串激電機基本原理(共9頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上概述:串勵電動機作為電機家族的一員,它以自身的諸多特點而普遍應(yīng)用于家用電器及電動工具中.隨著家用電器的普遍應(yīng)用,它的前景越來越廣大.1.1 串勵電動機的定義: 定子勵磁繞組和電樞(轉(zhuǎn)子)繞組為串聯(lián),既可通直流又可通交流電,具有換向器換向的電動機.1.2 串勵電動機的基本結(jié)構(gòu):串勵電動機主要是由定子,轉(zhuǎn)子,前、后端蓋(罩)及散熱風(fēng)葉組成.定子由定子鐵芯和套在極靴上的繞組組成,其作用是產(chǎn)生勵磁磁通,導(dǎo)磁及支撐前后罩;轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵芯,軸,電樞繞組及換向器組成,其作用是保證并產(chǎn)生連續(xù)的電磁力矩,通過轉(zhuǎn)軸帶動負載做功,將電能轉(zhuǎn)化為機械能; 前后罩起支撐電樞,將定、轉(zhuǎn)子連結(jié)固定成

2、一體的作用. 其中轉(zhuǎn)軸,前、后罩要有足夠的強度,以防電樞與罩發(fā)生共振現(xiàn)象,引起振動和危險.一般前、后罩內(nèi)有滾動或滑動軸承.1.3 串勵電動機的特點:1.3.1 它對于外接電源有廣泛的適應(yīng)性: 不論是交流電還是直流電;不論是60Hz還是50 Hz;不論12V、24VDC還是110V、220V、240V ;總之它可設(shè)計成適應(yīng)任一外接電源的電機.1.3.2 它的轉(zhuǎn)速高,調(diào)速范圍廣: 它的轉(zhuǎn)速范圍為300040000RPM,在同一電機上采用多個抽頭可得到較寬的調(diào)速范圍.家用電器正需要這種高轉(zhuǎn)速、寬調(diào)速范圍的電機. 因感應(yīng)電機達不到高轉(zhuǎn)速(不大于3000 RPM).例如吸塵器,它需要高轉(zhuǎn)速在容器內(nèi)外形成

3、負壓,以產(chǎn)生吸力.1.3.3 啟動力矩大,體積小:當負載力矩增大時, 串勵電動機能調(diào)整自身的轉(zhuǎn)速和電流,以增大自身的力矩.1.4 串勵電動機的設(shè)計特點:串勵電動機一般依據(jù)客戶對電氣性能要求及外部結(jié)構(gòu)的需要而設(shè)計.一個設(shè)計優(yōu)良的串勵電動機,不僅達到客戶對電氣性能及外部尺寸的要求,還要在絕緣、結(jié)構(gòu)、安全、成本等方面上優(yōu)化,既使電機能通過相關(guān)的實驗考核,符合相間的標準,又節(jié)省材料和工時.二、 串勵電動機基本工作原理2.1 基本原理:(圖一)如左圖一,它是串勵電動機的基本工作原理圖.電流流經(jīng)上部定子線圈,產(chǎn)生一定方向的磁場;然后經(jīng)碳刷進入換向器(銅頭),再在轉(zhuǎn)子繞組中分成上、下并聯(lián)支路流過,導(dǎo)流的轉(zhuǎn)子

4、線圈在外部磁場作用下產(chǎn)生力,從而使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動,銅頭使轉(zhuǎn)子中的電流始終保持上下對稱、連續(xù);電流最后從另一個碳刷出來進入下部定子.因上部與下部定子線圈繞線方向一致,致使上、下定子產(chǎn)生的磁場同向,這是必須保持一致的.2.2 串勵電動機為何能按設(shè)計方向連續(xù)轉(zhuǎn)動?(圖二) 如左圖二: 其為串勵電動機外接直流電時電 流、磁通及力矩曲線.電流通過定子線圈的激磁方向由線圈的進、出線以及繞線方向決定. 如圖中電流I,可產(chǎn)生磁通1和反向磁通2,而對于串勵電動機,其力矩方向由電流I及磁通兩個矢量決定.這就是定子繞線后接線的開口及交叉決定反正、轉(zhuǎn)向的原因.正向電流如經(jīng)繞組產(chǎn)生正向磁場,則電機產(chǎn)生正向力矩,即正轉(zhuǎn). 反之

5、則反轉(zhuǎn). 如左圖三,對于單相串勵電動機,因電流為交變的單相正弦波,則在定子中產(chǎn)生滯后約15的交變正弦波磁場, 如圖中1和2.其電流與磁通矢量積決定了力矩方向,從而產(chǎn)生形象同于全波整流波的力矩波.當定子繞組順繞時產(chǎn)生上半部分力矩波, 即產(chǎn)生正向的平均力矩,反之則產(chǎn)生負向.這樣就決定了電機的正、反轉(zhuǎn)方向. (圖三)2.3 換向電磁原理 在串勵電動機的設(shè)計過程中,關(guān)于串勵電動機的換向問題是最關(guān)鍵的.因為換向狀況的好壞直接決定了電機壽命及對無線電 設(shè)備電磁干擾的好壞.怎樣改善串勵電動機的換向火花是一個復(fù)雜而困難的問題.(圖四) 如圖一, 欲使力矩Tm的大小和方向保 持為恒定,即及I在空間上的相位必須恒

6、 定.假使轉(zhuǎn)子沿著軸向旋轉(zhuǎn),而導(dǎo)體流過的電流卻仍未換向,則作用力便無法維持恒定,上述狀況便無法成立,這就需要換向. 電樞旋轉(zhuǎn)時,使每一組件邊在經(jīng)過一固定位置時,其電流得以切換的裝置叫換向器(銅頭). 組件: 對于串勵電動機,指連接兩換向片,由進出兩線頭所連接的多匝線圈為一組件,因組件和換向片一一對應(yīng),所以組件數(shù)和換向片數(shù)相等.如圖四和五表示一個單迭繞組(迭繞對于串勵電動機指:任意兩串聯(lián)的線圈都是后一個緊迭在前一個上面,每個組件的始端與終端分別焊接在相鄰兩換向片上的繞組)電樞的換向過程.設(shè)其換向器片數(shù)為8,換向器由右向左逆時針運動,并設(shè)碳刷寬稍大于一個換向片的寬度.因碳刷位置是固定不變的,開始時

7、換向片1與碳刷完全接觸,組件8的下組件邊及組件1的上組件邊電流合為2ia流出;當換向器轉(zhuǎn)動至碳刷與換向器片1和2接觸處,組件1被短路,組件8的下組件邊及組件2的上組件邊也合為2ia流出;當碳刷與換向器片2完全接觸時,組件2的上組件邊及組件1的下組件邊合為2ia流出,這樣換向片1換向完成,組件1中的電流方向由+i變?yōu)?i.,完成此換向過程的時間稱為換向周期TK.設(shè)此電機負載轉(zhuǎn)速為12000RPM,則秒.2.4 引起換向火花的原因 對于串勵電動機,其換向周期特短,一般在10-4秒級.在這么短的時間內(nèi),要釋放電機換向組件所具有的能量,必然會引起火花.換向組件所具有能量為: P=(er+ea)i+ek

8、ti槽漏磁通齒頂漏磁通下面將逐一討論這些引起火花的電勢.只有明了這些電勢與各量間的關(guān)系,才能有效地找到改善火花的方法.對于串勵電動機,一般要求ekt8V,(er+ea)4.5V.2.4.1 電抗電勢er端部漏磁通端部漏磁通 在換向周期TK內(nèi),換向組件中電流由+ia變到-ia,電流的變化引起漏磁通的變化(包括槽漏磁通、齒頂漏磁通和繞組端部漏磁通三部分).從而在換向組件中產(chǎn)生漏自感電勢eL;同時進行換向的其它組件,通過互感作用在該組件中還感應(yīng)出互感電勢em.端部漏磁通(圖六)其中Lr為換向組件的等效漏電感. Lr W2LW換向組件之匝數(shù), L電樞鐵芯長 .即.這說明電機同一組件,其匝數(shù)越多,轉(zhuǎn)速越

9、高,電流越大,則電抗電勢就愈大.2.4.2 旋轉(zhuǎn)電勢ea2.4.2.1 電刷放在幾何中性線位置如圖一,電機可視為有兩個磁場:定子激繞組產(chǎn)生的直軸主磁場d及電樞繞組產(chǎn)生的交軸電樞磁場aq,此時換向組件軸線與主磁場軸線重合,當電機旋轉(zhuǎn)時,換向組件在交軸電樞磁場中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)電勢大小為: W換向組件匝數(shù)V電樞線速度; L鐵芯長;Baq交軸電樞反應(yīng)產(chǎn)生的磁密.其中BaqWia ,則. 可見ea的大小與組件匝數(shù)平方、線速度及電流成正比;旋轉(zhuǎn)電勢ea與電抗電勢er方向相同,總是企圖阻止換向組件內(nèi)電流的變化,使換向延遲.2.4.2.2 電刷不在幾何中性在線:如圖七所示,當電刷偏離幾何中性線一定角度時,換向組件

10、既切割電樞磁場,產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電勢ea;又切割主磁場,產(chǎn)生對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)電勢em.它們符合右手安培定則.角越大, em越大.且em的電勢方向同er的相反.2.4.2.3 變壓器電勢ekt 換向組件軸線與主磁場軸線重合,脈振主磁場d與換向線圈匝鏈,產(chǎn)生變壓器電勢. 因d與換向組件匝鏈,故ekt數(shù)值很大,且比(er+ea)大.其中: W換向組件匝數(shù) f電源頻率.2.5 改善火花的方法 改善換向火花的方法大體有下列幾種:2.5.1 使碳刷逆轉(zhuǎn)向偏移一合適角度或?qū)㈦姌薪M件與換向片的連接順旋轉(zhuǎn)方向移一角度. 如圖七所示: 當碳刷逆轉(zhuǎn)向偏離角后,換向組件產(chǎn)生的直軸旋轉(zhuǎn)電勢em與交軸旋轉(zhuǎn)電勢ea及電抗電勢er的方向相

11、反,這樣就出現(xiàn)(ea+er-em)使換向需釋放的能量p減小,從而改善了火花.越大,使得em越大,則出現(xiàn)em(er+ea),同樣使能量p增大,不利換向,這樣會使原本延遲的換向變?yōu)槌?同時還使電磁轉(zhuǎn)矩下降,故需合適的角.在實際設(shè)計中,因碳套固定在罩上,其位置不能變,故往往采用將電樞組件與換向片的連接順旋轉(zhuǎn)方向移一角度.例如下圖八所示.圖八(a)所示為換向組件產(chǎn)生的(ea+er)大,因而火花大;當碳刷逆轉(zhuǎn)向移動兩片換向片時,產(chǎn) 生的em使(ea+er-em)=0(如上圖八中b所示).在要求碳刷位置不變的情況下,則將電樞組件與換向片的連接順旋轉(zhuǎn)方向位移兩片換向片(如上圖八中c所示). 當然,事情也有

12、其特殊性.如上圖九所示: 圖(a)表示對于整距繞組的電樞,此時換向火花好,即 (ea+er-em)=0,圖(b)表示將整距繞組變成短距繞組,此時下組件邊處在S極下靠中心區(qū)的地方,切割電勢em(er+ea),出現(xiàn)火花現(xiàn)象; 圖(c)表示采取了電樞組件與換向片的連接逆轉(zhuǎn)向移動了一個換向片,使em減小,從而達到(ea+er-em)=0的目的,改善了火花.2.5.2 采用高的激磁繞組與電樞繞組匝數(shù)比(即低的電樞繞組與激磁繞組匝數(shù)比).從電抗電勢及旋轉(zhuǎn)電勢的公式可知,其數(shù)值的大小均與W的平方成正比,故減小換向組件匝數(shù)(即是減少電樞總匝數(shù))可較快地減小(er+ea),從下一節(jié)的電機設(shè)計知識可知,單相串勵電

13、動機只要保持定、轉(zhuǎn)子匝數(shù)乘積不變,改變定、轉(zhuǎn)子匝數(shù),不會使電動機主要性能發(fā)生大的變化,為了減小換向組件中的感應(yīng)電勢,改善換向,宜采用小的電樞匝數(shù).當然,為了保證效率及溫升,不是電樞繞組與激磁繞組的匝數(shù)比越小越好,一般串勵電機取在1.52.0.2.5.3 增加每槽并列組件數(shù)nd,即增加換向片數(shù). 在電機整體性能已定的條件下,即電樞繞組與激磁繞組已定,這時要改善火花,可采用增加換向片數(shù)的方法改善火花.因er、ea與換向組件的匝數(shù)平方成正比,ekt與換向組件匝數(shù)成正比,故減小換向組件匝數(shù)會大大降低(ea + er)及ekt值.在電樞繞組總匝數(shù)已定情況下,增加每槽并列組件數(shù)nd,即減少了換向各組件匝數(shù)

14、,它需通過增加換向片數(shù)的方法達到.因增加換向片數(shù)后,換向周期TK相對減少,故實際效果并未達到平方關(guān)系,但可改善許多,特別對于高電壓電機,因每組件的匝數(shù)相對于低電壓來說多得多,故采用增加換向片數(shù)效果顯著.2.5.4 采用短距繞組. 如圖十中(1)所示,當采用整距繞組時,雖然整距繞組可產(chǎn)生最大的電磁力矩,但換向的上下組件邊在同一電樞槽內(nèi).從電抗電勢er的描述中可知,這時上下組件通過互感作用在各組件邊中感應(yīng)的互感電勢em 增大,使火花增大.當采用圖中(2)的短距繞組時,雖然電磁力矩稍有減小,但換向的上下組件邊不在同一槽內(nèi),從而減小了 em降低了火花.實際在機械自動 繞線機上,采用的全是短距繞組,這樣

15、便于雙飛叉繞線.2.5.5 增大氣隙 如圖十一所示,因交軸電樞反應(yīng)在順主磁場方向使直軸磁場增強,在逆主磁場方向使直軸磁場減弱,如圖十一中曲線2;結(jié)果使主磁場波形發(fā)生畸變,如圖中曲線3;主磁場的畸變會影響換向組件中感應(yīng)電勢的大小,影響換向.因氣隙磁阻大,故增大氣隙會削弱這種畸變,但氣隙過大,使主磁路磁阻增大,效率下降,溫升變差.單邊氣隙一般取0.20.5之間.(圖十一)2.5.6 合適的電刷寬度、材料、壓力以及換向器的材料和加工質(zhì)量.(圖十一) 對于串勵電機,只要保證電流密度不大,一般碳刷不宜過寬.碳刷過寬,則被短接的組件數(shù)過多,換向組件的互感電勢大,不利換向;同時電磁力矩會減小,使得溫升變差.

16、但電刷過窄,會減小換向周期,增加換向電勢,也不利換向;同時電刷過窄電密過大和機械強度變低,都會影響到電刷的壽命.一般電刷寬度取(1.22.5)片換向片寬. 單相串勵電動機一般選用碳化石墨或人造樹脂粘潔劑碳刷.為改善換向最好選用硬質(zhì)電化石墨電刷,因其有較大電阻率,電刷與換向器的接觸電阻較大,能較好地抑制換向過程中的短路電流,有利換向減小火花.一般碳刷的電阻率要求為: 30,000100,000.cm,能存受的電密為10A/cm2.電刷壓力大小對換向性能和電刷損蝕有很大影響.壓力大可減少火花,但磨損速度大幅度增加,壓力小使換向器在換向時出現(xiàn)燒蝕.一般取300500g/c.換向器的材料一般為紫銅制作

17、,為改善換向及壽命,串勵馬達一般選用含銀的銀銅合金.加工光潔度一般在0.41.2間,跳動量一般控制在5左右.三、 單相串勵電動機設(shè)計3.1 基本公式:3.1.1 反電動勢E: 對于直流串勵電動機: 其中: P極對數(shù); N電樞總的導(dǎo)體數(shù) a電樞繞組并聯(lián)支路對數(shù) 每極氣隙磁通量 n電機轉(zhuǎn)速 對于單相串勵電動機: kp電樞繞組短距系數(shù).3.1.2 電壓平衡方程式:對于直流串勵電動機: Ra電樞繞組電阻 Rf激磁繞組電阻DUb電刷與換向器間壓降 對單相串勵電動機: Ux端電壓有動分量 Ur端電壓無功分量3.1.3 電磁力矩公式:對于直流串勵電動機: ; 對于交流串勵電動機: .(此為平均力矩,非瞬時力

18、矩) 其中:q 電樞電流超前主磁通的相角.3.1.4 每極氣隙磁通量為: 極弧系數(shù) t 極弧長度 電壓鐵芯計算長 氣隙磁密3.1.5 轉(zhuǎn)速:略去電刷和換向器之間的壓降Ub,則直流串勵電動機的轉(zhuǎn)速: 對單相串勵電動機,在略去Ub和假設(shè)=0的條件下有: 則.3.2 電機主要參數(shù)之間的關(guān)系3.2.1 電負荷(線負荷)、電密及發(fā)熱因子之間的關(guān)系.電負荷A定義: 沿電樞圓周單位長度上的安培導(dǎo)體數(shù)稱為電負荷.公式: N 電樞總導(dǎo)體數(shù)D 電樞外徑a 電樞繞組的并聯(lián)支路對數(shù)電密J: 導(dǎo)體單位橫載面積上通過電流的大小. d 導(dǎo)體直徑發(fā)熱因子: 電樞繞組的線負和導(dǎo)體電密J的乘積AJ叫發(fā)熱因子.它決定了電機溫升的高低. 從上可見,在電流一定的條件下,對于整個電機有:a. 導(dǎo)線的橫載越大,則溫升越低;b. 電樞直徑越大,則溫升越低;c. 電樞匝數(shù)越小,則溫升越低.但在實際情況中,為了增大力矩,往往電樞匝數(shù)較大,使得電