串激电机培训教材.doc
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1、串激电机培训教材目录第一章 基本知识介绍1、 串激原理2、 结构形式第二章 串激电机基本特性及绕线方式第三章 换向及火花知识1、 火花产生的原因2、 影响火花的因素3、 火花的抑制第四章 噪音及振动1、 噪音和振动的关系2、 振动产生的原因3、 噪音和振动的抑制第五章 EMC相关知识第六章 串激电机的设计第七章 串激电机的安全认证要求第一章 基本知识介绍 1、串激原理(1)、串激电机的特点a、使用方便.交流电源、直流电源下均可使用;改变输入电压大小,可以改变转速,调速很方便。b、转速高、体积小、重量轻。它的运行转速一般在10000-60000转/分之间。电机转速越高铁磁材料的用量越少,电机的体
2、积和重量相应减小,比如,8000转/分的单相串激电动机的重量只有相同功率的2800转/分的单相感应电动机的1/3-1/2.c、起动转矩大,过载能力强。比如,12000转/分的单相串激电动机起动转矩为额定转矩的47倍,而单相感应电动机大多为1倍左右,有的还不到1倍,因此,单相串激电动机使用时,不易被子卡住、制动,有大的过载能力。有时还可用作重负载起动的伺服电动机.b、 便于大批量自动化生产,生产效率高,生产成本低。(2)、类似结构电机的励磁方式a、他励式:他励式励磁绕组与电枢绕组不相连接,而由另一个独立的直流电源供给励磁.b、并励:励磁绕组与电枢绕组并联,两个绕组上的电压相等,即电机的端电压。c
3、、串励 励磁绕组与电枢绕组串联,两个绕组中电流相同. d、复励:励磁绕组分两部分,一个与电枢绕组串联,另一个与电枢绕组并联。如串联绕组所产生的磁动势与并联绕组所产生的磁动势方向相同,称为积复励;若两者相反,则称为差复励.通常应用的直流电机为积复励.先将串联绕组与电枢绕组串联,然后再与并联绕组并联,称长分接法复励;反之,先将并联绕组与电枢绕组并联,然后再与串联绕组串联,称短分接法复励。(3)、串激电机原理串激电机是一种其定子线圈,亦称激磁绕组(产生主磁场的绕组)同转子线圈,亦称电枢绕组(产生转矩的绕组)通过电刷和换向器串联在一起再接到电源的一种电机.串激电机电气原理图,如图所示。实际上,前面说过
4、,有了换向器和电刷后,转子线圈中的电流在一个极下始终保持一个方向。比如,在S极下电流是流入线圈,以表示,那么,再N极下电流是流出线圈,以表示。实际上,转子铁芯每个槽均嵌放有线圈,而且所有转子线圈均通过换向器片串联起来,形成一个闭合回路。串激电机工作原理图,如图所示。这是2极电机的情况。 图中定子线圈通过电流IN产生了磁通,转子线圈也流过电流,比如,在S极下的线圈的电流方向是流入纸面,用表示,而在N极下的线圈的电流方向是流出纸面,用表示。定子线圈建立的磁通同通电的转子线圈中的导体相互作用产生电磁转矩,使电机转子旋转.电机的旋转方向可用左手定则确定.今后将定子线圈中的电流称激磁电流,而转子线圈中的
5、电流称电枢电流。激磁电流是流过电刷的总电流,也即是电源提供的电流.电刷将转子线圈分开成两部分并联起来形成两条支路,每条支路的电流为流过电刷电流的一半,也即激磁电流的一半,为Ia=IN/2。2、串激电机的结构第二章 串激电机基本特性及绕线方式1、运行特性a、用交流电或直流电都能运行当一台直流串激电动机,改变它的电源极性,电动机的转矩和转速的方向不变,这是因为激磁电流与电枢绕组是串联的,激磁电流与电枢电流同时改变方向的缘故.如图所示,如果把它接到交流电源上,也能得到同样的结果.这是由于交流电的正半波相当于直流电源的正极性,而交流电的负半波相当于直流电的负极性。b、串激电机的机械特性(机械特性即负载
6、与转速的关系)串激电动机的机械特性较软,即随着机械负载的增加,转速迅速下降c、 几点说明: 。电流与转矩之间的关系特性:I=f(T),它是一类似于抛物线特性.在不考虑磁路饱和的影响时,TI2。电流同转速之间的关系特性:I=f(n),它是一类似于双曲线特性。在电源电压恒定以及不考虑磁路饱和的影响时,n 。 转速同转矩之间的关系特性:n=f(T)。该特性曲线可以用I=f(T)、I=f(n)两特性曲线画出,它是一软特性. 功率因数同转矩之间的关系特性:cos=f(T),它是一接近水平的直线。该类电机的功率因数高,在0。9以上。高转速的电机可高于0.95以上。 此外,单相串激电动机的空载转速在理论上是
7、无穷大的,所以,空载转速很高,因此,通常考虑到电机机械强度问题,不允许空载运转,怕“飞车”。不过,由于有轴承的摩擦,电刷的压力及摩擦和电枢风摩以及由于通风散热的需要,电枢上装有风叶,相当于加上一个小的负载了,所以实际的空载转速不可能是无穷大的。但是空载转速还是比较高的,一般为额定转速的1。53倍,甚至更高.2、转子绕线方式电枢绕组的构成和参数a) 绕组构成由若干绕组元件组成,元件安放在电枢铁心槽内,并以一定规律与换向器片接成闭合回路。由元件组成的闭合回路通过换向器被正、负电刷截分成若干并联支路,再由电刷与外电路相连.每一支路各元件的对应边一般均应处于相同极性的磁场下,以获得最大的支路电动势和电
8、磁转矩。每个元件可以是单匝、多匝或分数匝,即元件匝数Wa1,如图22所示:图示 单匝和多匝元件元件的两个元件边分别放在不同槽的上、下层内,每槽每层并列的元件边数u,通常为15个,如下图所示: U=1 U=2 U=3图示 槽内各元件边的安放当u1时,并列的元件可以布置成同槽式或异槽式,如图24所示:同槽式 异槽式图示 元件上、下层边的布置方式电枢绕组元件总数S为电枢槽数Z和U的乘积,一般与换向片数K相等,即S=K=UZ,电枢绕组总导体数,Na=2SWab) 绕组参数电枢绕组元件在槽内的安放位置及其与换向片之间的连接规律由下列绕组跨距和参数确定:槽跨距YZ,是一个元件的两个边在电枢圆周上用槽数表示
9、的跨距.YZ 的数值应等于或接近于一个极距的内槽数,即YZ= Z/2PZ式中,Z-以槽数表示的短距数,Z1,取“”号时,为短距绕组;取“+”号时,为长距绕组;Z=0时,为整距绕组.整距绕组的感应电动势和电磁转矩最大,但换向性能稍差,相同的情况下换向火花稍大;短距或长距绕组对换向有利,相同情况下火花稍小;长距绕组端部接线长,导线用得多,因此通常采用短距绕组。第一跨距Y1,是一个元件的两个元件边在电枢圆周上用换向片数表示的跨距,也称后跨距。Y1=(K/2P)K=(UZ/2P)K ,式中,K以换向片数表示的短距数。第二跨距Y2,是接在同一换向片上的两个元件边在电枢圆周上用换向片数表示的跨距,也称为前
10、跨距.换向器跨距YK,是一个元件的两个出线端在换向器上用换向片数表示的跨距。合成跨距Y,是两个相邻串联元件的对应边在电枢圆周上用换向片数表示的跨距,其值等于YK,即Y=YK。均匀线跨距Yeq,是需接均压线的绕组内相邻等电位点在电枢圆周上用换向片数表示的跨距。重路数m,是绕组的并联支路数对其相应单重绕组并联支路数的倍数。闭路数t,是所有绕组元件与换向片连接后所形成的闭合回路数。t为换向片数K与YK的最大公约数.不同类型绕组(叠绕组、波绕组)的各种跨距,如图25和图26所示。2、绕组的对称条件在磁场对称分布和电刷接触良好的情况下,为了使电机空载时电枢绕组内部无环流,负载时各并联支路电流均匀分配,电
11、枢绕组各支路的元件数应相等,其对应元件或元件边应处于相同的磁场位置,使绕组在运行时,电枢绕组各并联支路具有相同的电动势和电流.符合上述要求的电枢绕组称为对称绕组。对称绕组应该满足下列对称条件:U=整数;Z/a=整数;p/a=整数。式中,a并联支路对数;p-极对数。这些条件合称为第一种对称条件。若第一种对称条件不能满足,可退而满足第二种对称条件:u=整数;z/a=整数;(2p)/a=整数。3、常用电枢绕组在单相串激电动机和小功率永磁直流电机中常用的电枢绕组为:同槽式的单叠绕组和单波绕组.c) 单叠绕组: 元件布置特点:组成一条支路的各个串联元件,其对应边处于同一主磁极下,元件前后相叠。槽内元件边
12、按双层布置. 重路数mL=1. 支路对路a=pmL=p。 电刷数Nb=2P。 闭路数t=1。 绕组跨距:YZ=Z/2PZ;Y1=K/2PK;YK=1,(取“+”号时,为开口绕组,取“-”号时为交叉绕组);Y=YK;YZ=Y1YK=Y11 均压线:用甲种。d) 单波绕组: 元件布置特点:组成一条支路的各个串联元件,其对应边处于所有同极性的主磁极下,元件展开呈波浪形。槽内元件按双层布置。 重路数mwW=1。 支路对数a=1(支路数与磁极数无关,而且恒等于2,即a=1). 电刷数Nb=2X,1XP(用多于2个电刷的目的,一是使电流分配于较多的电刷上,因而可使换向器的长度缩短,二是保证两支路的对称性。
13、通常电刷数等于磁极数。 闭路数t=1. 绕组跨距:YZ=Z/2PZ;Y1=K/2PK;YK=(K1)/P(对于P为偶数的单波绕组,K必须是奇数,即Z和U都应是奇数,公式中取“+”时,为交叉绕组,取“-”时,为开口绕组;Y=YK;YZ=YK-Y1。 均压线:不需要。c) 复叠绕组,实际上只制造两叠绕组,即mL=yk=2。若换向器由偶数换向片组成,例如,k=24,则得到两个独立的闭合绕组。如果从第一换向片开始绕线,当yz=2时,则奇数换向片,即1-35-231和这相对应奇数槽组成一个独立的闭路绕组;同样,偶数换向片246-242和这相对应的偶数槽组成一个独立的闭路绕组.这种电枢绕组称为双闭路两叠绕
14、组。若换向器数K为奇数,例如k=23,则按1-3-5-23-24221的次序连成一个闭路绕组。这种电枢绕组称为单闭路两叠绕组。)元件布置特点:同单叠绕组。重路数mL1支路对数a=pmL电刷数Nb=2p闭路数t为k与Yk的最大公约数绕组跨距:YZ=(Z/2P)Z;Y1=(K/2P) K;YK=mL(取“+”号时为开口绕组,取“-号时为交叉绕组。);YZ=Y1YK。均压线:用甲种加乙种或丙种d)复波绕组:在绕换向器一周后,最后所接的换向片可和出发的换向片相紧接,但也可离它2,3或mw片换向片,这时所得到的不是一个而是2,3mw个独立的单波绕组,各有两条并联支路,而全部mw个绕组则有a=mw对支路。
15、如果k和Yk互为质数,就可得单闭路复波绕组。元件布置特点:同单波绕组。重路数:1mwp。支路对数:a= mw。电刷数Nb=2p。闭路数t为k与Yk的最大公约数。绕组跨距:YZ=Z/2PZ;Y1=K/2PK;YK=(Kmw)/P(公式中取取“+”号时,为交叉绕组,取“”号时,为开口绕组)。Y=YK;YZ=YK-Y1。均压线:乙种或丙种.4、绕组应用范围单叠绕组:支路数比波绕组多,用于一般电压和转速的各种容量电机。单波绕组:支路数量少,只有两条并联支路,不需均压线,制造方便。适用于小容量及电压较高或低速电机。复叠绕组:支路数比单叠绕组多,适用于大中型或低电压大电流电机。复波绕组:支路数比并波绕组多
16、,比单叠绕组少,可用于多极数的低速大中型 电机。5、均压线实践证明:即使已满足了电枢绕组对称的条件,但电枢绕组每条支路的电势仍不相等。这主要是由于磁的不对称所引起的,即各磁极下磁通不相等(对2p2).产生磁通不等的主要原因是磁极铁芯安装不良,电枢和磁极不同心而使各极下的气隙长度不相等。由于各支路中电势不相等,于是在绕组内部产生一个自高电位流向低电位的均压电流(也称绕组内环流).该电流使各支路的电流分压不均,其后果是加重了绕组和电刷的负担,并使换向情况变坏,此外,增加绕组中的铜耗,使电机温升增高,而且效率降低。在多重路绕组中,各个重路的电刷接触电阻不等将使各并联支路的电阻不等,从而使各支路的电流
17、分配不均,必会导致绕组中的铜耗增加,使电机温升增高,效率降低,同时还导致换向片间电压分布不正常,使换向情况恶化,有的甚至引起环火。现以单位叠绕组为例加以说明.令2p=4,2a=4图27对称绕组的电流分配 图28不对称绕组电流分配、假定绕组各支路在完全对称的情况下工作,则每一支路流过同样大小的电流,ia=100A,又设每一支路的内阻ra1=0.005,略去电刷的接触电阻不计。若该电机作电动机用,并设其端电压,v=12v,则在电枢中每一支路感应电势Ea=viara1=a1=120.5=11。5v,此时,每一电刷的负载电流为200A,因此,绕组中的铜耗为2ai2ara1=410020。005=200
18、w、假定绕组各支路在不对称的情况工作,各支路的电势不相等,且分别为12、11.75、11。25和11v因ia=(v-Ea)/ra1,所以,各支路的电流按该式计算,分别为:0A、50A、150A和200A,各支路电流分配不均,不相等。此时,其中一个正电刷过于轻负载,只流过50A,而另一正电刷则过负载,流过的电流达350A。负电刷的负载保持正常。过负载的正电刷很可能火花大。铜耗将为5020。005+15020.005+20020.005=325w,该铜耗为对称时的1.625倍。为了消除由于均压电流在个别支路及电刷上的过负载,应该设置均压线,即用低电阻导线,将绕组在理论上有等电位的各点连接起来.该连
19、接等电位点的导线为均压线。对所有a1的绕组均需采用均压线,以获得满意的换向条件.均压线分类:按其所起的作用不同,一般分为甲、乙 、丙三种。、甲种均压线.用以改善电机磁场不对称的,称为甲种均压线或第一种均压线.一般用于多极单叠绕组或多叠绕组的各个重路内。、乙种均压线.用以保证绕组各并联支路电阻相等,并使换向片间的电压保持均等,而等电位点在电枢铁心同一端的,称为乙种均压线或称第二种均压线。一般用于多重路绕组的各个重路之间。、丙种均压线。用以使换向片间电压均等而等电位点在电枢铁心两端的,称为两种均压线或称三种均压线,也称为punga连接线.两种均压线要在铁心和轴之间穿过.一般用于对称双叠绕组两独立的
20、重路之间,或者2p/a为奇数的双波绕组。常用绕组的均压线连接特点:、满足第一种对称条件的多极单叠绕组,其均压线用甲种均压线,均压线跨距yeq=k/p,其全额根数Neqm=k/p。、双波绕组:e) 满足第一种对称条件,且2p/a=偶数,其均压线用乙种均压线,均压线跨距yeq=k/a,全额根数Neqm=k/a3。f) 满足第二种对称条件,且2p/a=奇数,其均压线用丙种均压线,均压线跨距yeq=(kyk)/a,全额数Neqm=k。、双叠绕组:a) 满足第二种对称条件,且k/p=偶数,t=2,其均压线用全额甲种,接重路内各等位点,均压线跨距yeq=k/p,全额根数Neqm=k/p.也可用全额丙种,接
21、重路间各等电位点,全额根数Neqm=k,其连接方式举例于下图29所示: 34 5 101617 151617 222324SNSN 3 4 5 6 7 15 16 17 18 19 2p=4,Z=S=K=24 图29b)不满足对称条件,且k/p=奇数,p=奇数,t=1,当p3时均压线兼起甲、乙种作用,接重路内各等电位点,均压线跨距yeq=k/p,全额根数Neqm=k/p.关于均压线的根数:若全额均压线连接时,均压线的根数为Neqm,但是,全额均压线连接只用在其些大型和换向困难的电机中。一般中小型电机通常每槽只接一根均压线,转速低的电机还可再少接一些.采用的均压线根数Neq与Neqm之比称为均压
22、线的分额,份额数越大,均衡效果越好.关于均压线的截面积:通常为电枢绕组导体截面积的20%50%,均压线份额高时可取得小一些.截面积过小将降低均压效,截面积过大,不但增加用铜量,还将导致均压线布置困难。关于均压线的连接:常用绕组均压连接举例如下图30和图31所示:2 3 4 6 7 8 10 1112 14 15 16 2 6 9 13NSNSNSSN 2 3 4 5 10 11 12 13 1 2 9 16 K/P K/a 2p=4,z=s=k=16 2p=4,z=s=k=16 a)单叠绕组甲种均压连接 b) 双波绕组乙种均压连接 S N S S NN图301 4 7 10 13 1619 2
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