串勵電動機結(jié)構(gòu)原理

單相串勵電動機屬于單相交流異步電動機，是交直流兩用的，所以又稱為交直流兩用串勵電動機。由于它轉(zhuǎn)速高、體積小、啟動轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速可調(diào)，既可在直流電源上使用，又可在單相交流電源上使用，因而在電動工具中得到廣泛的應用。

電機主要由定子轉(zhuǎn)子及支架三部分組，定子由凸極鐵心和勵磁繞組組成，轉(zhuǎn)子由隱極鐵心、電樞繞組、換向器及轉(zhuǎn)軸等組成。勵磁繞組與電樞繞組之間通過電刷和換向器形成串聯(lián)回路。

單相串勵電機的轉(zhuǎn)矩的瞬時表達式為：

式中 ： T——轉(zhuǎn)矩瞬時值；C_T——轉(zhuǎn)矩常數(shù)；

由此得出單相交流串勵電機的機械特性：單相串勵電機的轉(zhuǎn)矩是隨時間變化的，即每一瞬間的轉(zhuǎn)矩大小是不同的，這和直流的電動機轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)性存在明顯的差別，輸出轉(zhuǎn)矩實際上是平均值。

電動機在磁路未飽和時，因磁通大小和勵磁電流大小成正比，故轉(zhuǎn)矩和電流的二次方成正比；當電動機的磁路飽和時，電流的變化對磁通的影響很小，故轉(zhuǎn)矩近似按照電流的變化而變化。啟動轉(zhuǎn)矩大，不容易堵轉(zhuǎn)，這是這類電動機的可貴優(yōu)點，適用于啟動比較困難的場合。

在串勵電機工作中，電機的定子和轉(zhuǎn)子的漏磁通較小，在不考慮漏磁通等情況下，根據(jù)直流電機的工作特性，得到單相串勵電機的轉(zhuǎn)速方程：

式中：

在外施電壓恒定，磁路不飽和的情況下，負載增大，電樞電流相應的增大，因而磁通

由圖3 得出負載變化時轉(zhuǎn)速變化情況，當負載增大時，電樞繞組中的電流相應的增大，由于定子勵磁繞組是與電樞繞組是串聯(lián)的，定子激磁繞組中的電流就是電樞繞組中的電流，因此也增大了，從而使磁通增大，因磁通與轉(zhuǎn)速成反比，所以轉(zhuǎn)速下降。電流的增大使各部分的電阻壓降增大，從而使電動勢下降，又造成了轉(zhuǎn)速的下降。所以同直流電機的機械特性相比，單相串勵電機的機械特性更軟，這造成了其速度控制的難度。

串勵電機因轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍廣，啟動力矩大的特點被廣泛的應用于電動工具，廚房用品，地板護理產(chǎn)品領域。

單相串勵電動機的工作原理，是建立在直流串勵電動機的基礎上的。原理如圖1所示，勵磁繞組和電樞繞組串聯(lián)，直流電源上，根據(jù)主磁通Φ和電樞電流Ia的方向，按照左手定則，可以決定轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向，在a中是按逆時針方向旋轉(zhuǎn)；如果把電源的極性反過來，如圖1b所示由于是串勵電動機，主磁通Φ和電樞電流Ia也都同時改變了方向，按照左手定則，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向不變，仍為按逆時針方向旋轉(zhuǎn)。因此，串勵電動機加上單相交流電壓后，如圖1c所示，雖然電源極性在周期性變化，但轉(zhuǎn)子始終維持一恒定的轉(zhuǎn)向，所以，串勵電動機可以應用在交、直流兩種電源上。

單相串勵電動機是一種帶有電刷和換向器的交流電動機，有的串勵電動機既可由交流亦可由直流供電，稱為交直流兩用電動機。因其勵磁繞組和電樞繞組串聯(lián)而得名。單相串勵電機的結(jié)構(gòu)同直流串勵電機十分相似，主要的區(qū)別在于單相串勵電機的定子鐵心必須由硅鋼片疊壓而成，而直流的磁極既可以由疊壓而成，又可以做成整體結(jié)構(gòu)。單相交流串勵電機產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩的原理和直流串勵電機相似，可以用直流電機的運行原理來解釋 。

單相串勵電機的定子繞組與電樞繞組是串聯(lián)的，串勵電機轉(zhuǎn)向取決于電磁轉(zhuǎn)矩方向和電流方向，因此工作在交流電源情況下，電源交變時，定子磁場的極性和轉(zhuǎn)子電流或其產(chǎn)生的磁場同時變換方向，根據(jù)左手定則，電磁力的方向不會改變，所以串勵電機能夠始終維持一個恒定的轉(zhuǎn)向。

如圖2 所示，當正向通電時，電磁轉(zhuǎn)矩方向為逆時針方向；如果電源的正負極性調(diào)換，則激磁磁通和電樞電流方向同時改變，電磁轉(zhuǎn)矩方向仍為逆時針方向，所以電機轉(zhuǎn)向不變，亦即單相交流串勵電動機的電磁轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)方向不隨電源極性的改變而變化 。

單相串勵電機的調(diào)速，大多數(shù)采用調(diào)節(jié)電壓的方法，就是改變電動勢。根據(jù)其機械特性，影響電機轉(zhuǎn)速的有電動勢，磁通和電樞導體數(shù)。對于已經(jīng)制成的電機，導體數(shù)已定，不能改變，所以不能采用這個方法，如果采用改變磁通的方法，就是要在激磁線圈處并聯(lián)可調(diào)電阻，但此電阻消耗功率多，而且體積大，因此不是簡單經(jīng)濟的方法。采用調(diào)節(jié)電壓方法，采用可控硅調(diào)速技術(shù)，具有線路簡單，元件體積小等特點，是一種簡單有效的方法。

單相串勵電機的電壓調(diào)速方法采用的可控移相調(diào)壓，利用可控硅的觸發(fā)電壓滯后于輸入電壓實現(xiàn)對輸入電壓的移相觸發(fā)。在實現(xiàn)方法上有硬件和軟件方式。在硬件設計上要得到可靠的電機速度控制，采用的專用集成電路作為控制線路，在電機轉(zhuǎn)軸上裝置速度傳感器，以反饋轉(zhuǎn)速信號，從而使電機調(diào)定的轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定，而不隨負載而變化，但這些高性能的調(diào)速裝置，由于線路復雜，成本高和體積大等原因，在實際的家電的速度控制中，沒有競爭力。而采用軟件方法，硬件上只需增加微處理，將控制算法程序?qū)懭胛⑻幚砥?，利用微處理器來觸發(fā)可控硅的延時導通從而實現(xiàn)對串勵電機的速度控制。這種方法的電路比較簡單，應用單片機就可以完成，節(jié)省了成本。所以在實際的應用中，多采用這種方法。

根據(jù)可控移相整流的方法，有全波整流和半波整流兩種，同樣的串勵電機的調(diào)速方法也有全波和半波之分。采用半波整流的方式，在交流電源正弦信號的正半周期內(nèi)，由可控硅的特性中，當延遲時間給其一適當正脈沖信號，可控硅導通，串勵電機從而獲得電源激勵而工作。不同的延遲時間對應的不同的電壓激勵，電機就會輸出不同的速度，從而實現(xiàn)速度控制。全波方式的原理和半波是一樣的，采用雙向可控硅，在交流正弦信號的負半周期內(nèi)，通過給出可控硅的控制脈沖，實現(xiàn)對系統(tǒng)輸入電源電壓的控制。這樣的話，在一個電源周期內(nèi)，對電機的速度信號進行兩次調(diào)節(jié)，能夠提高系統(tǒng)的反應速度，及時對電機速度的調(diào)節(jié)使電機的運行更加平穩(wěn)，調(diào)速范圍更廣。

備案信息

備案號：53679-2016

備案公告： 2016年第4號(總第196號) 2100433B

上海電動工具研究所。