第三章 单相串励电动机

第三章　单相串励电动机
　学习目标　
１畅理解单相串励电动机的基本结构和工作原理。

２畅了解单相串励电动机的主要特点和应用。

第一节　单相串励电动机的结构和运转原理
单相串励电动机具有电刷和换向器，属于直流电动机中的一种，其励磁绕组和电枢绕组串联，因既可使用直流电源又可使用交流电源，又称为交直流两用电动机（或称通用电动机）。

单相串励电动机具有起动转矩大、过载能力强、转速高、体积小、重量轻等优点，因而广泛用于各种电动工具和日用电器中，在一些小型机床、医疗器械中也有使用。

一、单相串励电动机的基本结构
单相串励式电动机的结构与电磁式直流电动机相似，也是由定子、电枢（转子）和结构件（机座、端盖）等组成，如图３１所示。

定子由凸极形状的硅钢片叠压而成，嵌有励磁绕组。

励磁绕组与电枢绕组的串联方式有两种：一种是电枢绕组串接在两个励磁绕组中间，如图３２（a）所示；另一种是两个励磁绕组串联后再与电枢绕组串联，如图３２（b）所示。

两种方式原理相同，即两个励磁绕组所形成的磁极极性必须相反。

在实际应用中，以第一种方式使用较多。

图３１　单相串励电动机结构示意图
二、单相串励电动机的运转原理
通过在第二章讨论直流电动机的反转原理中知道，只要励磁绕组和电枢绕组其中之一改变电流方向，就能使电动机反转；但如果两个绕组的电流同时反向，则电动机的转向不变。

单相串励电动机的工作原理就是建立在直流串励电动机工作原理基础上的，当用直流电源供电时，电动机的工作情况与直流串励电动机相同；当用交流电源供电时，虽然电枢电流和励磁电流交变，所产生的磁通也交变，但只要磁通Φ和电枢电流I a 同相，则所产生的电磁转矩总是正值，如图３３所示，即电磁转矩的方向是恒定不变的。

由图３
３可见，单相串励电动机在交流电源上所产生
的电磁转矩平均值T cp 等于最大转矩T m 的
１／２。

图３２　单相串励电动机接线图图３３　单相串励电动机的磁通、
转子电流和电磁转矩曲线
第二节　单相串励电动机的运行特性
一、单相串励电动机的机械特性
无论是使用直流电或是交流电
，单相串励电动机的机械特性都与直流串励电动机的机械特图３４　单相串励电动机的机械特性曲线性相似，如图３４所示。

在第二章中已介绍过，这种机械特性称为
“软”特性。

因此单相串励电动机不适用于转速要求稳定的场合，但在
电动工具和诸如吸尘器等日用电器中，这种特性却可以起到自动调整
转速的作用。

当负载加重时，转速自动降低；当负载变轻时，转速自动
升高。

二、单相串励电动机的其他主要特性
１畅起动性能好
单相串励电动机具有较好的起动性能，起动转矩大，起动电流也
很大。

起动后随着转速的上升电流随之减小，因此适合在起动困难的场合使用。

２畅转速高、调速方便
单相串励电动机在交流工频供电时转速可高达４０００～４００００r ／min ，而且电动机的转速越高，体积越小，重量也就越轻，因而特别适合于用在需要高速的设备中，如电动工具的电动机最高64第三章　单相串励电动机
转速为１５０００r ／min 左右，医疗器械的电动机最高转速可达２００００r ／min 左右，而家用吸尘器则要求电动机最高转速达３００００r ／min 。

单相串励电动机不仅转速高，而且调速性能好，调速方法简便（见下一节）。

３畅不允许空载起动和运行
由于单相串励电动机空载时转速很高，容易造成电动机的损坏，所以一般不允许电动机空载起动和运行。

电动工具使用的串励电动机，因一般带有减速器，所以空载转速不会很高，在设计时一般限制空载转速为额定转速的１畅７倍左右。

而对于在一般日用电器中使用的串励电动机，因其功率较小、自身阻转矩较大，所以空载转速也不会很高。

４畅换向性能差
单相串励电动机的突出缺点是换向性能差，换向火花大，产生的无线电干扰强，这在很大程度上影响了电动机的性能和使用寿命。

此外，这种电动机运行时产生的振动和噪声也比一般直流电动机大得多，其来源为：一是由于转速高产生的机械振动和噪声；二是风叶产生的噪声；三是在作交流电机使用时，由于磁场周期性地变化，使电机部件在交变磁场的作用下产生的振动和噪声。

因此，单相串励电动机在选材和制造工艺上都必须采取一些措施，以改善其换向性能，尽量减少运行时的振动和噪声。

第三节　单相串励电动机的反转和调速
一、单相串励电动机的反转
与串励式直流电动机的原理一样，只要改变电动机的励磁绕组或者电枢绕组的接线，就可以改变单相串励电动机的旋转方向。

单相串励电动机的旋转方向如图３
５所示，当励磁绕组和电枢绕组采用如图（a ）、（b ）的接法时，电动机按逆时针方向旋转；当采用图（c ）、（d ）接法时，电动机
按顺时针方向旋转。

图３５　单相串励电动机的旋转方向
二、单相串励电动机的调速
如上所述，单相串励电动机具有良好的调速性能，多用于电动工具和各种小型日用电器中，这些电器对电动机的调速性能要求不高，调速范围也不宽（调速比一般为３∶５～５∶１），所采用的调速方法也以简单实用为原则，主要有调压、调磁和改变电阻三种方法。

１畅调压调速
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4第三节　单相串励电动机的反转和调速
常用的调压调速方法有：
（１）电子调速器调速：常采用调节晶闸管导通角的调压调速，其原理如第二章中图２２０
所示。

图３６　单相串励电动机的整流器调速电路 （２）整流器调速：当串励电动机采用交流电供
电时，若串入一只整流二极管，如图３６所示，只
让半波通过电动机，则只得到一半的功率。

图３
６电路可得到高、低两种速度，常用于电吹风、电动
按摩器、食品搅拌机等小型家用电器中。

此外，还有采用自耦变压器和串入电抗器等
调压调速方法。

２畅串联电阻调速图３７　单相串励电动机
串电阻调速电路 电路如图３７所示，在串励电动机电路中串入可变（或分级
可调）电阻器，可改变电动机的转速。

这实际上也是一种降压调速
的方法，较常见的是用于家用电动缝纫机的调速控制，调速电阻器
用脚踏控制器控制。

３畅改变磁通调速
改变磁通Φ可以在一定范围调节电动机的转速：Φ增加，转速下降；Φ减小，转速上升。

常用的方法有：
（１）如图３８（a ）所示，改变两励磁绕组的串、并联接法。

若将串联改为并联，励磁电流只有
电枢电流的一半，因而Φ减小，转速升高；反之，若将并联改为串联，Φ增加，转速下降。

（２）将励磁绕组用抽头分级换接，如图３
８（b ）所示，抽头位置不同，则励磁绕组匝数改变，达到调磁调速的目的。

以上这两种调磁调速的方法常用于食物搅拌器的单相串励电动机。

（３）如图３８（c ）所示，与励磁绕组并联电阻，调节电阻可改变励磁电流，从而实现调磁调速。

这种方法由于电阻消耗功率使效率降低，
所以较少采用。

图３８　
单相串励电动机调磁调速电路
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单相串励电动机常见故障的检修
单相串励电动机的结构与励磁式直流电动机相似，因此其故障检修可以参照直流电动机同
84第三章　单相串励电动机
类故障的检修方法进行，在此只介绍单相串励电动机故障检修的一些特殊之处。

１畅定子绕组和电枢绕组的检修
单相串励电动机定子绕组、电枢绕组的常见故障也是断路、短路、通地等，其检查方法也与直流电动机基本相同。

但单相串励电动机的定子线圈表面涂有瓷漆，十分坚硬，难以拆卸，所以如果发现有故障，一般只能更换线圈。

单相串励电动机由于转速较高，绕组中的电流方向急剧改变，而电枢绕组处于电动机的中心，散热困难，所以发生故障的可能性较大，应注意检查。

单相串励电动机电枢绕组的匝间绝缘和对地绝缘都要求较高（特别是电动工具用电动机），在更换绕组后应对匝间绝缘电阻和对地耐压进行检查。

２畅电刷等部件的检修
单相串励电动机的换向性能要比直流电动机差，因此其电刷、换向器等都是容易产生故障的部件。

（１）电刷下火花较大：可能是电刷与换向器接触不良所致，如果是换向器表面不光洁，则应清洁换向器的表面；如果是刷握的弹簧疲劳或者断裂，则应更换弹簧；如果是电刷磨损严重，则要更换电刷。

（２）电刷磨损：单相串励电动机电刷的磨损程度要比直流电动机更厉害，因此电刷的更换也更频繁。

单相串励电动机的电刷材料要求较高，注意更换新电刷的型号、规格应与原来的相同。

在电刷更换后，应对电刷与换向器的接触表面进行研磨。

（３）刷握通地：刷握通地也是单相串励电动机的常见故障，可用万用表或兆欧表进行检查，如发现刷握通地，应进行绝缘处理或更换刷握。

（４）换向器通地：在用兆欧表查出后，应进行绝缘处理或更换换向器。

此外，单相串励电动机由于转速较高，其机械部分如轴承、减速装置的齿轮都容易产生故障。

在检修电动机时，应注意区分是电气故障还是机械故障。

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本章小结
单相串励电动机既可以使用直流电源又可以使用交流电源，因此被称为交直流两用（或称通用）电动机。

单相串励电动机的结构和工作原理与串励式直流电动机相似，因为励磁绕组与电枢绕组串联，因此接于交流电源上时，由于励磁电流和电枢电流同时变向，所以产生的电磁转矩不变向，电动机得以持续运转。

与串励式直流电动机一样，单相串励电动机有较“软”的机械特性，起动性能好，转速高，过载能力强，而且调速性能较好。

但不允许空载起动或运行，而且还有换向火花大、电磁干扰大、运行振动和噪声大等缺点。

单相串励电动机主要用于电动工具和各种小型日用电器中。

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习题与思考题
１畅为什么单相串励电动机既可以使用直流电源又可以使用交流电源？94习题与思考题
05第三章　单相串励电动机
２畅单相串励电动机有什么主要特点？
３畅为什么单相串励电动机运行时的振动和噪声较大？
４畅单相串励电动机的机械特性属于哪种类型？
５畅为什么单相串励电动机不可以空载起动和运行？
６畅试述单相串励电动机的反转和调速方法，几种主要的调速方法各有什么特点？。