专题讲座资料2022年串激电机培训教材

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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4-7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.

3、c、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

4、过，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

5、的电流称电枢电流。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

6、载与转速的关系）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

7、上是无穷大的，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

8、和电磁转矩。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1-5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

9、槽数表示的跨距。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，

10、也称为前跨距。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

11、分配，电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

12、元件边按双层布置。 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=Y1-YK=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

13、称性。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1-3-5-23-1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2-4-6-24-2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

14、称为双闭路两叠绕组。若换向器数K为奇数，例如k=23,则按1-3-5-23-2-4-22-1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=Y1-YK。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

15、个绕组则有a=mw对支路。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：1mw2）。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

16、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=v-iara1=a1=12-0.5=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=200w、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、11.7

17、5、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。

18、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

19、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=(k-yk)/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

20、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

21、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 16 19 20 1 7 13（k-yk）/a 2p=6,z=s=k=20双波绕组丙种均

22、压连接第三章 换向及火花知识1、 火花产生的原因a、 什么是换向？在换向器和电刷的帮助下，使电枢绕组线圈中的电流在运行过程中从流入方向改变为流出方向或从流出方向改变为流入方向，这就叫做换向。如果没有这种换向，这种带有换向器的电机是不能正常运转的。下图18表明了被换向片1和换向片2所连接的线圈电流的变化情况。 图18由换向片1和换向片2所连接的线圈在换向过程中，即电刷从一接触换向片2瞬间开始，到电刷脱离换向片2瞬间为止，一直被短路，这个线圈被称为换向线圈。所以，换向是一个过程，这个过程是换向线圈中的电流改变方向的过程，而且这个过程是在换向线圈被电刷短路的状态下进行的。如果换向状态很差，将在电刷下

23、发生有害的火花。火花超过了一定程度，就会有烧毁电刷和换向器的危险，使电机不能正常运行。换向过程是十分复杂的，它涉及到电磁、机械和电化学等各个方面。（换向火花等级：1级、11/4级、11/2级、2级、3级） b. 为什么换向过程中会产生火花？ 1) 换向线圈被短路，在换向过程中产生环流。为什么会有环流？环流对换向的影响是什么？由于换向线圈不是纯电阻，除了电阻外，还存在电感。电感的作用是阻止流过线圈中的电流发生变化，线圈中电流要增大，则阻止其增大，线圈中电流要减少，则阻止其减少，流过线圈中的电流要改变方向，则阻止其改变方向。如果换向的线圈不是一个（由电刷的宽度覆盖换向片的数目而定）而有两个，换向线

24、圈不但有电感的自感作用，而且还有换向线圈之间的互感作用。大家知道，换向线圈中的电流从大到小，并改变方向，又从小到大，即由Ia改变为-Ia，正由于这个电流的变化，因而由电流产生的磁通大小，极性也相应的变化，又由于该磁通的变化使换向线圈产生自感电势，称为电抗电势ex。此电抗电势的作用是在被短路的换向线圈回路中产生一个电流环流。此环流是阻止换向线圈中的电流变化，因此，方向总是与换向前的电流相同。使得换向线圈中的电流改变方向的时间延长了。分析表明，这种延迟，使得电刷后刷边（即换向片离开电刷时所对应的电刷边，又叫滑出边）的电流密度大于前刷边（即换向片进入电刷时所对应的电刷边，又叫滑入边）的电流密度，因此

25、，换向结束，被电刷短路的换向线圈瞬时断开，有可能在电刷滑出处产生火花。这就叫延时换向。又由于换向线圈是其线圈边处在定子磁极的几何中性线区域时进行换向的，此时，直轴磁场在该区域很弱，甚至等于零，但电枢磁场并不等于零，这样换向线圈就会“切割”电枢磁场，并在其中感生出旋转电势，又称为换向电势ea。由电枢磁场所产生的旋转电势，其方向总是与换向前的电流方向一致，也即ea与ex的方向也是一致的。但是采取措施后也可以让ea与ex的方向相反。换向电势ea的作用是在被短路的换向线圈中产生另一种环流。如果换向电势ea同电抗电势ex反向，且大于ex时，会使换向线圈中的电流改变方向的时间提前，这种超前，使得电刷前刷边

26、的电流的电流密度大于后刷边的电流密度，因此，有可能在电刷滑入处产生火花，这叫做超前换向。轻微的超前换向对换向有利，但过度的超前换向是不好的。若使换向电势ea与电抗电势ex相互抵消，可使环流大大减小，对换向有利。为什么说单相串激电动机比直流电机换向条件差？由于单相串激电动机通常是交流供电。流过定子线圈的激磁电流是交流电流，产生的磁通是交变磁通，而且恰好穿过正在进行换向的换向线圈。如下图19所示。 图19该交变磁通在换向线圈内产生感应电势，成为变压器电势et。该电势一般都大于电抗电势ex，它在换向线圈内产生第三种环流，而且此环流也比较大，对换向的影响也比较大。该电势还没有办法将其抵消或消除。这就是

27、单相串激电动机比直流电机的换向条件差的原因。2) 片间电压（势）过高及电枢反应影响。电机在电源电压的作用下，除了一部分为各部分的阻抗降落（定子绕组的、转子绕组的、电刷的）所平衡外，大部分电压为电枢绕组切割直轴磁场产生的反电势所平衡，并且作用在电刷两端。此反电势由各个跨接在相邻换向片的电枢线圈中的反电势叠加的，也就是所谓的片间电势（也称电压）叠加的。由于相邻换向片所连接的电枢线圈所处的空间位置不同，也就是说所切割的磁通密度不同，各个换向片间电势（电压）是不相等的。电枢电流建立的磁场同定子建立的磁场相互作用，组成的合成磁场，在分布上发生畸变（也称电枢反应）。畸变的结果是：使得在电枢线圈的进入磁场端

28、，磁通密度增大，在电枢线圈的退出磁场端，磁通密度降低。这将使电枢在旋转瞬间由于电枢线圈所处的空间位置不同，其反电势也不同，也就是片间电势（或片间电压）也不同。某些换向片的片间电势（或片间电压）升高，某些则降低。另外，也是由于电枢反应的作用，使合成磁场轴线逆旋转方向移动了，其后果是使换向电势ea的极性转向到与电抗电势ex一致的方向了，达不到相互抵消的目的。对换向不利，加剧了换向火花的发生。当片间电压过高时，相邻换向片间也会产生放电，形成火花，而且由于电刷与换向片进行摩擦，会有碳粉和金属粉，并沉积在两换向片间凹槽内，这又加剧了放电，从而加剧了换向火花可能在两片间形成飞弧，持续的飞弧又导致周围空气电

29、离，这又进一步促成了强烈的电弧，最后可能导致电机烧毁。所以，过高的片间电压也是产生换向火花的主要原因之一。注：关于环火 电机在运行时，正、负极性电刷之间可能形成一股环形电弧，该现象称为环火。环火相当于电枢绕组通过电刷直接短路，有很大的破坏性。在有些情况下，即使负载稳定、换向良好，仅由于片间电压过高也可能形成环火；有的在空载情况下，由于换向器表面不干净，换向片边缘存在毛刺或倒角不良引起尖端放电而出现环火。采用偏心气隙下降电枢反应所引起的气隙磁场畸变程度，使片间电压的最大值减小。 3) 电刷与换向器接触时，接触不良，引起放电跳火，也是产生换向火花的主要原因之一。造成电刷与换向器接触不良的因素有：电

30、枢动平衡不良，将引起强烈的振动，造成接触不良；换向器表面偏心或不光滑等造成接触不良；电刷弹簧压力不够造成接触不良（但压力过大，会加快电刷的磨损）；刷握同电刷之间的配合不好，造成电刷与换向器的接触不良。4) 电刷本身质量不良，造成电刷掉渣或者碳粉太多，引起燃烧，产生火花，以及电刷接触放电的起弧电压较低，容易造成放电时起弧，引起火花。也是产生换向火花的主要原因之一。另外，由于电刷本身质量不良，在换向器表面不能良好的形成氧化膜，对换向不利。因为换向器表面上的一层氧化膜对取得良好的换向是有必要的。该氧化膜由两层薄膜形成，一层是氧化薄膜，是一种氧化亚铜，可使换向线圈回路增大电阻，对改善换向，降低火花有利

31、；另一层是覆在氧化膜上的碳素薄膜（石墨碳粉吸附水分而形成），对摩擦起润滑作用，可降低电刷与换向器之间的摩擦系数，减小摩损。c、 改善换向及抑制火花的措施 减小电抗电势ex 。主要是要减少换向线圈的匝数。为此，可增加换向片数。一般，采用换向片数为电枢槽数的2倍、3倍。这样一来，在同样的电枢总导体数的情况下，换向线圈的匝数会成倍减少；另外，电枢采用短距绕组。这样一来，在同一电枢槽内的线圈不会同时被电刷短路，而进行换向，就可以减少因换向线圈在同一槽内上下层线圈边之间的互感电势，对换向有利。 利用换向电势ea来抵消电抗电势ex 。若电刷可以移动时，逆电枢旋转方向移动电刷位置100260；若电刷不可移动

32、时，顺电枢旋转方向借偏电枢线圈到换向片的接线，借偏12个换向片。4、 关于扭角换向a、 扭角的原因：改善换向b、 扭角的原则：正转正偏钩，反转反偏钩，正反都转不偏钩扭角的基准：几何中心线（两个磁极之间的中心线称）。必须指出的是：该措施仅对单方向旋转的单相串激电动机才能采用。 减小电枢反应的影响，限制气隙磁场波形过多的畸变。为此，加强定子磁场，增加定子磁势，控制定子线圈匝数与电枢绕组的匝数比在0.4250.68之间，此值取偏大时，对换向有利。另外，适当增大气隙，也可以削弱气隙磁场波形的畸变。采用不均匀气隙对改善气隙磁场波形有好处，有利于换向。 减小变压器电势et 。同减小电抗电势ex的办法一样，

33、主要是减少换向线圈的匝数。 选取合适的电刷宽度。在满足机械强度、电流密度和保证电机稳定运行的要求下，电刷宽度不宜过宽，应使电刷短接的换向线圈数适当，有利换向。因为被电刷短接的换向线圈数过多，同时进行换向的线圈之间的互感电势就大，也会产生环流，不利于换向。 选择好电刷材料和压力。电刷的材质一般应是：电阻率、接触电阻大；粘性系数大，弹性系数小；摩擦系数小，而且变化小；生成氧化膜能力强；研磨性适当，能生成坚韧而不过厚的氧化膜；材质均匀，颗粒粘结力大，石墨化程度和灰分适当等。一般选用硬质电化石墨电刷。硬质电刷有较大电阻率，可使换向线圈回路中的电阻增大，能较好的抑制换向过程中的环流，有利于换向，减小火花

34、。电刷压力大小对换向性能和电刷磨损有很大影响。电刷压力、火花和磨损之间相互制约。有一个最佳的电刷压力范围。 选好换向器材料。换向器材料以及它与电刷的匹配好坏，对换向性能影响甚大。换向器的起弧电压以及电刷的起弧电压要相适应。要控制换向片间电压不能超过其最低起弧电压。增加换向器片数对减小换向片间电压很有好处。由于额定电压是一定的，因此，换向片数增多，会相对减少换向片间电压。 换向器加工质量。换向器加工质量对换向性能影响很大。换向器表面的光洁度要好，圆度要好，径向跳动要小，与转轴的同轴度要好。另外，电刷与换向器的接触吻合表面要大。 电枢进行精密的动平衡。 电刷与刷握的配合要合适。 控制换向区域。换向

35、区域太窄，换向线圈换向时要受到气隙磁场（也即主磁场）较大的影响，会在换向线圈中产生由主磁场引起的较大的旋转电势，产生环流，使换向恶化。这点，对大功率、高转速、小体积的电机而言，应从严控制。 选取适合的极弧系数。对大功率、高转速（高于15000rpm）、小体积的电机应适当选择偏小的极弧系数，以便控制适合的换向区域。2、火花等级分类a、分类规定：从空载到额定负载的所有情况下，电机火花不得大于1 1/2级，在短时过六或短时过转矩的情况下， 火花等级不得大于2级，3级火花仅在直接启动或逆转瞬间，且换向器及电刷仍能工作时允许出现。b、火花颜色一般分为蓝色、黄色、白色、红色和绿色。其中，红色是电刷碳微粒灼

36、热燃烧的颜色，绿色时换向片烧伤时铜离子的颜色，所以红色和绿色火花队换向器和电刷的伤害比较大。机械性火花呈黄色，电气性火花成蓝色。c、换向火花状态1）、点状火花和颗粒状火花，通常是稀疏的和均匀的分布在电刷边缘上，基本上是无害的。2）、舌转火花会损伤换向器和电刷，只允许在动态时或过载时短时出现。3）、爆鸣状火花、飞溅状火花、球状火花队换向器和电刷伤害严重，尤其是环火。d、电刷镜面出现异常现象当电机换向不良，换向火花较大时，电刷镜面就会出现雾状麻点和灼痕，如果电刷材质中含有碳化硅或金刚砂之类的杂质时，镜面上就会有白色的斑点和条痕。当空气湿度过大，或存在酸性气体时，电刷镜面上会有铜粉沉积，此现象叫做镀

37、铜，出现此现象氧化膜就已被破坏。第四章 噪音及振动1、振动和噪音的关系 振动是噪音的来源。电机振动波形并不是单一的正弦波，而是由许多不同的频率的波形所组成，因此需要进行频率分析。一般分析振动和分析噪声相似。但对于低频振动，由于制造低频滤波器比较困难，在振动的研究中常籍助于对波形的详尽分析。振动可用它的频率范围、位移、速度或加速度来描述。选择适当的参考速度与参考加速度并类似于噪声测量的同样方法定义速度级和加速度级。在大面积平板振动的情况下可使速度级、加速度级与声压级的大小一致。从式（1-7）及（1-6）可知：Pm = EKY Y =Y故= C=Pm EKY EK C22 Cf2 Y Y 2f或

38、Pm =CY （1-25）即声压与速度成正比。已知P0=210-5牛/米2，可令基准速度 510-10 米/秒Y0 = P0 C这时速度级= LP= 20lg= 20lgLY = 20lg Y CY P Y0 CY P0 因此，在大面积平板振动的条件下，知道了物体表面振动的振动速度Y后，不用测量声级就可以知道这些振动所产生的噪声级L。显然振动级降低若干分贝，噪声级也会降低同样的分贝。但小电机不能看成平面辐射器，计算时应加修正。低频振动（包括声明频振动）可以激发机组其他零件振动。当零件的固有频率fk为机组振动频率fp的整数倍时，这个零件的振动表现得特别强烈。公式（1-15）指出，声强I正比于f2

39、Y2。当f很小时，如Y很大，可使材料应力增大，从而造成零件机械性破坏。但声强不一定大。当f很大（例如f1000赫），即使Y不大，例如几个微米，也会导致很大的声强，故有“低频测振，高频测声”之说。此外，由于振动和噪声有密切关系，在研究电机的噪声时，除用声级计测量声功率外，常常需要同时测量电机机壳及端盖等处的振动。1-6 电机的振动和噪声电机的振动和噪声研究十分复杂，它涉及了电磁，能量转换，机械振动，特殊物理声学，电子学和数学等许多学科。一般来说，电机由于结构复杂，其振动研究比噪声研究更为困难。因为噪声涉及的大致是电机的整体作用，而振动还涉及到电机各个部件。电机噪声主要有三大类：1电磁噪声。电磁力

40、作用在定、转子间的气隙中，产生旋转力波或脉动力波，使定子产生振动而辐射噪声，这类噪声称为电磁噪声。它与电机气隙内的谐波磁场及由此产生的电磁力波辐值、频率和极数，以及定子本身的振动特性，如固有频率、阻尼、机械阻坑均有密切的关系，还与电机定子的声学特性有很大关系。它主要由设计的电气参数和机械参数及装配工艺决定。一台好的电机应是气隙磁场谐波分量小，产生的径向力波幅值小，阶数高，电磁激振力波的频率远离定子的固有频率，并保证由铁芯传递给电机机壳的振动削弱到最小限度。2机械噪声。电机中的机械噪声主要是轴承和电刷引起的。这些噪声与它们所用的材料，制造质量及电机装配工艺，配合精度有关。3空气动力噪声。由电机内

41、的冷却风扇产生。主要由风扇的型式、风扇和通风道及进出口的结构设计决定。在无外风扇的封闭式电机中，空气动力噪声是微不足道的，主要是电磁噪声和轴承噪声。但在高速开启式电机中，空气动力噪声是主要的噪声组成部分。必须在设计时，恰当考虑电机损耗所需的冷却风量，使风量的裕度最小，风扇的效率最高。在电机的振动和噪声中，有二点特别重要，往往只要加以适当改进，就可取得明显的防振降噪效果。一是转子的平衡：实践证明转子的机械不平衡能生产显著的振动，尤其是高速电机中。现代的低噪声电机转子一般都是经过静平衡和动平衡二道工序。二是电机的安装与连接：实践证明，一台电机的安装与连接好坏，可以大大地改变电机本身及与之相连的元件

42、的振动和噪声情况。第五章 EMC知识1、EMC的定义：电磁兼容（Electromagnetic Compatibility，简称EMC)，是研究在有限的空间、时间和频谱资源的功能条件下，各种电气设备可以共同工作，并不发生降级的科学。 另外一种解释，EMC是一种技术， 这种技术的目的在于，使电气装置或系统在共同的电磁环境条件下，既不受电磁环境的影响，也不会给环境以这种影响。换句话说，就是它不会因为周边的电磁环境而导致性能降低、功能丧失或损坏，也不会在周边环境中产生过量的电磁能量，以致影响周边设备的正常工作。以下是与电磁兼容有关的常见术语： EMC：(Electromagnetic compati

43、bility)电磁兼容性 EMI： (Electromagnetic interference) 电磁干扰 EMS：(Electromagnetic Susceptibility) 电磁敏感度 RE：（Radiated emission）辐射骚扰（俗称：电磁辐射） CE：（Conducted emission）传导骚扰 CS：（Conducted Susceptibility）传导骚扰抗扰度 RS：（Radiated Susceptibility）射频电磁场辐射抗扰度 ESD： (Electrostatic discharge) 静电放电 EFT/B： (Electrical fast tra

44、nsient burst) 电快速瞬变脉冲群 电磁干扰（EMI）(Electromagnetic Interference)，有传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合（干扰）到另一个电网络。辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合（干扰）到另一个电网络。在高速PCB及系统设计中，高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源，能发射电磁波并影响其他系统或本系统内其他子系统的正常工作。 自从电子系统降噪技术在70年代中期出现以来，主要由于美国联邦通讯委员会在1990年和欧盟在1992提出了对商业数码产品的有关规章，这些规章要求各个公司确

45、保它们的产品符合严格的磁化系数和发射准则。符合这些规章的产品称为具有电磁兼容性EMC（Electromagnetic Compatibility）。 EMC(Electro Magnetic Compatibility)直译是“电磁兼容性”，是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。习惯上说，EMC 包含EMI(Electro Magnetic Interference，电磁干扰)和EMS(Electro Magnetic Susceptibility，电磁敏感性)。 所谓电磁干扰是指任何能使设备或系统性能降级的电磁现象。而所谓电磁敏感性是指

46、因电磁干扰而引起的设备或系统的性能下降(的程度)。 因此，EMC包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗干扰能力，即电磁敏感性不能太差。2、电机里的EMC在带换向器的电机中，单相串激电动机所产生的无线电和电视干扰通常会比直流电机严重，因为干扰是由换向器引起的，而单相串激电动机的换向条件要比一般直流电机严酷得多。大家知道，无线电广播频率范围，包括中波段和短波段在0.0530MHZ，而甚高频（VHF）的电视频率范围，即112频道的频率范围则在30300MHZ。由于换向是在有电流的情况下进

47、行的，当换向片与电刷脱开时，电流发生突变，在极短瞬间释放出能量，除造成周围空气电离形成火花和电弧外，由于突变电流含有很多高频成分（这些高频成分包含有上述频率范围），其中有一部分能量使电机成为一个所谓的“高频发射器”，发射出高频干扰电势和干扰功率，从而对无线电和电视接受设备造成干扰。对30MHZ以下的干扰电势主要通过电机电源线传入公共的馈电电网而进行干扰，对30MHZ以上的高频能量，则以电磁波的形式通过未屏蔽接地的电机部分和电源线向外辐射而进行干扰。国标GB4343电动工具、家用电器和类似器具无线电干扰特性的测量方法和允许值规定了对家用电器和类似器具以及电动工具的频率范围为0.1530MHZ连续

48、干扰电压的允许值，如下表所示。额定功率700W频段（MHZ）0.150.200.200.500.505.05.030db（v）70666066mV3212 额定功率700W1000W之间频段（MHZ）0.150.200.200.500.505.05.030db（v）70706470mV331.53 额定功率1000W2000W之间频段（MHZ）0.150.200.200.500.505.05.030db（v）76767076mV6636干扰电压单位为微伏（V），用分贝（db）表示时，1V为0 db。国标GB4343规定了对家用电器和类似器具以及电动工具的频率范围为30300MHZ的干扰功率允许

49、值为：当额定功率700W及以下时，4555 db（pW）（随频率线性增大）; 当额定功率700W1000W时：4959 db(pw)（随频率线性增大）；当额定功率1000W2000W时：5565 db(pw)（随频率线性增大）。干扰功率单位为：1Pw=10-12w，用分贝（db）表示时，1 pw为0 db。抑制无线电干扰和电视干扰的措施：1. 降低干扰能量。主要是通过改善换向、减小导电接触振动（比如，保证电刷与换向器表面良好接触）予以降低干扰能量。2. 增加传输以及辐射途径中的阻抗和进行屏蔽。比如，将金属机壳接地、采用屏蔽电缆以及将电机定子两个线圈分接在电枢的一端，以增加30MHZ以上的高频传

50、输阻抗。3. 加装抑制器（低通滤波器），滤去高波成分。有以下几种情况：1) 当电机机壳为可接地的金属机壳时，抑制器可按下图16所示联接： 图162) 当电机机壳为不接地的绝缘塑料机壳或者金属机壳内复有绝缘塑料或者机壳不接地时，抑制器可按下图17所示联接。3、具体方案详见附件一。第六章 串激电机的设计1、串激电机的冲片设计a、& U- % T. F. Q如图为交流串激电动机定子冲片的典型形状，由于在交流串激电动机中，定子磁通是交变的，会产生铁心损耗，因而定子冲片都是采用硅钢片冲制而成。7 i s2 h/ 0 X* B( m3 F bbbbbbbbbb、定子冲片外圆尺寸的决定各种类型电机，考虑定子

51、冲片外圆尺寸的重要原则之一：就是硅钢片的经济剪裁，也就是在冲制定子冲片时的余留下来的边角料最少，硅钢片的利用率最高，因此定子冲片的外径不能任意决定。c7 T8 ! v3 i0 r5 C% yc、定子内径（也就是转子外径）的决定1 W: 1 z. b, n+ e7 F$ K) Q电机设计知识告诉我们，在其他条件不变的情况下，电机的功率正比于转子外径的平方，而与定子外径无关，因此在定子外径一定的情况下，我们总希望采用较大的转子外径，这样可以产生较大的功率。但在定子外径一定的情况下，增加转子直径，会使定子的线窗面积减少，而使定子绕组没有足够的位置按放，因而，在定子外径一定的情况下，定子内径（转子外径

52、）也不能任意决定。一般转、定子直径之比为：0.580.62之间随即机械化程度的提高，已能将线圈直接绕在定子铁芯上的电机（特别是深槽定子），这样定子绕组端部较短，定子铜耗也因此可以减少，有利于提高电机的出力。) d2.jpg (21.33 KB)2007-7-3 13:06、极靴弧长b的决定极靴弧长b也是定子冲片一个极为重要的数据。如果b取大，磁极面积就大，就能产生更多的磁通，使转子产生较大的转矩，因而能带动更大的负载。但极靴弧长增大以后会带来下面两个缺点：1 T- r/ X# S9 b# 1 1 S, n1、极靴弧长增大，两个相邻磁极的极尖距离就缩短，极尖漏磁通的磁阻就变小，极尖漏磁通就增大，

53、因此，从减少漏磁通的角度来看，我们不希望极靴弧长太大。, kN! ; 9 |% 2、极靴弧长太大，还会使换向恶化，火花增加，原因是电枢反应电势的增加。电枢反应电势：我们都知道转子流过电流以后，要产生转子磁通，转子磁通的方向总是与换向极磁通方向相反，既然换向元件切割换向极磁通所产生的电势，能够帮助换向；那么换向元件切割转子磁通所产生的电势，一定会妨碍换向，这个妨碍换向的电势就是成为电枢反应电势。e、定子轭高hc及磁极宽度bp的决定: G3 j& k* Y u+ % b决定一张定子冲片的主要尺寸是：定子外径、定子内径、极靴弧长、定子轭高及磁极宽度。前面三个尺寸决定的原则已经分析说明。至于下面的两个

54、尺寸决定原则主要是考虑磁通密度不要太高，新系列电动工具交直流两用串激电动机的磁密范围一般是：* L+ z8 VB, N! X: X. N% T6 MS2 a定子磁极磁密Bp=65008500高斯( O4 m6 7 : a2 h+ n8 f! z定子轭磁密 Bc=1900022000高斯3.jpg (23.95 KB)2007-7-3 13:06f、 实际设计中：为了减少漏磁，改善换向性能个提高功率因数，单相串激电动机通常做成凸极式的。为了扬制气隙磁场的严重畸变，减少极尖区域附近的磁通密度，以改善换向，在设计电动机气隙时，常常采用削角磁极或非均匀气隙，此时，所谓定子冲片内径D1应是极轴处量得直径

55、之值。电动机的D1为：3 y+ U. P( D$ t) U& ED1为=D2+219 Ww! Y5 . Z W1极轴处的气隙长度电枢冲片外径D2统计值为：9 f; 1 j- : n9 bE; p/ PD2=（0.540.57）D1G* 3 k/ l# ) T* H9 l深槽式电动机的D2可取得大一些，以提高单位体积的容量。 S O1 L$ p4 y) t5 U应注意：电枢表面线速度不应超过80m/s. L3 R3 B- 6 c; M* c- N5 , k国内电动机的气隙范围在0.30.8mm之间。对正反转电动机，增加0.10.15mm。5 # e: v) W/ / : X: v, b) R当气

56、隙增大后，可减少表面损耗及磁噪声并改善换向性能，其副作用是：降低功率因数、增加气隙磁通势从而增加励磁线圈用通量，并引起定子线窗面积紧张。1 X( H) y7 J; c& H对削角磁极电动机而言，极尖处的气隙长度2约为极轴处气隙长度A1的1.52倍。对非均匀气隙而言，2=（35）1，等效气隙为：+ g1 s3 N O5 g# ? M=212/1+2. 非均匀气隙的偏心量e为： e=2-1/1-cos式中：=0.57 其中：极弧角，单位为度2、主要尺寸及电磁参数选取1主要尺寸D1,D2及L确定电机主要尺寸，一般从计算入手：（cm3）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0.6

57、0.7气隙磁密（T），可按（图12）选取线负荷（A/cm），可按（图12）选取转速(r/min)从上式看出， 取值越大，电机尺寸越小，但取值受其他因素制约，详见后述。转速越大，电机尺寸也越小，电机转速同样受到机械，换向等因素的制约。在此处，可用额定转速代入式中作计算。电磁功率为通过气隙磁场，从定子侧传递到转子的功率可用下面经验公式计算：当0.5当0.5上式中为输出功率，可按额定输出功率带入计算。为电机效率，可按额定效率代入计算，当需要计算者确定时，可按（图11）选取，此为当前生产连续定额E,B级绝缘的平均效率曲线。对于短时运行定额的电机或采用耐热等级更高绝缘的电机，效率值应下降。确定后，接着可确定电枢冲片的值，应综合考虑电机使用条件，通用性及派生的要求，同时考虑合适的长径比，通常为0.51.5之间。较大的值使电机细长，铜利用率较高，但是制造工艺性较差，绕组挠度大，冷却差，漏抗大换向不利。确定后可以方便的确定铁心叠长。的比值可在0.540.59之间选取，较大值适合于深槽转子，从而确定定子外径。2线负荷及气隙磁密电枢线负荷表示电枢外径圆周单位长度上的安匝，越大则尺寸越小，铜耗增大，线匝增多而导致换向恶化。因此增大是有限制的。从8-1式来看, 一定时，也是定值，取得大则可取小，反之亦然。但二者取值都是受其他因素制约的，初步设计时可参照（图12）选取，该曲线是用于连续负载