定子 定子铁心。由0.5mm硅钢片冲制叠压而成。 DR530 (D22),DR510(D23) ，应用最广泛为凸 极式，也有隐极式。磁极形状多为深槽式，为 绕线机自动绕制。 定子绕组，又称串激绕组。由漆包圆铜线绕制为 集中绕组，套在定子铁心上。 电刷装置：刷握，弹簧和电刷组成，常用电化 石墨电刷。
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•
串激电动机转矩曲线
并激电动机转矩曲线
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1-2.高速运转原理及软特性
一般交流电机转速取决于同步 转速，与电源频率与极对数 有关。 单相串激电动机是按直流电 机原理运行，按电磁感应定 律推导转速。带电导体在磁 场中受电磁力作用而运动， e=Blv 作为一台电机，
E Bl N N Dn N 2 pn Bl Bl 2a 2a 60 2a 60
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0-2.单相串激电动机的优点
(1)使用方便。具有直流电机结构，可交直流两 用，改变输入电压大小，可以调节转速，因 此调速十分方便。 (2)转速高，效率功率因数高，体积小，质量轻， 成本低。该类交流电机转速与电源频率，极 数无关，因此电机转速可设计很高，体积重 量相应减少。 (3)启动转矩大，过载能力强。可达额定转矩的 4-6倍。 缺点:换向比较直流电机困难，换向火花大， 无线电干扰和振动噪声都较大。
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1.3.调速原理
单相串激电动机的转速 与电势E，磁通和电枢导 体数N有关，大多采用调 节电压的方法。 1.改变电源电压调速(常用) (1)利用串联单向或双向晶 闸管(SCR)调压调速。改 变SCR的导通角，就可以 改变其端电压，从而实 现有级或无级调速。见 图(a) 。

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简便移相调压电路
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单相串激电动机原理



图(a) ，单相串激电动机电源处于交流电正半 周波，转子受电磁力，逆时针方向旋转。 交变电源变化至负半周波时，图(b) ，电励磁 的磁场极性和电刷极性发生变化，同时电枢电 流方向也随之改变了，根据左手定则，电磁转 矩方向不变，使电动机继续逆时针方向转动。 由此可见，一台直流串激电动机改接到交流电 源后，虽然电源极性在反复变化，但是每一极 面下导体电流方向不变，电磁转矩的方向不变， 电动机转向也不变，这就是单相串激电动机的 工作原理。
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绪

论

单相串激电动机使用很广泛，主要 用于各种家用电器，电动工具，医 疗器械，小型机床等，也可制成通 用电机，作驱动用。 单相串激电动机是当今世界用量最 多的一种小功率电动机，年产量超 一亿台。
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交流换向器电机
滑动接触电机主要有两种形式 1.滑环和电刷 如同步电机，绕线式转子异步电机 2.换向器和电刷 如直流电机，交流换向器电机 交流换向器电机，按所接电源性质分: 单相串激电动机 (single phase series motor)和 交直流两用电动机; 按相数分有单相和多相; 按气隙磁场分有脉动磁场和旋转磁场等。
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如何改变电机 旋转方向 (改 ， • 图12-7
变磁场或电流 方向)
p190，李
改变定子绕 组与电刷接 法(极性)
改变电源 极性(接线 端头)？
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• 直流电动机的激磁方式有多种，作为交直流两用 电机，只有串激和并激方式(永磁，它磁均不可以 ) ，进一步分析如下: • 串激时，激磁电流与电枢电流是同一电流，而激 磁电流与磁通之间的相角差很小，因此磁通与电 枢电流之间也不存在相角差，转矩为磁通与电枢 电流两者的乘积，如图示，平均转矩大。 • 并激时，并激绕组与电枢绕组是并联的，都接到 交流电源上，并激绕组电感很大，激磁电流滞后 电源电压接近90度，电枢电流滞后电源电压的相 角比较小，这样磁通(激磁电流)与电枢电流之间 有较大的相角差，因此二者乘积会有正，有负， 如图示，平均转矩小。 • 因此，单相串激电动机转矩大，有实用价值。
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d ---励磁电流I流过励磁绕组产生主磁通(电源频率脉动)
位于电机磁极中心线，直轴方向，放在向量图横轴上。 q ---电枢电流I(大小同励磁电流) 流过转子线圈，产生 转子磁通，位于与磁极中心线垂直位置，称交轴磁通， 磁通回路中空气隙很大，铁耗可以略去，可看成与电 枢电流I同相。 I ---电流I流过励磁绕组产生主磁通，在铁心中产生铁 耗，所以超前主磁通一小角度 。 Ed ---定子绕组的自感电势，由主磁通产生，滞后于主磁 通 d 向量90度(变压器电势)
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电枢绕组
换向器
电刷
定子铁心 励磁绕组
单相串激电动机
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直流电动机 (直流电源， 直流电励磁， 电刷换向器) 恒定磁场
单相串激电动机 (交流电源， 交流串激， 电刷换向器) 脉动磁场
交直流两用电动机 (交流,直流电源， 电刷换向器)
永磁直流电动机 (直流电源， 永磁， 电刷换向器) 恒定磁场
无刷直流电动机 (直流+控制器， 永磁， 无电刷) 恒定磁场
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半塑料换向器
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• 单相串激电动机的基本结构与直流电动机相似，带 有电刷-换向器，且励磁绕组和电枢绕组串联。在 细节上有所不同。串激电机既可由交流亦可由直流 供电，原理上泛称为交直流两用电动机。 • 单相串激电动机与直流电动机相比有不同之处: (1)直流电机磁极铁心为铸钢制成，单相串激电机时 交变磁通会产生很大的涡流损耗; (2)串激电动机的交流电抗电压降很大; (3)换向元件中有变压器电势，使换向困难等. 因此单相串激电动机运行于交流电源和直流电源 时性能上是有差异的。实用上单相串激电动机与 交直流两用电动机在结构是有所不同。
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单相串激电动机的基本系列
G系列:单相交流电源，供小型机床，搅拌机等 输出功率8W-750W，转速有4000-12000r/min SU系列,U系列(老产品):交直流两用电动机 输出功率15W-180W，转速有3600-5600r/min DT系列(老产品): 电动工具用单相串激电动机 输出功率60W-800W，转速有8000-14000r/min DT2系列:电动工具用单相串激电动机 输出功率140W-1250W，转速有9900-14300r/min

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• 综上所述，要使直流电机按一定方向运转，关键 是利用换向片和电刷作用，电刷在定子上是不动 的，且极性不变;而换向器是在转子上，与之固定 连接的电枢线圈随转子转动。 • 由此可见，直流电机电枢绕组中电流并不是直流， 而是交变的。 • 直流电机磁极极性不变，利用换向片和电刷作用， 磁极极面下导体随转子转动是不断变化，但是极 面下导体中电流的方向始终不变，因此产生电磁 转矩的方向也不变。
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对电动机设计制造的特殊要求
(1)适用的运行工作点。电动机具有软的机械特性， 转速随负载改变而改变。设计制造时，要保证达 到运行工作点，一个负载值，有一相应转速。 (2)防止触电的防护要求。大多用于电动工具，家用 电器，手持操作，严格绝缘安全防护要求。 (3)抑制无线电干扰要求。高转速又容易产生高的无 线电干扰功率和干扰电压，以及较大的噪声，要 加以抑制。
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单相串激电动机转速为
60 2 E10 n N
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式中 E--电枢电势有效值(V) --每极磁通(Wb) N--电枢导体数 n--电机转速(r/min) 单相串激电动机a(并联支路
对数),p(极对数)均为1。
• 电机转速与电源频 率，极对数无关， 电势由电源电压决 定，较难变化，减 少磁通和导体数均 能提高转速. • 目前单相串激电动 机额定转速都比较 高，一般不超过 18000r/min。
Ed 8.88 fWd (V )
W--一个定子绕组的圈数
d
--每极磁通(Wb)
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Eq ---转子绕组的自感电势。由磁通 q 产生变压器 电势，滞后于磁通 q 向量90度，
0.0472flIN 2 2 Eq (V ) K E---旋转电势，转子绕组切割主磁通 d 产生旋转电 势E与 d 方向相反，大小与旋转频率，电枢串联 匝数和主磁通成正比。 jIx1 ---定子漏抗压降，超前I向量90度 jIx2 ---转子漏抗压降，超前I向量90度 Ir 1 ---定子绕组的电阻压降，与I向量同相 Ir2 ---转子绕组的电阻压降，与I向量同相 U---外加电源电压，U超前I角度
研究生课程
单相串激电动机的原理与设计
东南大学 电气工程学院 胡虔生教授
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目
绪论 第一篇
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 (118) 原 理 篇
录
(3)
单相串激电动机的运行原理 (15) 单相串激电动机的基本特性 (33) 单相串激电动机的转子绕组 (53) 换向 (69) 单相串激电动机的噪声及抑制 (106) 单相串激电动机对无线电电视的干扰及抑制的措施
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单相串激电动机的软特性


由公式可知:当负载增大时，电枢电流相 应增大，由于串激绕组，电枢电流与励 磁电流相同，因此励磁电流也增大，从 而使磁通增大，因磁通与转速成反比， 所以转速下降。同时由于电枢电流增大， 使各部分电阻压降增大，电势下降，则 转速下降。 转速随负载增大而明显下降特性，称之 为软特性。