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撚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、 定子•因上部与下部定子线圈绕线方向一致，致使上、 的. 连续;电流最后从另一个碳刷出来进入下部 下定子产生的磁场同向，这是必须保持一致 —t

o

Tl

T1

T

T1

J —t

i

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—却 -——

t

02 -T2

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①1和反向磁通①2,而对于串励 电动机，其力矩方向由电流I 及磁通①两个矢量决 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

变的单相正弦波，则在定子中产生滞后约

1 ° ~5°的交变正弦波磁场，如图中①1和①2.其电流与磁 通矢量积决定了力矩方向，从而产生形象同于全波整流波 的力矩波.当定子绕组顺绕时产生上半部分力矩波，即产 生正向的平均力矩T 1,反之则产生负向T 2.这样就决定了 电机的正、反转方向.

2.2

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①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,

Kt

A

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ll 【2 13 2iaV

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2.4引起换向火花的原因

端部漏磁通

从而在换向组件中产生漏自感电势 e L ； 中还感应出互感电势e m .

对于串励电动机，其换向周期特短，一般在

10-4秒级.在这么短的时间内，要释放电机换向 组件所具有的能量，必然会引起火花.换向组件 所具有能量为：

P=（e r +e a ）i+e kt i

下面将逐一讨论这些引起火花的电势.只有明 了这些电势与各量间的关系，才能有效地找到 改善火花的方法.对于串励电动机，一般要求e kt 三 8V,（e r +e a ）三 4.5V. 2.4.1电抗电势e r

在换向周期T K 内，换向组件中电流由+i a 变 到-i a ,电流的变化引起漏磁通的变化（包括槽漏

磁通、齿顶漏磁通和绕组端部漏磁通三部分 ）.

同时进行换向的其它组件，通过互感作用在该组件 e

r

e

m

di L r dt

W 2

? 其中L r 为换向组件的等效漏电感.Lr

W 向组件之匝数， 端部漏磁通i 即e r W 咗L 仏.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.

L --电枢铁芯长.

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①d 及电枢绕组产生 的交轴电枢磁场①aq,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：e a 2W V L B a q

W -—向组件匝数

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T k

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