1、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
2、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 (single phase series motor)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。,5,0-1.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，
3、弹簧和电刷组成，常用电化石墨电刷。,6,7,2.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) 。,8,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
4、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,11,12,0-2.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
5、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
6、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/min,15,第 一 篇,原 理 篇,16,第一章 单相串激电动机的运行原理,17,1-1.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
7、,上图(a) ，ab边在N极面下，电流方向a b，而cd边在S极面下，电流方向c d，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a b，而cd边在N极面下，电流方向也改为c d，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。
8、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
9、,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
10、，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,25,1-2.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，,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。,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
11、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。,28,1.3.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
12、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。,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,30,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
13、。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,34,2.1.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(
14、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。,35,36,-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
15、的圈数-每极磁通(Wb),I,37,-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,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
16、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。,39,由相量图，功率因素,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。,41,单相串激电动机的性能可利用三个基本公式,(1)电势平衡方程式考虑定子，转子漏抗 (2)反电势计算公式在相量图上 (3)电磁转矩公式,42,2-2.损
17、耗分布和能量平衡,电机损耗分电气损耗和机械损耗两类 1.电气损耗 (1)铜耗:电流流过定转子绕组(铜导线)形成,与电流平方成正比。 (2)铁耗:定子铁心通过交变磁通(一般50Hz)形成，由磁滞损耗和涡流损耗，用硅钢片叠压而成(铁耗与B，f及材料特性有关)。 (3)换向损耗:换向线圈中环流。 (4)电刷压降损耗:电刷压降乘以电流。,43,44,2.机械损耗,(1)风摩耗:主要由通风耗，轴承损耗和电刷-换向器摩擦耗三部分组成，不容易精确计算，用实测和经验数据(如附图1，高速电机损耗较大)。 (2)电气转矩损耗:包括转子旋转磁化损耗和谐波损耗，归纳为转子铁耗(注意f=n/60与定子不同)。旋转磁化损
18、耗是指转子铁心以一定(高)转速相对于定子磁场旋转产生的铁心损耗。谐波损耗是指由于磁场饱和，电流中含有大量高次谐波，使电机产生谐波转矩损耗，谐波损耗一般小于旋转磁化损耗。,45,功率平衡方程式,46,2.3. 单相串激电动机的特性(电源电压恒定),1.I=f(M)转矩特性电磁转矩M正比于电枢电流I与磁通的乘积，不考虑磁路饱和，磁通与电枢电流I成正比，因此电流特性为抛物线，I随M增大而增大，当M较大时由于磁路饱和，I增大较快，如图中虚线所示。,47,2.I=f(n)转速特性 从计算n的公式来分析，如不考虑磁路饱和 所以即电源电压恒定，E变化不大，而取决于电机结构的a，p，N也是固定不变的。 故 n
19、I=常数 转速特性是一条双曲线,48,3.n=f(M)机械特性从I=f(M)和I=f(n)的曲线中，可以得到同一I下的转矩M和转速n值，从而可画出两个机械量关系曲线n=f(M) ，即机械特性。机械特性为双曲线表明，M增大时，n下降;M减小时，n上升.其特性很软，称软特性又称串激特性。这是因为M增加，(1)电枢电流I必定增大，此时电阻压降增加，E减小，转速下降;(2)电枢电流和激磁电流增大，主磁通增加，因而转速更快下降。,49,设计时输出功率P，输出转矩M和转速n之间应满足 P=Mn/9.56(W)当要求M，n和P均为某一额定值时，既满足上式，又应在机械特性(取决于电机参数和结构)上，因此转速上
20、下变化应符合容差要求。式中: -转矩常数，决定于电机结构，-磁通滞后电流角度,50,对于交直流两用电机，交流比直流特性还要软。空载时两者转速比较接近，满载工作时，交流要比直流时转速低。额定转速越低，相差越大。交流供电频率越高，相差也越大。,该近似公式表示，在两种不同电源下运行时转速变化 (1)交流比直流时转速低，转速越低，功率因数越低。 (2)转速比较高，功率因数也就比较高，两曲线比较接近。,51,直流,交流,M,n,0,M,n,0,不同电源电压下机械特性,交直流两用电机,不同电源电压下机械特性变化，电压下降，特性曲线往下移，转速下降。依此可调节电压进行调速。,52,M较小时,功率因数较大，M
21、增大时，功率因数有所下降，这是因为M增大时电流也增大，电抗压降也增大，同时由于机械特性很软，M增大，n下降很快，因而反电势E减少，因此 增大，功率因数减小。单相串激电动机的功率因数较高，一般在0.9左右，速度提高，功率因数也提高，高速电机达0.95，曲线下降较平缓。,4.,功率因数特性,53,第三章 单相串激电动机的转子绕组,相串激电动机的单迭绕组。,54,3.1.直流电机转子绕组的迭绕组和波绕组,电枢绕组由形状相同的线圈单元组成，线圈有多股线绕制而成，每一线圈有两个圈边，放在相邻不同极性的极面下，一个线圈有两个端头，分别联接在两个换向片上，每个换向片又与两个线圈的端头相连，所以各线圈通过换向
22、片串联起来，是一个闭合绕组(其它交流电机是开启绕组) 。 由于线圈两端联接换向片的位置不同，也即线圈间联结有不同联法，因而绕组型式不同，可分为:迭绕组和波绕组两大类。,55,56,3.1.1.迭绕组,一个线圈的两个端头(始端和末端)接在相邻的两个换向片上，而第二个线圈的始端与笫一个线圈末端相联接，一个线圈相对于前一线圈仅移过一个槽，彼此串联，形成闭合绕组，其相邻线圈端部是重迭的，称之为迭绕组。 迭绕组相邻两线圈是串联的，逐一对各磁极下的线圈依此联接，因此有一对磁极，就有一对并联支路，有一对电刷。 以上是单迭绕组，当相邻两线圈所联换向片不是一片，而是二片或多片时，称复迭绕组。,57,58,3.1
23、.2.波绕组,这种绕组的线圈两个端头是接到相当于两个极距的换向片上，中间相隔比较多的换向片，同样一个换向片连接两个线圈的末端和始端，串联在一起，这样串联P(极数)个线圈后，回到原线圈始端相邻换向片处，相邻线圈连接成波浪形，称为波绕组。 这种绕组是把各极对下线圈都串起来，因此无论极对数多少，并联支路数只有一对。 以上是单波绕组，如回到原点是相隔二片或更多片，称为复波绕组。,59,60,3.1.3.迭绕组和波绕组比较,迭绕组和波绕组在电气上差异，主要在于并联支路数的多少。 迭绕组: 磁极数=并联支路数=电刷数可适用于较大功率电机。 波绕组: 并联支路数少，串联线圈多，适用于较高电压较小电流电机。,
24、61,3.2.单相串激电动机实用的单迭绕组,单相串激电动机普遍采用单迭绕组，原因是单相串激电动机输出功率不大(大多200-500W) ，转速较高，批量大。采用一对磁极，用单迭绕组线圈端联结方式较为简便，联结到换向片的方式也方便，便于下线工艺，有利于批量生产。 1.单相串激电动机中所用的单迭绕组 (1)采用漆包线直接绕在转子铁心槽中，线圈二个线头不用弯到二个圈边中间引出，而是直向引出，使线圈边所在转子槽位置与换向片在圆周上位置一致，所以电刷位置可放在几何中心线上，而不是磁极中心线上(简称“借偏”)。,62,(2)实槽数Z与虚槽数 ，实槽内线圈边并列对数因此，虚槽数=换向片数=线圈数习惯上称一槽二
25、片或一槽三片，就是指一个实槽中有二个或三个虚槽。这样可以减少转子实槽数，又能邦助换向。,63,2.绕组的节距实槽后节距 。后节距为一个线圈的二个圈边间的距离。当用实槽数表示式中为两极电机(Z/2) ，实槽节距必须是整数，实槽节距小于极距称短距，等于极距称全(整)距，大于极距称长距。实用中 为短距，线圈两边电势相加有小的相角差，所以不宜短得太多。虚槽后节距 。当一个线圈的二个圈边间的距离以虚槽数来表示，也即用换向片数表示,64,65,换向器节距 一个线圈两个端头在换向器上跨距，以换向片数表示。单迭绕组，合成节距 y 为两个相邻串联线圈对应边在换向器上跨距，以换向片数表示。单迭绕组，前节距 又称第
26、二节距。为线圈后一边与相串联线圈的前一边间距离，以虚槽数或以换向片数表示。,66,3-3绕组图,1.单迭绕组放射图从换向器端看绕组接线情况，较直观讲原理时采用。绕组参数,67,2.单迭绕组展开图展开图将转子展开成平面，在平面视图上将绕组接线表示出来。有用于生产图纸。绕组参数,68,实用单迭绕组展开图(虚槽，实槽等),69,第四章 换 向,单相串激电动机换向是运行中的一个突出问题，换向条件比较直流电机困难，对于高转速，又是交流电供电情况下换向，增加了换向的复杂性。 本章由简到繁分析换向的机理，产生火花的原因和改善的措施。,70,上图直流电机电机转速14000r/min，换向片数24，电刷宽度为换
27、向片的1.4倍，则换向时间为,下图单相串激电动机定转子线圈电流变化曲线，交流电频率50Hz，交变周期0.02s，一周内完成多次换向。,71,4-1.直流电机的电阻换向,直流电机在理想情况下换向称直线换向。此时换向电流回路中只有电阻，不存在电感，换向元件中无感应电势。 换向过程中，回路中电阻主要是换向片与电刷间接触电阻，忽略其它电阻，式中: 分别为换向片1和2与电刷的接触电阻。,72,73,由于接触电阻与接触面积成反比式中: 分别是换向片1和2与电刷接触面积。 如图分析换向过程，假定电刷宽度等于换向片宽度 图(a) ，换向前，换向片1与电刷全接触，流过电刷电流为右边和左边线圈中电流之和换向线圈(
28、换向片1,2间)中电流方向左， 图(b) ，转子继续旋转，当电刷处于两换向片之间，流过电刷电流仍为 ,换向线圈中电流为零。,74,图(c) ，转子继续旋转，换向片2与电刷全接触，电刷电流不变，换向线圈(换向片1,2间)中电流大小同(a) ，方向向右，与(a)相反。换向线圈中电流i换向过程结束。从电刷与换向片1全接触到与换向片2全接触，这段时间称为换向周期T。换向开始后，换向片2与电刷接触面积，随时间增大而增大，当T时，电刷与换向片2全接触式中: -换向器表面线速度t -换向开始后时间-换向片长度,75,换向片1与电刷接触面积所以联立解得 表示换向电流i与时间t成直线关系，称直线换向。,76,图
29、可作以下分析 (1)直线斜率为(2)斜率可表征电刷电流密度大小，因斜率与电流密度成正比。 前刷边电流密度 后刷边电流密度因此 (3)当t=T时，换向结束，此时 说明电刷与换向片脱开时，无电流流过，所以是无火花换向。,77,4-2.延迟换向与超前换向,电阻换向是理想情况，实际线圈有电感，线圈中还有感应电势。 1.延迟换向换向线圈中电流变化，由此产生磁通大小，极性也变化，导致线圈中产生电抗电势，被电刷短路的回路中与电阻换向相比多了一个电抗电势，电抗电势性质是力图阻止换向线圈中电流变化。,78,电抗电势作用: 在闭合的换向回路中，除了有电阻换向电流外，增加了一个环流，它的变化趋势与电阻换向电流相反，
30、因而使换向线圈中电流改变方向时间延迟了，换向电流到零的时间大于T/2。 这时两电刷上电流密度不同，后刷边电流密度大于前刷边电刷滑出处可能产生火花。 若换向结束时，电流不为 而是突然断开，强制变为 就会产生火花。,79,2.超前换向换向线圈中除了电抗电势外，还有换向线圈切割外界磁场产生的旋转电势，此电势又称换向电势旋转电势的方向，取决于外界磁场极性，可和电抗电势同相，也可反相，从改善换向看，有利于克服延迟换向，若换向电势大于电抗电势，将会产生超前换向，会使电刷前刷边电流密度比后刷边大，也会产生火花。,80,4-3.单相串激电动机的换向,直流电机的换向理论同样适用于单相串激电动机，但有以下特点:单
31、相串激电动机电源是交流电，按电源频率交变。交变定子磁通,恰好穿过换向线圈，在换向线圈内产生感应电势，称变压器电势。,81,一般大于电抗电势，在闭合换向线圈中产生环流较大，对换向影响也较大，并无法抵消其影响。三种电势的相互关系，以及影响换向程度。用向量图表示:,82,电抗电势与电流I同相定子磁通 与电流I同相转子横轴磁通 与电流I同相 旋转电势 变压器电势 是由于交变的磁通产生，因此滞后三个电势合成e的存在，恶化了换向。,83,特别说明几个问题: 三个电势中，只有变压器电势是正弦量交变频率是电源频率，而电抗电势和换向电势频率决定于转子转速，三个电势交变频率不同，因此不符合画向量图条件。电抗电势与
32、电流I同相也是有条件的。按感应原理，电抗电势滞后此变化电流90度，这对正弦量而言，而换向电流可分解成很多不同频率的正弦量。由于换向时间很短(如前例0.125ms)，与变压器电势交变周期(当电源频率50Hz周期为0.02s)相比可忽略不计，所以可看成与电流同相位。,84,形象分析几种电势对换向影响。电抗电势所形成环流换向电势所形成环流两种环流方向相反，可相反抵消一部分。当 为延迟换向当 为超前换向,85,变压器电势所形成环流对换向影响。变压器电势按电源频率交变，滞后于电流90度。图中画出两个换向期间，1中 幅值较小，处于负值，相当于加快换向环流作用;2中 幅值较大，处于正值，相当于阻止换向环流作
33、用，成为延迟换向。所以变压器电势所形成环流对换向影响难以控制。,86,4-4产生换向火花的原因,1.电磁因素 (1)换向线圈内环流，将使电刷上电流密度不等，在电刷滑出或进入处产生火花。 (2)片间电压过高及电枢反应影响。片间电压平均值,87,实际各换向片间电压不相等，e=BLv各线圈所在空间位置B不同，产生电势大小也不同。气隙空间磁场分布如图示，电枢反应使一半极面(前极尖)下B增加，另一半极面(后极尖)下B减少，总量略有减少(磁场饱和去磁作用)。从而各换向片间电压不相等，最大可高出平均值1.7-2.5倍，产生火花。,1.定子磁通密度B 2.转子磁动势F(B未画) 3.定转子合成磁通密度B,88
34、,89,2.机械因素,(1)转子动平衡不良。高速时剧烈振动，产生跳火。 (2)换向器偏心或不圆。运行中换向器发热，在热和离心力作用下造成偏心或不圆。 (3)电刷弹簧压力不够，也非越大越好，保持适宜范围，使电刷换向器很好接触，如30000Pa左右，高速及较小截面电刷电机，压力更高些。,90,(4).刷盒与电刷配合不好. 刷盒与电刷配合，应使电刷在刷盒内上下滑动，以致在旋转中产生振动时，保证电刷与换向器有良好接触。也不宜太松，造成跳动，引起火花。 3.化学因素换向器上氧化膜有很必要，有两层薄膜组成，一层是氧化薄膜(主要是氧化亚铜)，是换向器铜排在空气中氧化形成，而且还由于运转时电流流过电刷换向片，
35、使换向器表面水膜产生电解形成。单相串激电动机换向器极性交替，又是交流电，从而便氧化还原交替发生，增加了回路电阻，对改善换向，降低火花有利。,91,二是炭素薄膜，由于旋转中从电刷上磨下的石墨炭粉，吸附了水份而形成。这层薄膜能对磨擦起润滑作用，减少磨擦系数和磨擦损耗。运行中，氧化层在不断被磨损及还原中，同时又在被氧化而加厚，最终达到动态平衡。但当周围空气非常干燥而缺乏水分，会影响氧化膜生成，使换向恶化。当周围有氯气与水分化合物生成盐酸，会消除氧化亚铜，破坏氧化层。,92,4.环火和故障性火花,当电机沿负载剧烈改变时，电枢电流突然增大，电抗电势过大，产生过分延迟换向，后刷边产生强烈火花，形成电弧，沿
36、换向器圆周表面，拉长电弧与火花汇合，导致两电刷之间发生环火。 如果电机发生故障，如定,转子绕组短路，断路，接地等，也会使电机出现火花，称为故障火花。,93,4-5.换向火花等级,火花等级划分按火花征状和对换向器及电刷损伤情况分 不大于 级时，换向器及电刷均无明显损伤 2级时，换向器上有用汽油不能擦除黑痕，电刷上也存灼痕，但电机仍能正常运转。 3级时，换向器及电刷有严重损伤，可能产生环火，电机不容许继续运转。,94,95,4-6 .改善换向的措施,本节着重介绍减小电磁因素造成火花措施。 1.减小换向线圈内电抗电势电抗电势正比于换向线圈电感及电枢电流，反比于换向周期，对于功率大小，转速己定电机，只
37、有降低电感L来改善换向，如减少换向线圈匝数，采用较短转子槽和较短铁心叠压。,96,2.利用换向电势来抵消电抗电势 要使 可从所产生环流与换向后电流方向一致来难断磁场极性。 图(a) ，所示磁场和流入电流，按电动机原理，左手定则，决定转速方向为逆时针。 图(b) ，画出两导体电流为换向前的，利用右手定则推出磁场极性，如图中虚线所示。可见，为改善换向，换向区域内磁场极性应和线圈未进入换向区域磁场极性相同。,97,常用单相串激电动机不加换向极，而用以下两种方法来实现。 (1)逆转子旋转方向移动电刷位置。使转子未到几何中心线就开始换向。不利一面(a)定子磁场作用到转子上有效磁通减少，效率降低，转速升高
38、。 (b)移动电刷过大，改善换向作用并不增加，因为它对变压器电势产生环流无效。一般电刷位移角为10-26度。,98,(2)借偏转子线圈到换向片的接线大多数单相串激电动机的电刷是不能移动的，为了达到移刷效果，可转子线圈接到换向片的位置借偏一个角度。将接线顺转向偏前1-2个换向片，与电刷逆转向移后一个角度是等效。如何进行接线借偏，以及如何计算借偏角度。首先定一个转子槽内线圈中心线，然后定出槽中心线及换向片位置。两个中心线落在换向片上的间距，就是移片数。具体做法如下:,99,100,图4-16中,图(a) ，为一槽两线圈(两个换向片)转子，图(b) ，为一槽三线圈(三个换向片)转子。将相邻槽内的与本
39、槽线圈相连接的第一个线圈边合在一起，并把连到换向片的连线作为基线，这几个连接线的中心，就是线圈中心线。 图4-17中,图(a) ，为一槽两个换向片的转子，图(b) ，为一槽三个换向片的转子。换向片的片中心应对准槽中心线。两个中心线位置及换向片位置确定后，按接线借偏要求，来决定线圈应接到那一换向片上。图4-18(a)为一槽两个换向片的转子，接线顺旋转方向借偏一个换向片;图(b) ，为一槽三个换向片的转子，接线顺旋转方向借偏一个半换向片。,101,以上移电刷和借偏方法，只适用于一种转向的电机，否则反转换向严重恶化。对于正反转电机，电刷放在几何中心线上，线圈连到换向片的接线不借偏。 (3)元件短距的
40、影响a)由于磁极中心处磁密比边缘部分高，元件短距会使换向电势大于电抗电势，产生超前换向。b)由于短距使上下元件边不同时进行换向，削弱互感电势的影响，有利换向。但是，短距后会减少线圈中磁通量，从而减小电机电磁转矩，因此短距不能太大。,102,3.减小电枢反应影响，限止气隙磁场波形过多畸变,为了减小电枢反应影响，可加强定子磁场，相对削弱转子磁场。定子磁势:2WI，而转子磁势:NI/4定转子安匝比:定转子安匝比宜控制在0.85-1.3，大一点对换向有利，过大则铜耗过大，效率下降。 4.限止变压器电势变压器电势往往比换向线圈内其它电势大，而且无法抵消，变压器电势为只有减少每元件匝数设计经验，变压器电势
41、不超过7V,103,5.限止片间电压,220V的电机，片间电压一般控制不超过25V，大多在10-15V，换向片数越多，对改善换向有利，但增加制造成本。 6.削弱互感电势影响实际上电刷宽度总大于换向片宽度，即同时有2-3个线圈进行换向，如这些线圈处于同一槽中，那么它们产生磁通相互匝链，而产生互感电势，使电抗电势增大，换向恶化。减少互感电势有效办法是减少每槽并列线圈数，即虚槽数。此外，采用短距线圈(奇数槽) ，又会产生超前旋转电势，邦助换向。,104,7.选择适当电刷电刷分四类:铜石墨电刷，碳石墨电刷，石墨电刷，电化石墨电刷。一般碳石墨电刷电刷最硬，接触电阻也最大，其次是石墨电刷，电化石墨电刷，铜
42、石墨电刷接触电阻最小。随着温度增加，接触电阻会下降，因此有的电机冷态换向较好，而热态时运行恶化。选择合适的电刷，增加换向回路中电阻，相对削弱了电感影响，换向过程接近直线换向，增加接触电阻最有效方法是选用硬质电刷。但接触电阻过大，接触压降也会太大。,105,笫四章小结本章研究”换向”问题的思路是:直流电机换向(引导)-单相串激电机换向(+变压器电势及影响)-火花-改善换向 换向是单相串激电机的突出问题，其机理分析及火花，对电机本身的影响值得分析讨论。,106,第五章 单相串激电动机的噪声及抑制,前四章中，主要研究单相串激电动机本身的问题，如基本特性，换向等。笫五章，第六章研究单相串激电动机对周围
43、环境的影响。表现在两个方面:一是电机发出的噪声;二是无线电电视干扰，这两个问题其它电机也存在，但不如单相串激电动机那样突出。,107,5-1.噪声的基本概念和量值,声波是个机械波，以空气为媒介传到人耳膜。 噪声的大小通常以声压级表示式中:P-所测点声压(Pa)-基准声压，人耳能听到声音起始声压人耳对音响感觉，还与声波频率有关，人耳听觉频率为20-20000Hz，高于20000Hz超声波，低于20Hz次声波，对1000-6000Hz高频噪声特别敏感。,108,响度是人耳对声音大小感觉较一致的，单位为吩(phon) 。当声波频率为1000Hz时声压级的分贝数与响度吩的数值相同，不同频率时声压级分贝
44、值与响度吩值的对应关系见图5-1。实际上，人耳对声音感觉，与吩值大小不能完全对应一致，当响度大于20phon时，约每增加10phon ，感到声音响一倍。表示噪声大小的量，还有声强级，声功率级，单位也是分贝。声强级的数值和声压级相同，声功率级与声压级有一定折算关系。噪声是电机的重要指标，用于电动工具，一般要求不高于75dB(80dB) ，用于家用电器，一般要求不高于70dB(75dB) ，有更高要求，限止在55dB。,109,110,5-2单相串激电动机的噪声源及抑制措施,振动与噪声是同一现象的两种现象。高速单相串激电动机声源中，空气噪声分量最大，其次是机械噪声，而电磁噪声最小。 1.空气噪声(
45、1)旋转噪声。主要由于风扇转动，使空气流动，冲击，摩擦而产生。大小决定于风扇大小，形状，转速高低和风阻风路情况等。,111,噪声基本频率式中:N-风扇叶片数，n-电机转速(r/min) 风扇直径越大，噪声越大，减少风扇直径10%，可减少噪声2-3dB。为了削弱噪声，使叶片为质数，如13，17，23等。 (2)涡流噪声。风叶形状与风扇结构不合理，或转子表面凸出物，或风扇刚度不够，受气流冲击发生振动，都会造成涡流，引起噪声。 (3)笛声。风叶边缘与通风室间隙过小，会产生单一频率的笛声。,112,常用减少空气噪声: 合理设计风扇(如风扇型式，风扇叶片数，风扇直径等) ，避免产生涡流; 校风扇动平衡;
46、 保证 风叶边缘与通风室有足移间隙; 保证风路通畅，电枢槽口和绕组端部表面尽可能光滑，减小空气流的撞击，摩擦; 采用轴向压力通风。,113,2.机械噪声,(1)轴承噪声。高速单相串激电动机采用滚珠轴承。 滚珠的旋转频率式中: -滚珠直径(mm)-轴承内圈滚道直径(mm)-轴承外圈滚道直径(mm)轴承内外圈滚道中波纹，凹坑，粗糙度是引起噪声主要原因，声压级与波纹高度和波纹数乘积成正比。径向游隙小，也可降低噪声。润滑脂质量的优劣影响噪声，如杂质越多，噪声越大。与粘度也有关，这是因为油膜对振动有援冲作用，粘度大，噪声低，但粘度过大，转动有搅拌声。轴承的安装误差超过某一临界值噪声急剧增大。,114,游
47、隙和安装误差角与噪声关系见图5-2。采用小的径向游隙轴承可降噪。 用滑动轴承代替滚珠轴承是降噪好办法，但没有高速的。 (2)转子不平衡引起的噪声。高转速电机必须进行动平衡。转子不平衡引起的噪声频率等于转子旋转频率，一般在400Hz以下，引起电机振动，增大各部分噪声。当动平衡达G6.3级噪声和振动将明显改善。,115,(3)电刷换向器摩擦所引起噪声。是机械噪声主要来源之一。一般采用半塑换向器，换向片间云母经过下刻而凹下，使摩擦噪声增大，频率提高式中:k-换向片数降噪主要措施:换向器圆度好以及换向片表面平整光洁;刷盒结构牢固;电刷及换向器表面要精密研磨。可采用全塑换向器降噪。 3.电磁噪声2极单相
48、串激电动机的电磁噪声主要是槽致噪声。采用单数槽转子，槽致噪声是周期性单边磁拉力变化产生。,116,图中上部和下部磁拉力不同，旋转过程中定子铁心产生上下周期性振动，同理，转子受到周期性变化的单边磁拉力，引起转子振动。采用双数槽，齿槽变化会引起脉振磁场，产生定子振动。 电磁噪声频率式中:Z-转子槽数,117,此外，电流中高次谐波在气隙中产生谐波磁场，也会产生不均匀力波，产生噪声。单相串激电动机在交流电源下运行，还增加由于主磁通随时间交变而产生周期性磁拉力，故噪声比直流电源下运行更大。 1)转子斜槽，斜一个齿距，斜槽距离越大(齿距整数倍)，削弱噪声效果越好; 2)降低磁密，磁拉力正比于B的平方，但电机设计要求B较大; 3)选用较多转子槽数，最好大于12; 4)增大气隙以及采用不均匀气隙等减少电磁噪声。 5)尽量减少槽口宽度，使齿槽磁导不等影响尽量小。 6)转子为偶数槽，磁拉力只能使定子振动。,118,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,单相串激电动机是产生无线电电视干扰最严重电机之一。本章主要介绍无线电电视干扰产生的机理和抑制的方法。,
