莊曉龍

（ 金華職業(yè)技術(shù)學院，浙江 金華 321007 ）

單相串激電機的基本特性

莊曉龍

（ 金華職業(yè)技術(shù)學院，浙江 金華 321007 ）

以單相串激電機的電壓平衡方程式為切入點，分析串激電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、效率關(guān)系，并結(jié)合鐵心磁化曲線分析單相串激電機的測試曲線。

電動工具；串激電機；特性；曲線

0 引言

單相串激電機是一種其勵磁繞組同電樞繞組通過電刷和換向器串聯(lián)在一起，接至電源的一種電機，其特點是轉(zhuǎn)速高、體積小、重量輕，調(diào)速方便，目前廣泛應用于電動工具行業(yè)大部分產(chǎn)品。

1 基本特性

串激電機在交、直流兩種電源下均可應用,單相交流串激電機激磁磁場和電樞電流的方向隨電源極性的改變而改變。與直流串激電動機相比，單相交流串激電機內(nèi)部電關(guān)系較復雜，如電樞電流越前主磁通θ相角等，但其在工作原理、結(jié)構(gòu)上與直流串激電機基本相同。

單相串激電機的實質(zhì)是一個電路，如圖1所示為單相串激電機的原理。

圖1 單相串激電機原理

由于勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，所以勵磁電流If與電樞電流Ia相同，即If=Ia。為分析問題的簡便，以直流串激電機作為分析對象。當電機旋轉(zhuǎn)，電樞繞組切割磁力線產(chǎn)生感應電勢E，則可以列出單相串激電機的電壓平衡方程式為：

式中 E—電樞繞組感應電勢（反電勢）

Ra—電樞繞組電阻

Rf—激磁繞組電阻

ΔUb—電刷與換向器間電壓降感應電勢公式為：

式中N—電樞總的導體數(shù)

n—電機轉(zhuǎn)速

電磁轉(zhuǎn)矩公式為:

則轉(zhuǎn)速公式為：

這些公式與永磁直流電動機比，形式上一樣，區(qū)別在于氣隙磁通 。如忽略電樞反應影響，永磁直流電動機 是不變的，與負載大小無關(guān)。在串激電機中，激磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，激磁電流If等于電樞電流Ia，而電樞電流Ia的大小取決于負載的大小。因此，磁通 隨Ia和負載的變化而變化，從而使串激電機具有一系列特點。

串激電機工作時將電磁能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，其能量轉(zhuǎn)化情況如下所示。

功率方程：

在電壓平衡方程式兩邊乘以電流。由于串激電機I=Ia=If，于是

式中P1—電機電源輸入功率P1=UI

Pm—電磁功率，轉(zhuǎn)化為磁能的電能，Pm=EIa

Pcuo—電樞繞組銅損，Pm=Ia2Ra

Pcuf—激磁繞組銅損，Pcuf=If2Rf

Pb—電刷與換向器接觸電損耗，Pb=ΔUbI

式中P2—電機輸出的機械功率

P0—電機空載損耗

PΔ—雜散損耗

則電機效率：

圖2所示為串激電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、效率和機械特性曲線。

圖2 單相串激電機特性曲線

單相串激電機具有如下特點：

1）轉(zhuǎn)速隨負載的增大迅速下降機械特性軟

由轉(zhuǎn)速公式可知，當負載增大時，Ia增大，Ia(Ra+Rf)增大，同時由于If=Ia，使分母中的磁通 增大，于是兩者轉(zhuǎn)速大幅度下降，形成較軟的機械特性。

2）起動轉(zhuǎn)矩大

2 測試曲線

電動工具工作過程中，其負載并不固定在額定點上而是變化的，存在著起動、負載、過載、堵轉(zhuǎn)、停機等過程與變化。電動工具電機性能曲線能完整地描述在額定電壓條件下，以輸出轉(zhuǎn)矩為自變量，轉(zhuǎn)速、效率、功率因數(shù)、輸出功率、輸入電流、輸入功率等參數(shù)的變化規(guī)律，并用曲線形式展現(xiàn)，表征著電動工具電機運行特征與性能。通過電機測試曲線分析，可確定電動工具工作過程中的空載點、額定輸入功率點、最大輸出功率點和最大效率點等參數(shù)，為設計人員改進優(yōu)化工具結(jié)構(gòu)與電機設計提供依據(jù)。

圖3是電動工具運行過程中，采集的輸入電流、輸入功率、輸出功率、效率等數(shù)據(jù)，擬合形成的測試曲線。

圖3 單相串激電機測試曲線

隨著負載T的增大，電機的工作電流I不斷增大，電機的電源輸入功率P1不斷增大。隨著電機工作電流增大，鐵心被磁化且定子勵磁效果不斷增強，此時電機的輸出功率P2增大。如只考慮鐵心對電機的影響，電機效率隨磁化曲線從開始磁化段至線性段逐漸增大，當磁化曲線趨近飽和時，電機效率最大。當磁化曲線進入飽和段時，磁能達到飽和，電機輸出功率P2最大，同時電機發(fā)熱劇增、效率下降。但實際上，影響電機效率除了鐵耗外，尚有銅耗、風摩損耗、軸承和齒輪的傳動損耗及換向損耗等，其中鐵耗僅占總損耗的10%左右，影響最大的是銅耗和風摩損耗，實際電機達到最大效率點時，鐵心已經(jīng)進入飽和。

3 結(jié)語

電機的額定工作點設計在最大效率點的左側(cè)，如線①所示，表明電機尚有設計余度，備有較大過載能力。電機的額定工作點設計在最大效率點的右側(cè)，如線②所示，表明電機易過載。離最大效率點越往右，電機發(fā)熱越嚴重，該種情況應及時避免。

[1]汪鎮(zhèn)國.單相串激電動機的原理設計制造[M].上海:上海科學技術(shù)出版社,1991.

[2]莊曉龍.單相串激電動機設計制造[M].北京:科學出版社,2012.

The Basic characteristics of Single-phase series motor

Zhuang Xiaolong
(Jinhua College of Profession and Technology, Jinhua 321007, Zhejiang)

Set the balance equation of single-phase series motor as a starting point, the relationship between the speed, torque and efficiency of the series motor is analyzed, and the test curve of the single-phase series motor is analyzed according to the magnetization curve of the core.

Electric tool; Series motor; Characteristics; Curve

TM32

A

1674-2796（2017）05-0004-03

2017-07-31

莊曉龍（1972—），男，大學本科，副教授，從事電動工具設計與制造方面教學工作。