串激电机原理

1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2目录绪论(3)第一篇原理篇第一章单相串激电动机的运行原理(15)第二章单相串激电动机的基本特性(33)第三章单相串激电动机的转子绕组(53)第四章换向(69)第五章单相串激电动机的噪声及抑制(106)第六章单相串激电动机对无线电电视的干扰及抑制的措施(118)3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。4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(singlephaseseriesmotor)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。50-1.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。672.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)。8Dscn1111.lnk半塑料换向器9•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。10单相串激电动机励磁绕组电枢绕组换向器电刷定子铁心11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)恒定磁场交直流两用电动机(交流,直流电源，电刷换向器)120-2.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。13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。14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/min15第一篇原理篇16第一章单相串激电动机的运行原理171-1.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18图12-6，p189，李19直流电机原理上图(a)，ab边在N极面下，电流方向ab，而cd边在S极面下，电流方向cd，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ab，而cd边在N极面下，电流方向也改为cd，根据左手定则，产生电磁转矩方向不变，使电动机继续转动。20•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。21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。单相串激电动机原理22•图12-7，p190，李如何改变电机旋转方向(改变磁场或电流方向)改变定子绕组与电刷接法(极性)改变电源极性(接线端头)？23•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。24•串激电动机转矩曲线并激电动机转矩曲线251-2.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，60226022npaNBlDnaNBlaNBlE26单相串激电动机转速为式中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。NEn810260•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。27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。281.3.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)。29•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，就能进行可控移相整流调压，达到调速目的。r211组F电枢A，C及激磁绕，R，RD简便移相调压电路间越长。组成的RC充电回路，RC越大，充放电时2R30图8-12，P179,程31(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。32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)33第二章单相串激电动机的基本特性342.1.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。3536dq---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。---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。---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。---定子绕组的自感电势，由主磁通产生，滞后于主磁通向量90度(变压器电势)W--一个定子绕组的圈数--每极磁通(Wb))(88.8VfWEddddEdI37---转子绕组的自感电势。由磁通产生变压器电势，滞后于磁通向量90度，E---旋转电势，转子绕组切割主磁通产生旋转电势E与方向相反，大小与旋转频率，电枢串联匝数和主磁通成正比。---定子漏抗压降，超前I向量90度---转子漏抗压降，超前I向量90度---定子绕组的电阻压降，与I向量同相---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)(0472.022VKlINfEqqE1jIxq2jIx1Ir2Irddq38外加电源电压U应与这些反电势和阻抗压降相平衡，电势平衡方程式为公式中略去了一对电刷的接触压降•利用电势平衡方程式和相量图可解释电机许多性能，以功率因数为例。(1)由式可见，单相串激电动机的转速高，旋转电势E增大，可以缩小电源电压U与电流I间的相角，提高功率因素cos，一般大于0.9。2121xIjxIjrIrIEEEUqdU239由相量图，功率因素EEEqdarctancossin)(sincos)(arctan2121EErrIEExxIEddq由于很小，功率因素近似为•(2)减小转子绕组自感电势和定转子漏抗压降，也可以缩小相角差，从而提高功率因素cos，为此减少定转子线圈匝数，尤其是转子匝数，是十分有效的。40电磁转矩(本教材用M表示，现己改用T，两者通用)电刷位于几何中性线时瞬时值式中•为电磁转矩平均值，即工作转矩。•脉动转矩，两倍频率，平均转矩为零，影响电机振动和噪声。)()(titCTTefdmTdmTTTtICttICtTe22coscos21sin)