1、串激电机 (Universal Motor )单相串励电动机的定子由凸极铁心和励磁绕组组成，转子由隐极铁心、电枢绕组、换向器及转轴等组成。励磁绕组与电枢绕组之间通过电刷和换向器形成串联回路。 单相串励电动机属于交、直流两用电动机，它既可以使用交流电源工作，也可以使用直流电源工作。 串激（串励）电机就是定子绕组和转子绕组串联的。,串激电机技术讲座,IIaIf,串激电动机特点和主要用途,主要用途1）电动工具（电钻、角磨、电锯、砂光机、电刨）2）园林工具（割草机、修枝剪、电链锯）3）医疗器械（牙床机）4）家用电器（吸尘器、电吹风、榨汁机、滚筒洗衣机）,串激电动机特点1）可交流、直流两用；2）转速高，
2、一般800035000转/分；3）调速方便（调压调速），且转速与电源频率无关；4）启动转矩大，46倍额定转矩；5）机械特性较软，过载能力强；6）体积小，用料省；7）不足：碳刷和换向器有磨损、换向火花、电磁干扰等,串激电机等值电路,定子线圈与转子线圈在电路上是串联换向器的换流作用，不论工作在交流电的正半波、负半波或是恒定直流电，其电磁转矩方向是一致的。这正是串激电动机可以交流、直流两用的原因If = 2*Ia,电压相量图,串激电动机的机械特性,单相串激电动机的换向,1. 换向过程？,（假设电刷宽度等于换向片宽度）,电枢旋转时，被电刷短路的元件从短路开始到短路结束， 从一条支路转换到另一条支路，
3、电流改变了方向。 换向元件中电流的这种变化过程，称为换向过程。 从换向开始到换向结束所需时间，称为换向周期,直线换向、延迟换向与超前换向,换向元件中的电流由电刷与相邻两换向片的接触面积决定。变化曲线时一条直线， 称为直线换向。,延迟换向是由于换向线圈中产生电抗电势而造成的，可能后刷边出现火花。,当旋转电势与电抗电势反向，且大于电抗电势时，则成为超前换向。可能在前刷边出现火花。,换向火花形成的原因,机械性火花：1)转子平衡不好或装配不好，造成转子振动2)换向器偏心、圆度差、光洁度不好3)弹簧压力不合适4)碳刷与换向器接触不好5)碳刷与刷盒配合不好6)碳刷材料不合适电磁性火花：1) 换向火花（换向
4、线圈的电流突变，电磁能释放）2) 电位差火花（换向器片间电压过高）化学火花：1) 换向器表面氧化层（主要是氧化亚铜和碳素薄膜），这层氧化层在运转中被不断地磨损和加厚,换向火花等级,改善换向的措施一,减少换向元件的感应电势和旋转电势，限制片间电压，可以有效地改善换向。,抵消电枢反应磁势，使ea0,建立Bk，产生ek，使,方法一：装换向极,改善换向的措施二,方法二：移动电刷位置,改善换向的措施三,方法三：借偏（不能用于正反转的电机）借偏与移动电刷位置是等效的，换向片数与角度也可进行换算。下面我们讨论如何进行接线借偏，以及如何来算借偏的角度。线圈中心线：将相邻槽内的与本槽线圈相连接的第一个线圈边合在
5、一起来看，并把连到换向片的连线作为基线，这几个换向片连接线的中心，就是这个槽内的线圈中心线。如图：,借偏片数的准确定义,关于电枢绕组借偏片数的判断比较复杂，涉及的情况较多，平时很容易搞混。在此对电枢绕组的借偏片数作一个准确的定义：当电枢某线圈平面处于和定子磁极几何中心线平行状态时, 该线圈中心线与电刷中心线相差的换向片数为电枢绕组接线借偏片数。该片数折合成的电角度等效于电刷逆电枢旋转方向偏离磁极几何中心线的电角度。对于两极串激电机, 该角度应在10度26度之间。如图所示, 线圈中心线与电刷中心线相差片片换向片, 那么就可以说, 该电机电枢绕组接线借偏为片, 即借偏30度（电角度）。以此做为电机
6、设计计算的依据就不会产生错误了。,借偏实例讲解,单相串激电机噪声源,一、空气噪声：空气噪声主要由于风扇转动，使空气流动、冲击、摩擦而产生的。噪声大小决定于风扇大小、形状、转速高低和风阻风路情况等等。降低空气动力噪声的主要措施：对散热良好或温升不高的电机尽量取消风扇，消除噪声源；对外风扇，在设计时尽量不留通风裕量，优先采用轴流式风扇；外风扇与转轴的联接不用键联接，而采用滚花直纹工艺；外风扇应厚薄均匀、无扭曲变形、间距均匀，且应校动平衡；风道中尽量减少障碍物，有专用风道的宜采用流线形风道，风道的截面变化不要突然；转子的表面应尽量光滑。,二、机械噪声,、轴承噪声的产生与控制 ：由于轴承随电机转子一起
7、旋转，因滚珠、内圈、外圈表面的不光滑，它们之间有间隙，滚珠的不圆或内部混合杂物，而引起它们间互相碰撞产生振动与噪声。其产生的噪声值与滚珠、内外圈沟槽的尺寸精度、表面粗糙度及形位公差等有很大关系。、转子不平衡引起的噪声：残余不平衡量，使得转子转动时就会产生附加的离心力，轴承或支架就会受到周期性附加离心力的作用，通过轴承或支架传到外壳，引起振动，产生噪声。当不平稳量过大或转速过高，将使电机无法正常工作，甚至损坏或飞逸，后果十分严重。电机中冷却风扇的不平衡同样也会产生较大的噪声。 、碳刷装置的噪声：是由碳刷位置安装不良或碳刷与刷架的配合不当或碳刷压力不适合及换向器表面有毛刺或圆度不够等多方面的原因所
8、产生的。 碳刷的倾斜角及刷架外面的伸出长度与噪声大小也有一定关系；另外就是碳刷性能的好坏。,降低轴承噪声应采取下列方法,一般应采用密封轴承，防止杂物进入；轴承生产厂在轴承装配前，对滚珠、内圈、外圈的机加工一定要达到设计要求，在装配时，应有严格的退磁清选工序，洗去油污与铁屑。事实证明，清洗后的轴承比清洗前的轴承噪声一般降低3dB。润滑脂一定要清洁干净，绝不能含有任何铁屑、灰尘和杂质；轴承外圈与轴承室的配合、内圈与轴的配合，一般不宜太紧。轴承外圈与轴承室的配合，其径向间隙宜在39m的范围内；为消除转子的轴向间隙，必须对轴承施加适当的压力。一般选用波形弹簧垫圈或三点式弹性垫圈，且以放在轴伸端为宜；对
9、于噪声要求特别的电机，宜选用低噪声轴承。当负载不太大时，可采用含油滑动轴承，它比同尺寸的滚动轴承的噪声有时可低10dB左右；,三、电磁噪声,二极单相串激电机所产生的电磁噪声主要是槽致噪声。在采用单数槽转子时，槽致噪声是由于周期性的单边磁拉力的变化所产生的，如下图。,采用双数槽转子时，不会发生上述情况，但齿槽效应较严重，引起振动。除上述原因，还有电流中的高次谐波分量，在定转子气隙中产生谐波磁场也会产生不均匀力波，造成振动而产生噪声。,改善电磁噪声的方法,针对产生电磁噪声的成因，我们可采用下列方法降低电磁噪声。尽量采用正弦绕组，减少谐波成份；选择适当的气隙磁密，不应太高，但过低又会影响材料的利用率
10、；选择合适的槽配合，避免出现低次力波；采用转子斜槽，斜一个定子槽距；定、转子磁路对称均匀，迭压紧密；定、转子加工与装配，应注意它们的圆度与同轴度；注意避开它们的共振频率。,串激电机的电磁兼容,由于串激电机是含有整流子和电刷的旋转电机，当电刷将相邻的整流片短接时，在与整流片相连接的电机转子绕组中有短路电流流过，紧接着电刷很快地转入断开状态，在此瞬间将产生火花放电骚扰，这个过程是一个重复转换过程，产生的骚扰具有很宽的频带，幅射能量最强的频率通常在1015 千赫范围内，而其高频部分可达300兆赫以上。这个频谱与无线电通讯、广播和电视等使用频带相近，因此对它们产生干扰。通常在电机的接线端子上，传导骚扰
11、电压可达几十微伏至几百毫伏；对于非金属壳体电机，在1m 距离处引起的感应电压可达30005000V。由此可见，串激电机是家电中的重要骚扰源，它既产生很强的传导骚扰，又产生一定的感应骚扰和幅射骚扰。相应的控制技术和措施：在骚扰源处抑制骚扰源；减少骚扰源和敏感电路之间的耦合；按最小灵敏度要求（不敏感）设计敏感电路，达到EMC 要求。,满足EMC要求的具体措施,一、降低串激电机的骚扰）改变换相位置（借偏、移动电刷）选用合适的电刷装置：刷握内腔尺寸与电刷尺寸应配合适宜，不可过松。弹簧压力选择在56 N/cm2 较合适。）保证加工工艺要求：转子动平衡；转子径向跳动；换向器表面光洁度；转轴与轴承的配合及硬
12、度、油成份、含油量；刷握安装直线度等等，都应满足高标准。二、拟制传导骚扰：最常用的是利用电感和电容多元件组成的滤波器。滤波电路如图所示，,非通用措施,也可采用阻容电路进行滤波，其中的电阻为压敏电阻。当加在压敏电阻两端的电压值低于额定电压时，它的电阻几乎是无穷大，而稍为超过额定值后，电阻值便急剧下降。利用此原理，压敏电阻即可限制和吸收电机所产生的脉冲电压和浪涌电流。虽然采用电感-电容电路基本上可达到滤波的作用，但由于在高频下电容器引线有很大的电抗，往往消弱了滤波的效果。在某些电机的试验曲线中可以看到，在个别高频段，骚扰电压幅值超过标准的范围，这主要是某一频率下的火花骚扰造成的。因此，要将普通电容
13、换成“穿心式电容”，但由于此类电容价格较贵，所以对于这类电机还需在电刷与外壳间并联二个电容，以消除这些频率的干扰。,问：为什么串激电机的两个定子线圈通常对称接在电枢两端？,答：不接在电枢的一端，增加了两端电路的高频传输阻抗，对抑制30MHz以下的干扰，能有明显效果。,单相串激电机设计,近年来，电磁设计中的发展情况，归纳总结如下：）由于转子动平衡精度的提高，提高电机转速，缩小电机体积，提高电机功率。现用于电动工具上的电机，有的转速已高达30000r/min。但转速的提高必须在机械结构允许，电机动平衡有足够保证的情况下，且一般只限于直径小的电机，直径大，而转速过高会导致电枢绕组承受不住离心力的作用
14、，在槽内抖动，甚至被甩出槽。）采用深槽定子，增大转子直径，缩短定子线圈匝长，提高电机功率。适用于对电枢温升较高、定子温升较低电机的优化设计。）增加激磁安匝，提高磁通密度。硅钢片性能提高，适当提高磁通密度，可缩小磁路尺寸，槽满率，温升，都有很大的调整空间。且有利于换向，降低空载转速。这里适当主要看硅钢片的磁化曲线，过高会导致电机温升高，效率低，等负面影响。,电机主要尺寸的确定,确定电机的主要尺寸的计算公式如下，转子冲片外径，为叠长。,电磁内功率（即通常所说的电磁功率），可有后式估算,极弧系数，取0.60.7,气隙磁密（T），可参考（图12）选取,线负荷（A/cm），可参考（图12）选取,当0.5
15、,转速(r/min),（当0.5）,（当0.5）,E、B级绝缘的平均效率曲线,电磁负荷的选取,从公式看出，取值越大，电机尺寸越小。电枢线负荷表示电枢外径圆周单位长度上的安匝，铜耗增大，线匝增多而导致电抗电势增大，恶化换向。因此增大是有限制的。从公式来看, 一定时，B也是定值，A取得大则B可取小，反之亦然。但B过大，导致铁芯中各部分磁密过高，尤其是电枢齿部和定子轭会过于饱和，使定子线圈增加过多以及电枢铁耗增大，效率降低，温升升高。所以在电机设计时，电磁负荷的取值一定要适当。可参照下图选取，该曲线是用于连续负载E,B级绝缘单相串激电机，对于短时定额可适当提高。100145(A/cm)=0.350.
16、55(T),电磁负荷的取值曲线,磁路参数选取,1.定转子安匝比和铁心各部分磁密 定转子匝比是一个重要的磁路控制参数，匝比大，定子主磁场强，电枢相对弱，则磁场畸变小，有利换向。磁路饱和度高，利于稳定转速，提高机械硬度。但铜耗增大，铁耗也增加，温升增高，效率下降，定子电抗增大而功率因数降低。所以匝比应维持合理范围，过大没有意义。定转子安匝比推荐范围0.851.3。功率小取大值，功率大（400W以上）取较小的值。 磁路的饱和程度是由铁心各部分磁密大小来决定的，由于结构的需要，各部分磁密不同。正常设计的电机，铁心各部分磁密范围一般如下： 定子极身磁密 Bp 0.60.9（T） 1.01.4（T）深槽定
17、子 定子轭部磁密Bc1 1.61.75（T）电枢齿部磁密Bt 1.651.8（T）电枢轭部磁密Bc2 1.351.65（T）,极弧系数和气隙长度,极弧系数是极弧长度和极距的比值。极弧系数越大，电机尺寸越小。但极弧系数过大则影响到换向区域，对火花不利。 气隙长度也是磁路重要参数，气隙中所分担的激磁磁势占全部激磁磁势的40%50%。越长，磁势消耗越多，使定子绕组匝数增多，铜耗增加，并因定子电感增大，而使功率因数下降。增大也有好处，可减弱电枢反应，有利换向，并且也减弱齿槽效应，降低损耗，弱化定转子偏心带来不利的影响。单相串激电机通常取为0.3mm0.9mm,小电机取较小值。选用计算式如下：,(cm)
18、,极距（cm）,绕组温升控制,1.限制值来控制电枢绕组温升 其中系数KA可根据额定输出功率从图中选取，此曲线适用于连续运行定额温升不超过70K扇冷结构电机。对于电动工具级绝缘允许温升90的标准，KA值可按比例适当放大 。,限制I2r1的数值以控制定子绕组温升,直接影响定子温升的因素是定子铜耗 I2r1，同样可用电机主要尺寸来计算定子铜耗的限值，计算式如下：系数可根据定子外径从图选取。此曲线适用于连续运行定额及温升不超过60K扇冷结构电机，同样可适当放大。,（W）,硅钢片的选取,硅钢的牌号一般表示为（A）mm(B)nnnn其中A通常是厂商的代码，也有的厂商代码表示在B中，B表示产品系列（这个各厂
19、商都不相同），mm表示钢板厚度*100，nnnn表示铁损标称值*100。以B50A470为例，B的宝钢的代号，A表示是普通系列，50表示0.5毫米厚，470表示该牌号的标称铁损值P15/50是4.7W/kg。类似的产品，太钢的叫50TW470，其中T是太钢的代号，W表示无取向的意思。同样的，同一牌号的硅钢，性能可能差不多，在鞍钢叫做50AW470，在武钢叫做50DW470.顺便说一句，武钢的牌号很多，470就有50DW470、50WW470、有时还有50W470存在。甚至国外的牌号也有类似的，比如JFE的就叫做50JN470.,硅钢片的磁性能,磁性能指标既然说到了牌号，就顺便说一下硅钢的磁性能
20、指标 主要有这么几个，P10/50，P15/50是铁损的主要指标，其中10或15是指磁感为1.0或1.5T，50是50HZ。B10、B25、B50、B100，分别表示在当磁场强度为1000、2500、5000或10000A/m时的磁感值。磁性能，再进一步的，就是损耗曲线和磁化曲线。大体上损耗曲线主要影响铁耗，损耗是越低越好，磁化曲线主要影响功率因数，磁感是越高越好。只不过这两者之间本身就是一个矛盾体，通常损耗越低的硅钢，磁感也会低一些。所以说，不是牌号越高就一定好，适用最好。,W470磁化曲线,风摩耗曲线,单相串激电动机设计框图,（如右）,单相串激电动机的绝缘结构,基本绝缘：对于带电部分提供触
21、电基本保护的绝缘，但不必包括功能用途的绝缘。附加绝缘：为了在基本绝缘一旦失效时，防止触电而在基本绝缘之外又设置的独立绝缘。双重绝缘：由基本绝缘和附加绝缘两者组成的绝缘系统。加强绝缘：提供防止触电的保护程度与双重绝缘相当的危险带电部分的绝缘。,电动工具的触电防护分类,类工具：它的触电保护不仅依靠基本绝缘、双重绝缘或加强绝缘，而且还包含一个附加的安全措施，即把易触及的导电部分与设备中固定布线的保护（接地）导线连接起来，使易触及的导电部分在基本绝缘损坏时不能变成带电体。具有接地端子或接地连接器的双重绝缘和/或加强绝缘的工具也可认为是类工具。类工具：它防触电保护不仅依靠基本绝缘，而且依靠提供的附加的安
22、全保护措施，例如双重绝缘或加强绝缘，但即不提供保护接地也不依赖安装条件。类结构：指工具中依靠双重绝缘或加强绝缘作触电保护的部分。类工具：它的防止触电保护依靠安全特低电压供电，工具内不产生高于安全特低电压的电压。类结构：指工具中依靠安全特低电压作防触电保护的部分，并且该部分不产生高于安全特低电压的电压。,爬电距离与电气间隙,爬电距离：两个导电零件与机壳之间，考虑在绝缘材料易触及表面上紧贴着一层金属箔，沿绝缘材料表面量得的最短路径长度。电气间隙：两个导电零件之间，或一个导电零件与外壳表面之间的最短距离，考虑在绝缘材料易触及表面上紧贴着一层金属箔，穿越空气量得的最短距离。,最小爬电距离与电气间隙（3883.1）,谢谢观赏！,
