[科普中國(guó)]-串勵(lì)電機(jī)

濟(jì)南科亞電子科技有限公司多年來(lái)一直從事直流電機(jī)及其控制系統(tǒng)的研發(fā)、生產(chǎn)與銷售。我們的直流串勵(lì)電機(jī)主要應(yīng)用于電瓶搬運(yùn)車，軌道車，干手器，及使用電瓶的電動(dòng)設(shè)備上。

串勵(lì)電機(jī)串勵(lì)電機(jī)又稱交直流兩用電機(jī)，可以用于直流電源供電。

分類一是磁場(chǎng)磁極是由軟磁性鋼塊制成，只適用于直流電源的直流電動(dòng)機(jī)。

另一種是磁場(chǎng)磁極也是由硅鋼片疊成，適用于交流電源的交流電動(dòng)機(jī)，此類也可以交直流通用，就是常見(jiàn)手持電動(dòng)工具用的。

當(dāng)此類電動(dòng)機(jī)用于交流電路時(shí)，盡管電流方向在交變，但因電樞，磁場(chǎng)，同時(shí)改變方向，故旋轉(zhuǎn)方向不變。

簡(jiǎn)介直流電機(jī)除串勵(lì)以外還有并勵(lì)，他勵(lì)，復(fù)勵(lì)等勵(lì)磁方式，只能說(shuō)單相串勵(lì)電機(jī)與直流串勵(lì)電機(jī)結(jié)構(gòu)相同，即使是相同，單相串勵(lì)電機(jī)可用于直流，不代表所有串勵(lì)電機(jī)都可用于交流，其它勵(lì)磁方式更是絕對(duì)不能通用的。

單相串勵(lì)電機(jī)機(jī)械特性較軟，多用于電動(dòng)工具，可以用直流供電，這樣性能會(huì)更好一點(diǎn)。若改為并勵(lì)，機(jī)械性能將變硬，類似于并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的特性。

串勵(lì)電動(dòng)機(jī)單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)俗稱串勵(lì)電機(jī)或通用（Universal Motor國(guó)外叫法），因電樞繞組和勵(lì)磁繞組串聯(lián)在一起工作而得名。單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)屬于交、直流兩用電動(dòng)機(jī)，它既可以使用交流電源工作，也可以使用直流電源工作。

單相串勵(lì)電機(jī)是一種目前已經(jīng)應(yīng)用非常廣泛的電機(jī)，它的優(yōu)點(diǎn)是由于它轉(zhuǎn)速高、起動(dòng)力矩大、體積小、重量輕、不容易堵轉(zhuǎn)、適用電壓范圍很廣，可以用調(diào)壓的方法來(lái)調(diào)速，簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)。

結(jié)構(gòu)原理編輯

單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)屬于單相交流異步電動(dòng)機(jī)，是交直流兩用的，所以

單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)

又稱為交直流兩用串勵(lì)電動(dòng)機(jī)。由于它轉(zhuǎn)速高、體積小、啟動(dòng)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(dòng)工具中得到廣泛的應(yīng)用。

電機(jī)主要由定子轉(zhuǎn)子及支架三部分組，定子由凸極鐵心和勵(lì)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(lì)磁繞組與電樞繞組之間通過(guò)電刷和換向器形成串聯(lián)回路。

工作原理編輯

單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的工作原理，是建立在直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上的。原

理如圖所示，勵(lì)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(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)；如果把電源的極性反過(guò)來(lái)，如圖b所示由于是串勵(lì)電動(dòng)機(jī)，主磁通Φ和電樞電流Ia也都同時(shí)改變了方向，按照左手定則，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向不變，仍為按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。因此，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)加上單相交流電壓后，如圖c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(lì)電動(dòng)機(jī)可以應(yīng)用在交、直流兩種電源上。

運(yùn)行機(jī)制編輯

單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)是一種帶有電刷和換向器的交流電動(dòng)機(jī)，有的串勵(lì)電動(dòng)機(jī)既可由交流亦可由直流供電，稱為交直流兩用電動(dòng)機(jī)。因其勵(lì)磁繞組和電樞繞組串聯(lián)而得名。單相串勵(lì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)同直流串勵(lì)電機(jī)十

分相似，主要的區(qū)別在于單相串勵(lì)電機(jī)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(lì)電機(jī)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩的原理和直流串勵(lì)電機(jī)相似，可以用直流電機(jī)的運(yùn)行原理來(lái)解釋[1]。

單相串勵(lì)電機(jī)的定子繞組與電樞繞組是串聯(lián)的，串勵(lì)電機(jī)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(shí)，定子磁場(chǎng)的極性和轉(zhuǎn)子電流或其產(chǎn)生的磁場(chǎng)同時(shí)變換方向，根據(jù)左手定則，電磁力的方向不會(huì)改變，所以串勵(lì)電機(jī)能夠始終維持一個(gè)恒定的轉(zhuǎn)向。

如圖 2-1 所示，當(dāng)正向通電時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩方向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较?；如果電源的正?fù)極性調(diào)換，則激磁磁通和電樞電流方向同時(shí)改變，電磁轉(zhuǎn)矩方向仍為逆時(shí)針?lè)较?，所以電機(jī)轉(zhuǎn)向不變，亦即單相交流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)方向不隨電源極性的改變而變化[2]。

機(jī)械特性編輯

單相串勵(lì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩的瞬時(shí)表達(dá)式為：

式中 ： T——轉(zhuǎn)矩瞬時(shí)值；CT——轉(zhuǎn)矩常數(shù)；

——每極磁通峰值；

——電流峰值；

——磁通滯后電流的角度

由此得出單相交流串勵(lì)電機(jī)的機(jī)械特性：?jiǎn)蜗啻畡?lì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩是隨時(shí)間變化的，即每一瞬間

串勵(lì)電動(dòng)機(jī)

的轉(zhuǎn)矩大小是不同的，這和直流的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)性存在明顯的差別，輸出轉(zhuǎn)矩實(shí)際上是平均值。

電動(dòng)機(jī)在磁路未飽和時(shí)，因磁通大小和勵(lì)磁電流大小成正比，故轉(zhuǎn)矩和電流的二次方成正比；當(dāng)電動(dòng)機(jī)的磁路飽和時(shí)，電流的變化對(duì)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(dòng)轉(zhuǎn)矩大，不容易堵轉(zhuǎn)，這是這類電動(dòng)機(jī)的可貴優(yōu)點(diǎn)，適用于啟動(dòng)比較困難的場(chǎng)合。

在串勵(lì)電機(jī)工作中，電機(jī)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(jī)的工作特性，得到單相串勵(lì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速方程：

式中：

——電動(dòng)勢(shì)常數(shù)；

——每極磁通；

——對(duì)電刷的接觸壓降

在外施電壓恒定，磁路不飽和的情況下，負(fù)載增大，電樞電流相應(yīng)的增大，因而磁通

和電阻壓降

也增加，從轉(zhuǎn)速的表達(dá)式可知，轉(zhuǎn)速迅速下降；相反在空載的情況下，電流和磁通都很小，空載時(shí)轉(zhuǎn)速很高，很容易損害電動(dòng)機(jī)，從安全和電機(jī)的保護(hù)考慮，應(yīng)該盡量的避免電機(jī)空載運(yùn)行。但是對(duì)于電動(dòng)工具用串勵(lì)電機(jī)，因一般帶著工作頭，其空載轉(zhuǎn)速不會(huì)太高，而且設(shè)計(jì)時(shí)常用空載轉(zhuǎn)速限制在額定轉(zhuǎn)速的 1.7 倍左右，對(duì)于功率很小的串勵(lì)電機(jī)，因?yàn)樽陨磙D(zhuǎn)矩很大，空載轉(zhuǎn)速也不會(huì)極高。負(fù)載增大，轉(zhuǎn)速下降，使輸出功率變化不大，不易因負(fù)載增大而使電機(jī)過(guò)載，這一特點(diǎn)使這類電機(jī)廣泛用于負(fù)載轉(zhuǎn)矩大幅度變化的場(chǎng)合，調(diào)速范圍較寬[3]。

由圖 2-2 得出負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速變化情況，當(dāng)負(fù)載增大時(shí)，電樞繞組中的電

流相應(yīng)的增大，由于定子勵(lì)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(dòng)勢(shì)下降，又造成了轉(zhuǎn)速的下降。所以同直流電機(jī)的機(jī)械特性相比，單相串勵(lì)電機(jī)的機(jī)械特性更軟，這造成了其速度控制的難度1。

調(diào)速原理編輯

單相串勵(lì)電機(jī)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(dòng)勢(shì)。根據(jù)其機(jī)械特性，影響電機(jī)轉(zhuǎn)速的有電動(dòng)勢(shì)，磁通和電樞導(dǎo)體數(shù)。對(duì)于已經(jīng)制成的電機(jī)，導(dǎo)體數(shù)已定，不能改變，所以不能采用這個(gè)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(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)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(jiǎn)單，元件體積小等特點(diǎn)，是一種可控硅簡(jiǎn)單有效的方法。

單相串勵(lì)電機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電壓的移相觸發(fā)。在實(shí)現(xiàn)方法上有硬件和軟件方式。在硬件設(shè)計(jì)上要得到可靠的電機(jī)速度控制，采用的專用集成電路作為控制線路，在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上裝置速度傳感器，以反饋轉(zhuǎn)速信號(hào)，從而使電機(jī)調(diào)定的轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定，而不隨負(fù)載而變化，但這些高性能的調(diào)速裝置，由于線路復(fù)雜，成本高和體積大等原因，在實(shí)際的家電的速度控制中，沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)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幚砥鳎梦⑻幚砥鱽?lái)觸發(fā)可控硅的延時(shí)導(dǎo)通從而實(shí)現(xiàn)對(duì)串勵(lì)電機(jī)的速度控制。這種方法的電路比較簡(jiǎn)單，應(yīng)用單片機(jī)就可以完成，節(jié)省了成本。所以在實(shí)際的應(yīng)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(lì)電機(jī)的調(diào)速方法也有全波

可控移相整流

和半波之分。采用半波整流的方式，在交流電源正弦信號(hào)的正半周期內(nèi)，由可控硅的特性中，當(dāng)延遲時(shí)間給其一適當(dāng)正脈沖信號(hào)，可控硅導(dǎo)通，串勵(lì)電機(jī)從而獲得電源激勵(lì)而工作。不同的延遲時(shí)間對(duì)應(yīng)的不同的電壓激勵(lì)，電機(jī)就會(huì)輸出不同的速度，從而實(shí)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(hào)的負(fù)半周期內(nèi)，通過(guò)給出可控硅的控制脈沖，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)輸入電源電壓的控制。這樣的話，在一個(gè)電源周期內(nèi)，對(duì)電機(jī)的速度信號(hào)進(jìn)行兩次調(diào)節(jié)，能夠提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度，及時(shí)對(duì)電機(jī)速度的調(diào)節(jié)使電機(jī)的運(yùn)行更加平穩(wěn)，調(diào)速范圍更廣。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

王沛 - 副教授、副研究員 - 中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所