串激电机技术指导.ppt

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1、1,交直流两用电机资料,小型电机的分类、市场 电机的基本原理 直流电机（共通、关联） 交直流两用电机（单相串励换向器电机） 附录,2,小型电机的分类、市场,3,电机的分类,4,小型电机的分类及定义,小型电机的分类与定义 （除玩具用电机）,5,小型电机的生产情况,技術,6,未来预测,技術,7,电机的基本原理,8,交变磁场与旋转磁场,技術,图3.1交变磁场,图3.1旋转磁场,9,力矩的产生原理,图3.5 夫累铭（fleming）左手法则,最基本的电磁力是如图3.5所示的夫累铭左手法则而产生，当磁场B中所置的长度 为l的导体上流通电流I时，载流导体所受的作用力F为： F=IBl,图3.5 夫累铭左手

2、法则,10,电机存在的3种力矩,技術,电磁力中除了导体所受的作用力外，还有铁心及永久磁石所受的作用力，严格 来说，微小部分所受的作用力可用下式（3.13）来表示。,在这里，i：电流密度，B:磁密，H：磁场的强弱，ur：可逆透磁率，J：磁化的强度。 与此式中的3种力矩对对应的有3项，与式(3.13)相同，第1项是载流导体所受 的作用力，在后面会讲到如果绕组向无铁心电机一样全部在磁场中，那么就可以 考虑只有这种力在作用。第2项是铁心表面所受的作用力，在铁心槽内绕线的电机， 基本上是以这种力在作用。第3项是永久磁瓦的磁极所受的作用力，永久磁瓦转子 因为受此力而转动。,11,电机存在的3种力矩,技術,

3、但是，要用此式根据作用点的电磁力直接计算力矩一般是比较困难的，所以通常是使用虚功原理（移动微小距离时的工作与那时的磁场能量变化量是相等）根据积蓄磁气能量Wm的变化，以下式(3.14)为基础进行计算的情况比较多。,气隙面的吸引力（法向力）F是在气隙长度的变化方向X、微分积蓄磁气能量Wm而得出的。旋转力矩（发生力矩）T同样地是在旋转方向、处微分积蓄磁气能量Wm而得出。 这个计算的具体方法就是终章中所示的FEM有限要素法解析。 如上所述，电机中有导体、铁心、永久磁瓦这3个发生力矩的要因。 总之，电机上存在着含磁阻力矩、波动力矩的3种力矩发生要因。,12,法向力与切向力,技術,中所积蓄的能量，X是位移

4、量，这叫做假相位移原理。电机的话，其力的发生是在气隙 面进行的。图(a)是表示气隙附近的概略图，在这里，W是磁气能量，X是旋转角或是气隙长的变化。 作为发生力，与气隙面垂直方向的吸引力Fn（叫做法向力Normal Force）绝对要多，但如图(b)所示的圆筒结构的对称设计时，与上下、左右的气隙面垂直所发生的磁气吸引力相互打消，合成值基本为0。与此相对的，与气隙面平行的成分Ft（切向力Tangential Force）虽然只是法向力的几分之1，但全周积分后的合成值便成了电机的 发生力矩了。,作为一种物理现象的力F、其发生是遵循,的大法则，在这里，W是磁场,法向力与切向力,法向力与切向力,13,电

5、机力矩的2个基本,技術,在这里我们对电机力矩的2个基本做进一步进行思考。 首先，设想一下永久磁石间相互极引和排斥的关系，图3.6中表示定子磁极（上侧S-N2）和转子（下侧N1）的相对相位角和发生力矩的关系。 力矩发生的基本原理是异极相吸、同极相斥，总之让上下磁极中心（磁瓦中心）保持一致而产生力。,图3.5 力矩与相位角度的关系（力矩角）,图3.6 N、S磁瓦中心的偏移角与 法向力的关系,14,直流电机（共通、关联）,15,直流电机的结构,图4.7 音响机器用微型电机的结构图例,图4.7中的微型电机，罗列其零部件名称：轴、定子磁气机壳、绝缘端 盖、轴承、绕组、转子铁心、整流子、定子永久磁石、碳刷

6、防 震用减震器、环形可调电阻。,16,直流电机的结构,图4.8 有槽标准型DC电机,图4.8中的有槽转子DC电机，其结构包括有槽转子铁心、整流子、转子绕组、 碳刷、 永久磁石。 此结构的特征是，转子绕组与整流子片数做多，从设计上可提高电压，输出可做到几十几百W。,17,直流电机 绕组接线,技術,星形接线与三爪接线 对3槽电机的接线方式进行简单地说明，槽内绕组所产生的感应电压因其绕组的接线方式不同，输给碳刷端子上的电压也会不同。其代表性的接线方式如图4.4的星形接线和三爪接线。,各槽内的绕组感应电压e是相同的，但碳刷间出现的合成电压(a)和(b)是不同的。星形连线图(a)是通过N（称为中性点）将

7、各绕组的一端共同连接，所以碳刷端子上出现的电压就只是2个绕组的和2e，而另一边，三爪接线中端子电压是随着绕组数的增加而增大。,18,碳刷与换向器例,技術,19,直流电机的基本式,技術,（1）直流电机的基本式 基于电磁感应作用电机的一般式是遵循夫累铭左手或是右手法则，所以转速、磁通、力矩、发生电压间的关系式是以基本电压方程式来表现。这不仅仅是限定于直流电机，一般的电机也可通用。 结论是以下列2条式子为基本式。,（4.1）式从电压方程式导出转数n的关系式，kV/rpm是感应电压常数、是电机设计时决定的特有常数，Wb是主磁通量，VV是电源的外加电压，IRV是电路的压降。（4.2）式是发生力矩T的关系

8、式，kT/A是力矩常数。力矩常数与感应电压常数k一样是电机设计的特有常数，发生力矩T基本上是与主磁通量Wb和电流IA的积成比例。,20,直流电机的基本式,技術,另外，电机的输出和输入功率有如下关系式：,（4.3）式中是输出功率的关系式，w.T是旋转角速度wrad/s与力矩TN.m的乘积，这就是机械输出功率。但是，从能量保存的法则上来考虑，机械输出功率与电气输出输率是一样的。这种情况，有效电气输出功率就是电机反电动势（发生电压）Er和电流Io的乘积。这也就可以根据能量保存法则从原理上来证明等效。,21,直流电机的等效电路,技術,图4.5 DC电机的电压等效电路,根据Eo与Er的电压差E（=Eo-

9、Er），这个闭合电路内，流通有E=Eo-Er=Io.R的电流Io。,直流电机的等效电路 机械输出与电气输出功率的等效关系如图4.5所示，Eo是外加电压，Er是电机的反电动势，E是电压差，I.R是电阻部分引起的压降，Io是电路电流。像这样的电路称之为DC电机系统的等效电路。 通常，电源电压Eo与电机的反电动势Er间，有这样的关系：,图4.5 直流电机电压等效电路,22,直流电机的特性,技術,图4.5 直流电机电压等效电路,根据此等效电路，可以理解电机的性能。首先，将DC电机连接到Eu的DC电源上，因为最开始没有旋转，所以Er=0、E=Eo。当全部电压施加到串联电路电抗R上时、流通Ia=Eo/R过

10、大电流，产生很大的力矩。接着，转子的转速开始上升时，电枢绕组内发生反电动势，相应此部分E会减少。最后加速完成，最高转速为恒定状态，如果电机没有损失、那么不要力矩，所以Io.R=0，即Eo=Er、不流通电流。 以上的关系如图4.6所示。这是永久磁石电机中具有代表性的它励式DC电机的一般性能。换言之，也就是可以忽略电枢反作用及铁心的饱和现象时的例子。,图4.5 直流电机电压等效电路,图4.6 永久磁石DC电机的特性图,23,直流电机 转子角度与力矩,技術,24,交直流两用电机,25,交直流两用电机,技術,26,交直流两用电机的分类,技術,27,交直流两用电机的分类,技術,以感应作用补偿,与激磁串联

11、、90相位,28,交直流两用电机的分类,技術,(2)单相并励电动机（single-phase shunt motor) 这种类型如图4.35所示，是指激磁F与电枢A并联的电机。 (3)单相复励电动机(single-phase compound motor） 这种类型如图4.36所示，是指并联的两个激磁F1和F2与电枢A串联在一起的电机。,图4.35 单相并励电动机,图4.36 单相复励电动机,29,交直流两用电机的分类,技術,图4.37 单相排斥电动机,30,交直流两用电机的分类,技術,(5)3相串励电动机、3相并励电动机 这些电机是将单相串励电动机和并励电动机设计成3相绕组结构，例如3相串激

12、电机是如图4.38所示的方式接线。,图4.38 3相串励电动机,31,单相换向器电机的种类,電気工学,32,串激电机的结构,技術,串激电机的结构如图4.39概略图所示，主要部件是定子和转子，各部件的名称如图所示。此图中省略了支撑定子、固定转子轴承的端盖。 串激电机如通常图4.39所示，是2极结构，在2个激磁绕组中间连接电枢绕组。,33,单相串励换向器电动机-结构,資料,34,单相串励换向器电动机-结构,資料,（3）如果增加电枢的匝数，那么电枢的反作用将会变大，所以除了极小输出的电机外，一般会设计成在4.7的5处所学补偿绕线。 （4）由碳刷短路的绕组中，除4.3的4中所学由电抗产生的感应电动势以

13、外，因主磁通量的交变，还会感应出受变压器作用的电动势，导致短路电流变大，整流困难。为了改善此问题，采用接触抵抗相对较大的碳刷。另外，在大型电机上设立补极、或是在电枢绕组和换向器片之间使用高电阻的导线连接，以限制短路电流。,35,为何可AC、DC两用？,技術,串激电机的工作原理基本上与直流电机完全相同。但是，直流电机是主激磁 由永久磁石作成、有一定的方向，而串激电机是由激磁绕组形成，其方向及强度 随时间的变化而不同。这两种电机都是基于夫雷铭左手法则、受永久磁石或激磁 绕组形成的磁场与电枢绕组中的电流的相互作用，从而得到一定方向的转矩。,36,为何可AC、DC两用？,技術,37,为何可AC、DC两

14、用？,技術,38,为何可AC、DC两用？,技術,式(4.19)中，电机力矩的平均力矩是P/4azmIm， 随电原频率的2倍频率而变化，可以理解为如图4.40 所示的变动力矩。,图4.0 电气的发生力矩,在这里，电枢电流ia是交流，所以,另一方面，忽略铁损后，,式子可以这样列。,在式(4.16)中代入式(4.17)和(4.18)后，,39,为何可AC、DC两用？,技術,40,换言之，交直流两用电机也与DC电机一样，其转速因系统的等效电路即电压方程式而被规定。电机的反电动劝势Er不可能比电源电压V0大，也就是说EoEr的关系式成立。另外其发生力矩与电枢电流ia的平方成比例的关系下节叙述。结论是电机

15、的空载转速可以无限制在上升。 也就是说交直流两用电机（串励电机）的转速因负载而决定，因此为了防止转速过高，需要下一些工夫，如在电机轴上安装冷却风扇以避免高转速时的超速。,转速的基本式,技術,根据夫累铭右手法则，磁密BWb/m2的磁场中，长Lm的导体以vm/s速度运动时，此导体上所感应的电动势为：,如果把电机的转速作为Nrpm，那么,将式（4.21）代入式4.20中，那么,41,交直流两用电机的性能曲线,技術,42,补偿串励电动机的向量图,電気工学,10.1.2 向量图 图78是补偿串励电动机的简略接线图，与此相对的向量图（忽略铁损）如图79，此向量图中,主磁通基本上与电流I成比例，所以力矩变为

16、是与I的平方成比例，即串励特性,43,补偿串励电动机的向量图,電気工学,V：电源电压， Ev：速度电动势，Ii：补极电流，I：负载电流，Ir：电阻分路电流，ra：电枢绕组电阻（含碳刷电阻），rc：补偿绕组电阻，rf：激磁绕组电阻，ri：补极绕组电阻，ri：含电阻分路的补极绕组电路的等效电阻，xa：电枢绕组漏电抗， xc：补偿绕组漏电抗，Xf：激磁绕组电抗，Xi：补极绕组电抗，Xi：含电阻分路的补极绕组电路的等交电抗。：主磁通量，：功率因素角,79图 补偿串励电动机的向量图,44,交直流两用电机的性能,電気工学,单相4极，100W、100V、50/60/c/s、2A、6003000rpm 81图

17、 交直流两用电机的力矩-速度、 电流、效率、输出性能,45,交直流两用电机的性能,資料,交直流两用电机（universal motor）考虑了以上几点的交流直流两用的串励电动机。这种电动机在家用吸尘器、榨汁机、缝纫机、办公机器、手枪式电钻等上被广泛使用，因为电源的关系所以交流驱动的情况比较多。在这种情况下，称这种电机为单相串励交流换向器电动机比较妥当。 图3.14是表示175W、8500rpm的交直流两用电机的速度-力矩性能，变为高速后，交流与直流的差基本上消失了。,图3.14 交直流两用电机的速度-力矩性能,46,交直流两用电机的性能,資料,图3.15是家用吸尘器用电动机的负载性能。使用交流

18、电源带换向 器 的电动机中，除此之外（串激电机以外的交流用电机）数量还有很多。这些 总称之为交流换向器电动机，常用的种类有：,交流整流子 电动机,单 相,三 相,单相串励交流整流子电动机,单相排斥交流整流子电动机,三相并激整流式电动机,三相串励交流整流子电动机,图3.15 电气吸尘器用电动机性能,47,附录,48,附录 换向现象,49,换向现象,技術,4.3.3 换向现象 直流机上换向作用的必要性及其概略功能已在前节叙述，原理性的换向作用 暂且不论，讲得偏激点，换向现象的技术问题点就是碳刷的火花与寿命问题。 使用机械碳刷与换向器的DC电机上，各绕组与换向器片相连接，随着转子的 运转而通过碳刷短

19、路，因为会断开（ON-OFF)，所以必然会产生火花。 设计者会尽可能地将被换向绕组的感应电压做低，但要将磁通量的变化做成 0却是非常困难，而且还会涉及成本问题。,50,换向现象,技術,于是，小型电机不能设计补极，最后得出在被换向的绕组上不得不发生某种程度感应电压这样的结论。除此之外，换向时的电流方向反转及短路断开动作，所以会因绕组漏电感而产生感应电压、（e=Ldi/dt)电压。 被换向的绕组上，产生了转动引起的感应电压和绕组漏磁通引起的（Ldi/dt）这2件感应电压。此电压被碳刷短路，断开时产生火花，此电磁能量（Li2/2及i2t）被作为碳刷中的电阻损（i2R）及火花能量而消耗。 但是，此火花

20、的产生不仅会因为换向器表面的粗化或碳刷酸化引起碳刷寿命的缩短，同时还会引发电波干扰等有害现象。 因此，出现这样一种设计思想：中至大容量机上应尽量控制换向火花，提高碳刷的电阻，将换向时的电磁能量在碳刷中消耗，这种做法叫做电阻换向。,51,换向现象,技術,图4.28 换向现象的说明图,52,换向现象,技術,思考一下构成电构绕组的各绕组，在运转中绕组穿过碳刷下面时电流方向反转。 绕组穿过碳刷下面的时间为毫秒，所以如果绕组中有电感就会发生电压，因为此电压、换向器换向片与碳刷的接触断开时会产生火花。 由碳刷短路时的绕组电流变化非常复杂，为了简单地理解这种现象，从以前开始一般多用如图4.29所示的假想换向

21、曲线进行说明。以下对图纸的各曲线进行简单说明： （a）直线换向（linear Commutation）：碳刷面的电流分布是恒定的。 （b）最合适换向（Opitimum Commutation）：换向末端上的曲线倾 斜为0是最理想的换向。 （c）过换向（Over Commutation）：换向过早结束，电流集中在碳刷 的入口部，换向效 果不理想。 （d）正弦波换向（Sinusoidaf Commutation）：难产生火花，理想换向 的一种。 （e）（f）不完全换向（Under Commutation）：电流集中在碳刷的出口， 产生火花，所以效果不理想。 以上是对一般直流机的换向现象进行了一个定

22、性地说明。,53,单相换向器机 换向作用与改善,電気工学,10.1.4 换向作用与其改善方法 进行换向作用的 电枢绕组上透导出因换向产生的电抗电压er和因与速度无 关的主磁通交变而产生的变压器电压et，这2种电压的合计 值ef作为火花电压成为发生火花的原因。为了起到良好的 换向作用，把ef和180相位的不同电压诱导于换向绕组 中，如图78所示在补极中插入支路电阻，让其流通适当相 位的补极电流Ii是一种比较广泛的方法，其关系可如图82 所示。,82图 补极中插入了支路电阻时的 换向向量图,Ei：补极绕组端子间的电压 Ir：支路电阻电流,54,单相换向器机 换向作用与改善,電気工学,55,附录 电

23、机设计,56,设计第1步,技術,使用图形CAD功能，如实画出铁心的形状图，接着是将槽内的绕组作为1匝绕组 画图（也要决定导体的电流方向）。在此设定各部的物质常数（铁、铜、空气）。 为了进行FEM有限元法解析，用鼠标操作设定好接点间隔以及概略元素数以形 成多个网状。 之后在画面上描出网状图，网格图的优劣点在于：所有的元素要有以下4点：接 近正三角形，各元素内的磁气能量要尽量均一，气隙部的网格要清楚地切断，尽 量不要形成过多的元素数（500015000左右）。 显示其结果后再确认，即可如图9.2所示。,57,设计第1步,技術,接着设定槽内导体的流通电流值（电流密度），计算后的磁通量分布 图结果如图

24、9.3。此图面中铁心各部的磁密可以用颜色区分表示，也可作 为等磁密线图以数值来表示。从此图中，哪部分饱和了可一目了然。,图9.3 轻负载时的磁通量分布解析例,图9.2 感应电机的2次元网状图例,58,设计第2步,技術,作为电气设计问题这点是最让人操心的。第二步就是漏磁分布的计算和 漏电抗（电路常数）的推算及绕组系数、电压方程式、谐波磁通成分的推算，把 导体内交流电流造成的表皮效应作为频率的函数来表现等的高级计算。 对任意形状的境界条件都能进行计算，此情况下，使用Maxwell的基本方 程式和机械系统的运动方程式（D），可以解释所有电机的电磁场问题及旋转运 动时的问题。,59,设计第2步,技術,

25、图9.5 气隙附近的扩大图,对象电机的各部磁通分布状态、及其结果所产生的力矩、作为机 械系统的转速变化情况等能进行计算。,60,设计第3步,技術,图9.119.15是表示有刷直流电机旋转时的电流变化、产生的力矩变化、换向电 压（火花配压）变化的模拟图。,图9.12 气隙面磁密分布模拟图,图9.11 DC电机的磁通分布模拟图,61,设计第3步,技術,图9.13 DC电机的电流变化模拟图,图9.14 DC电机的力矩变化模拟图,图9.15 DC电机的火花电压（换向电压）模拟图,（2极8槽、8换向器DC电机）,62,设计第3步,技術,表示用时间步骤解析法（timestep）的BLDC电机的连成解析例。

26、图9.19是网状和磁通分布图。图9.20是方波变频驱动，图9.21是方波PWM变频驱动的例子，左图表示1相电流和电压的变化，右图表示发生力矩和转速。,图9.19 解析网状图与磁通线图,（b）磁通线图,（a）网状图,63,设计第3步,技術,图9.20 方波变频驱动,图9.21 方波PMW变频驱动,64,（非分离铁心形状的磁通线要秒微多一些，但为了进行比较所以统一为单边10根）,与分离铁心相比，非分离铁心的有效磁通（=输出力矩）变小是不可避免的问题。,65,磁阻力矩（Cogging）解析,66,磁阻力矩（Cogging）解析,67,提高平衡！,基本性能,价格,品质,附加价值,噪音振动,寿命信赖性,小型轻量,复合一体,顾客提出要求,向顾客提方案,市场,68,End,