串激电机技术

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电机的分类ブラシレス4小型电机的分类及定义ブラシレス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モータ技術家电AV机器AV测试其它汽车相关图1.6各种用途的生产台电机图1.6小型电机各种类的生产情况其它交流电机有刷直流电机DC伺服电机0.3%步进电机5.2%无铁心电机3.6%无碳刷电机4.1%其它直流电机15.2%直流电机6未来预测モータ技術市场图1.7各种小型电机的种别预测MM（有刷微型电机）BL（无刷电机）STP（步进电机）SDC（DC&串激电机）1φ（单相电机）SHAD（罩极电机）LIN（线性传动装置、特殊电机）7电机的基本原理8交变磁场与旋转磁场モータ技術图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夫累铭左手法则10电机存在的3种力矩モータ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种力矩モータ技術但是，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θ、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法向力与切向力モータ技術中所积蓄的能量，X是位移量，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NormalForce）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TangentialForce）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电机力矩的2个基本モータ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3.6N、S磁瓦中心的偏移角Ө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：①轴、②定子磁气机壳、③绝缘端盖、④⑤轴承、⑥绕组、⑦转子铁心、⑧整流子、⑨定子永久磁石、⑩碳刷防震用减震器、⑾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①有槽转子铁心、②整流子、③转子绕组、④碳刷、⑤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直流电机绕组接线モータ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碳刷与换向器例モータ技術碳刷碳粉碳刷金属黑铅碳刷碳素质碳刷黑铅质碳刷电气黑铅碳刷高金属黑铅碳刷图4.18根据碳刷的材料的分类低金属黑铅碳刷油烟系黑铅系沥表焦系蚀刻加工模具冲压线性加工换向器的结构19直流电机的基本式モータ技術（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，k[V/rpm]是感应电压常数、是电机设计时决定的特有常数，φ[Wb]是主磁通量，V[V]是电源的外加电压，IR[V]是电路的压降。（4.2）式是发生力矩T的关系式，k'[T/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φ[Wb]和电流I[A]的积成比例。20直流电机的基本式モータ技術另外，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w[rad/s]与力矩T[N.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モータ技術图4.5DC电机的电压等效电路根据Eo与Er的电压差△E（=Eo-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直流电机的特性モータ技術图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モータ技術电机的区分是以『产生主磁通量的定子极数』来表现的图4.12极2槽DC电机图4.22极3槽DC电机(a)2极2槽DC电机图4.3转子角度与产生力矩的关系(b)2极3槽DC电机24交直流两用电机25交直流两用电机モータ技術交直流两用电机（universalmotor），本来是对设计成交流或DC都可以使用的电机而定名的，但现在，虽然直流也可以使用，但基本是多数场合都是指交流用的电机。此电机跟DC电机同样，由带整流子的转子和产生主磁通量的磁场而构成。与DC电机不同，因为是由交流而发生的交变磁场，所以为了控制铁损、以防止发热为目的而把所有的铁心都叠积起来制作是其一大特征。另外，此电机为了提高效率及改善功率因数，有必要将转子的磁动势做得比磁场的磁动势大。26交直流两用电机的分类モータ技術交直流两用电机的分类大致可分为下面的(1)～(5)种类型，但小型电机主要是单相串励电动机（串激）电机使用得比较多，所以交直流两用电机也可以当成是串激电机来考虑，且串激电机这个称呼比较普遍。在这里，除了介绍串激电机以外，其它的结构也进行简单地说明。(1)单相串励电动机（串激电机，single-phaseseriesmotor）此电机如图4.34所示，是串激绕组F与转子绕组A串联接续的电机。(b)和（c）是带有补偿绕组的电机图例，（c）表示补偿绕组。这个绕组可以通过打消转子电流引起的磁动势而防止功率因素的降低，是为了改善整流而设计的。(b)是补偿绕组与转子串联绕线，激磁是电气角偏移90°的一种设计，（c）由感应作用而进行补偿的方式。27交直流两用电机的分类モータ技術以感应作用补偿与激磁串联、90°相位28交直流两用电机的分类モータ技術(2)单相并励电动机（single-phaseshuntmotor)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-phasecompoundmotor）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モータ技術图4.37单相排斥电动机(4)排斥电动机(repulsionmotor）这种类型如图4.37所示，仅在激磁绕组F上连接电源，电枢绕组倾斜于激磁方向，在与整流子接触的碳刷间形成短路。受激磁绕组与电枢绕组的转换作用而产生电动势，电枢内流通电流。因此电流与激磁磁通量的相互作用而得到转矩。如果把此碳刷向反方向倾斜，那么可以逆向旋转。如果把激磁绕组分成与碳刷轴平行的成分和直角成分来思考，那么这个电机就可视作是与图4.30所示（1）的感应补偿形串激电机一样。30交直流两用电机的分类モータ技術(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相串激电机是如图4.38所示的方式接线。图4.383相串励电动机31单相换向器电机的种类電気工学A：电枢绕组F：激磁绕组C：补偿绕组α：碳刷移动角B1：固定碳刷B2：可动碳刷Be：激磁碳刷Ba：动作碳刷77图单相换向器电机的种类(a)串励式(b)补偿串励式(c)感应补偿串励式(d)排斥式(e)排斥式(f)补偿排斥式(g)并励式(h)并励式(i)双重给电并励式(j)复励式32串激电机的结构モータ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。定子铁心转子定子绕组整流子定子（激磁）定子绕组轴承轴转子（电枢）电枢绕组电枢铁心定子铁心轴承碳刷骨架碳粉碳刷图4.39串激电机的结构33单相串励换向器电动机-结构資料２2、结构如果直接把直流用的串励电动机作为交流用的话，会出现一些问题。交流用的单相串励换向器电动机，在做成如下的结构后，也拥了很好的性能。（1）因磁气回路中的磁通量会交变、铁损会变大，所以激磁上使用层叠铁心，做成类似感应电动机的定子的圆筒状。（2）因电枢及激磁绕组的电抗下降，功率因素会变得非常低，所以要减少激磁绕组的匝数、缩小界磁束。为了补偿为此而减少的转矩，要增大电枢绕组的匝数。因此，与相同额定的直流机相比，电枢变大，整流子片的数量也会变多。34单相串励换向器电动机-结构資料２（3）如果增加电枢的匝数，那么电枢的反作用将会变大，