串激電機(jī)基本原理(共9頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上概述:串勵(lì)電動(dòng)機(jī)作為電機(jī)家族的一員,它以自身的諸多特點(diǎn)而普遍應(yīng)用于家用電器及電動(dòng)工具中.隨著家用電器的普遍應(yīng)用,它的前景越來(lái)越廣大.1.1 串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的定義: 定子勵(lì)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(dòng)機(jī).1.2 串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu):串勵(lì)電動(dòng)機(jī)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(lì)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(guò)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)負(fù)載做功,將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)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(qiáng)度,以防電樞與罩發(fā)生共振現(xiàn)象,引起振動(dòng)和危險(xiǎn).一般前、后罩內(nèi)有滾動(dòng)或滑動(dòng)軸承.1.3 串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn):1.3.1 它對(duì)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(jì)成適應(yīng)任一外接電源的電機(jī).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(jī)上采用多個(gè)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(jī). 因感應(yīng)電機(jī)達(dá)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(fù)壓,以產(chǎn)生吸力.1.3.3 啟動(dòng)力矩大,體積小:當(dāng)負(fù)載力矩增大時(shí), 串勵(lì)電動(dòng)機(jī)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(lì)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn):串勵(lì)電動(dòng)機(jī)一般依據(jù)客戶對(duì)電氣性能要求及外部結(jié)構(gòu)的需要而設(shè)計(jì).一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)良的串勵(lì)電動(dòng)機(jī),不僅達(dá)到客戶對(duì)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(jī)能通過(guò)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)考核,符合相間的標(biāo)準(zhǔn),又節(jié)省材料和工時(shí).二、 串勵(lì)電動(dòng)機(jī)基本工作原理2.1 基本原理:(圖一)如左圖一,它是串勵(lì)電動(dòng)機(jī)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(chǎng);然后經(jīng)碳刷進(jìn)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(guò),導(dǎo)流的轉(zhuǎn)子

4、線圈在外部磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生力,從而使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng),銅頭使轉(zhuǎn)子中的電流始終保持上下對(duì)稱、連續(xù);電流最后從另一個(gè)碳刷出來(lái)進(jìn)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(chǎng)同向,這是必須保持一致的.2.2 串勵(lì)電動(dòng)機(jī)為何能按設(shè)計(jì)方向連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)?(圖二) 如左圖二: 其為串勵(lì)電動(dòng)機(jī)外接直流電時(shí)電 流、磁通及力矩曲線.電流通過(guò)定子線圈的激磁方向由線圈的進(jìn)、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(duì)于串勵(lì)電動(dòng)機(jī),其力矩方向由電流I及磁通兩個(gè)矢量決定.這就是定子繞線后接線的開(kāi)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(chǎng),則電機(jī)產(chǎn)生正向力矩,即正轉(zhuǎn). 反之

5、則反轉(zhuǎn). 如左圖三,對(duì)于單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī),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(chǎng), 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(dāng)定子繞組順繞時(shí)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(fù)向.這樣就決定了電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)方向. (圖三)2.3 換向電磁原理 在串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中,關(guān)于串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的換向問(wèn)題是最關(guān)鍵的.因?yàn)閾Q向狀況的好壞直接決定了電機(jī)壽命及對(duì)無(wú)線電 設(shè)備電磁干擾的好壞.怎樣改善串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的換向火花是一個(gè)復(fù)雜而困難的問(wèn)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(guò)的電流卻仍未換向,則作用力便無(wú)法維持恒定,上述狀況便無(wú)法成立,這就需要換向. 電樞旋轉(zhuǎn)時(shí),使每一組件邊在經(jīng)過(guò)一固定位置時(shí),其電流得以切換的裝置叫換向器(銅頭). 組件: 對(duì)于串勵(lì)電動(dòng)機(jī),指連接兩換向片,由進(jìn)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(duì)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(gè)單迭繞組(迭繞對(duì)于串勵(lì)電動(dòng)機(jī)指:任意兩串聯(lián)的線圈都是后一個(gè)緊迭在前一個(gè)上面,每個(gè)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(guò)程.設(shè)其換向器片數(shù)為8,換向器由右向左逆時(shí)針運(yùn)動(dòng),并設(shè)碳刷寬稍大于一個(gè)換向片的寬度.因碳刷位置是固定不變的,開(kāi)始時(shí)

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(dāng)換向器轉(zhuǎn)動(dòng)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(dāng)碳刷與換向器片2完全接觸時(shí),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(guò)程的時(shí)間稱為換向周期TK.設(shè)此電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)速為12000RPM,則秒.2.4 引起換向火花的原因 對(duì)于串勵(lì)電動(dòng)機(jī),其換向周期特短,一般在10-4秒級(jí).在這么短的時(shí)間內(nèi),要釋放電機(jī)換向組件所具有的能量,必然會(huì)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(shì).只有明了這些電勢(shì)與各量間的關(guān)系,才能有效地找到改善火花的方法.對(duì)于串勵(lì)電動(dòng)機(jī),一般要求ekt8V,(er+ea)4.5V.2.4.1 電抗電勢(shì)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(shì)eL;同時(shí)進(jìn)行換向的其它組件,通過(guò)互感作用在該組件中還感應(yīng)出互感電勢(shì)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(zhǎng) .即.這說(shuō)明電機(jī)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(shì)就愈大.2.4.2 旋轉(zhuǎn)電勢(shì)ea2.4.2.1 電刷放在幾何中性線位置如圖一,電機(jī)可視為有兩個(gè)磁場(chǎng):定子激繞組產(chǎn)生的直軸主磁場(chǎng)d及電樞繞組產(chǎn)生的交軸電樞磁場(chǎng)aq,此時(shí)換向組件軸線與主磁場(chǎng)軸線重合,當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí),換向組件在交軸電樞磁場(chǎng)中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)電勢(shì)大小為: W換向組件匝數(shù)V電樞線速度; L鐵芯長(zhǎng);Baq交軸電樞反應(yīng)產(chǎn)生的磁密.其中BaqWia ,則. 可見(jiàn)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(shì)ea與電抗電勢(shì)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(dāng)電刷偏離幾何中性線一定角度時(shí),換向組件

10、既切割電樞磁場(chǎng),產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電勢(shì)ea;又切割主磁場(chǎng),產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)電勢(shì)em.它們符合右手安培定則.角越大, em越大.且em的電勢(shì)方向同er的相反.2.4.2.3 變壓器電勢(shì)ekt 換向組件軸線與主磁場(chǎng)軸線重合,脈振主磁場(chǎng)d與換向線圈匝鏈,產(chǎn)生變壓器電勢(shì). 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(dāng)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(shì)em與交軸旋轉(zhuǎn)電勢(shì)ea及電抗電勢(shì)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(huì)使原本延遲的換向變?yōu)槌?同時(shí)還使電磁轉(zhuǎn)矩下降,故需合適的角.在實(shí)際設(shè)計(jì)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(dāng)碳刷逆轉(zhuǎn)向移動(dòng)兩片換向片時(shí),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(dāng)然,事情也有

12、其特殊性.如上圖九所示: 圖(a)表示對(duì)于整距繞組的電樞,此時(shí)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(shí)下組件邊處在S極下靠中心區(qū)的地方,切割電勢(shì)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(dòng)了一個(gè)換向片,使em減小,從而達(dá)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(shì)及旋轉(zhuǎn)電勢(shì)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(jī)設(shè)計(jì)知識(shí)可知,單相串勵(lì)電

13、動(dòng)機(jī)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(huì)使電動(dòng)機(jī)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(shì),改善換向,宜采用小的電樞匝數(shù).當(dāng)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(lì)電機(jī)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(jī)整體性能已定的條件下,即電樞繞組與激磁繞組已定,這時(shí)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(huì)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(guò)增加換向片數(shù)的方法達(dá)到.因增加換向片數(shù)后,換向周期TK相對(duì)減少,故實(shí)際效果并未達(dá)到平方關(guān)系,但可改善許多,特別對(duì)于高電壓電機(jī),因每組件的匝數(shù)相對(duì)于低電壓來(lái)說(shuō)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(dāng)采用整距繞組時(shí),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(shì)er的描述中可知,這時(shí)上下組件通過(guò)互感作用在各組件邊中感應(yīng)的互感電勢(shì)em 增大,使火花增大.當(dāng)采用圖中(2)的短距繞組時(shí),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(shí)際在機(jī)械自動(dòng) 繞線機(jī)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(chǎng)方向使直軸磁場(chǎng)增強(qiáng),在逆主磁場(chǎng)方向使直軸磁場(chǎng)減弱,如圖十一中曲線2;結(jié)果使主磁場(chǎng)波形發(fā)生畸變,如圖中曲線3;主磁場(chǎng)的畸變會(huì)影響換向組件中感應(yīng)電勢(shì)的大小,影響換向.因氣隙磁阻大,故增大氣隙會(huì)削弱這種畸變,但氣隙過(guò)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(duì)于串勵(lì)電機(jī),只要保證電流密度不大,一般碳刷不宜過(guò)寬.碳刷過(guò)寬,則被短接的組件數(shù)過(guò)多,換向組件的互感電勢(shì)大,不利換向;同時(shí)電磁力矩會(huì)減小,使得溫升變差.

16、但電刷過(guò)窄,會(huì)減小換向周期,增加換向電勢(shì),也不利換向;同時(shí)電刷過(guò)窄電密過(guò)大和機(jī)械強(qiáng)度變低,都會(huì)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(lì)電動(dòng)機(jī)一般選用碳化石墨或人造樹(shù)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(guò)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(duì)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(shí)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(lì)馬達(dá)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(dòng)量一般控制在5左右.三、 單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)3.1 基本公式:3.1.1 反電動(dòng)勢(shì)E: 對(duì)于直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī): 其中: P極對(duì)數(shù); N電樞總的導(dǎo)體數(shù) a電樞繞組并聯(lián)支路對(duì)數(shù) 每極氣隙磁通量 n電機(jī)轉(zhuǎn)速 對(duì)于單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī): kp電樞繞組短距系數(shù).3.1.2 電壓平衡方程式:對(duì)于直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī): 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(duì)單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī): Ux端電壓有動(dòng)分量 Ur端電壓無(wú)功分量3.1.3 電磁力矩公式:對(duì)于直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī): ; 對(duì)于交流串勵(lì)電動(dòng)機(jī): .(此為平均力矩,非瞬時(shí)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(zhǎng)度 電壓鐵芯計(jì)算長(zhǎng) 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(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速: 對(duì)單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī),在略去Ub和假設(shè)=0的條件下有: 則.3.2 電機(jī)主要參數(shù)之間的關(guān)系3.2.1 電負(fù)荷(線負(fù)荷)、電密及發(fā)熱因子之間的關(guān)系.電負(fù)荷A定義: 沿電樞圓周單位長(zhǎng)度上的安培導(dǎo)體數(shù)稱為電負(fù)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(duì)數(shù)電密J: 導(dǎo)體單位橫載面積上通過(guò)電流的大小. d 導(dǎo)體直徑發(fā)熱因子: 電樞繞組的線負(fù)和導(dǎo)體電密J的乘積AJ叫發(fā)熱因子.它決定了電機(jī)溫升的高低. 從上可見(jiàn),在電流一定的條件下,對(duì)于整個(gè)電機(jī)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(shí)際情況中,為了增大力矩,往往電樞匝數(shù)較大,使得電