上官璇峰，劉永健，楊婷玉，衛(wèi)勁松

(河南理工大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院,河南 焦作 454150)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電動工具和家用小電器的需求在不斷提高[1]。單相串激電機(jī)既適用于交流電源，又適用于直流電源，具有體積小、轉(zhuǎn)速高、起動轉(zhuǎn)矩大以及使用方便等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用在小型機(jī)床、化工、家電和電動工具行業(yè)。因此，對單相串激電機(jī)的研究具有重要的工程價值[2]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對單相串激電機(jī)的研究主要集中在電機(jī)的換向性能和優(yōu)化設(shè)計上。文獻(xiàn)[3]設(shè)計了一種定子采用爪極結(jié)構(gòu)的串激電機(jī)，這種結(jié)構(gòu)利用各向同性的軟磁復(fù)合材料作為鐵芯和集中繞組。文獻(xiàn)[4]基于等效磁路法對單相串激電機(jī)的換向過程進(jìn)行了研究，并對采用兩個換向片和3個換向片的電刷接觸電阻進(jìn)行了研究分析。文獻(xiàn)[5]對一種食物攪拌機(jī)用的單相串激電機(jī)進(jìn)行深槽設(shè)計，并進(jìn)行換向性能分析。文獻(xiàn)[6]提出了一種低成本四極串激電機(jī)設(shè)計分析，其電樞繞組采用疊繞繞制和兩對電刷。文獻(xiàn)[7]提出一種高輸出等效四極兩刷通用電機(jī)，其輸出功率高于常規(guī)兩極電動機(jī)。

本文基于一臺電鎬電機(jī)進(jìn)行研究，將定子結(jié)構(gòu)改為有輔助磁極四極的結(jié)構(gòu)，磁極順序為N-S-N-S。一對磁極繞制線圈產(chǎn)生相同的極性，另一對輔助磁極無需繞制線圈，磁力線經(jīng)過輔助磁極閉合構(gòu)成四極。電樞繞組采用波繞組，只需一對電刷。本文利用Maxwell有限元軟件對四極電機(jī)的磁場分布和氣隙磁密以及電機(jī)的工作特性進(jìn)行仿真分析，并對電機(jī)的帶負(fù)載運行性能和不同電刷偏移角時徑向力進(jìn)行研究分析。最后，研究人員對3種改善串激電機(jī)換向火花的方法進(jìn)行了理論分析。

1 四極單相串激電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)

四極單相串激電機(jī)的CAD模型如圖1所示。電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。表2列出了電機(jī)的額定數(shù)據(jù)。常規(guī)兩極串激電機(jī)定子鐵芯通常利用硅鋼片制成整體，方便加工。相比兩極電機(jī)，四極電機(jī)定子由繞線圈的主磁極和無線圈的輔助磁極構(gòu)成，定轉(zhuǎn)子軛部寬度減小，電樞繞組端部縮短，減少了用銅量。電樞繞組采用波繞組，減少了一對電刷，有利于降低成本。

圖1 四極單相串激電機(jī)模型圖

表1 電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 電機(jī)的額定參數(shù)

2 模型建立與分析

本文采用Maxwell有限元軟件對電機(jī)運行特性和帶負(fù)載性能進(jìn)行研究。該有限元軟件瞬態(tài)求解器分析過程主要包括建模、求解、后處理等步驟。

2.1 建模

建模分為物理模型建立和外電路模型建立兩部分。

2.1.1 物理模型

物理模型是根據(jù)電機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸和電機(jī)材料來建立的。首先借助Auto-CAD畫出電機(jī)的平面圖形，然后將圖形導(dǎo)入有限元軟件中，設(shè)置定轉(zhuǎn)子材料為DW50-50硅鋼片，轉(zhuǎn)軸為10#鋼，線圈為銅線；再生成繞組，電機(jī)激磁繞組110匝，線徑0.9 mm，電樞繞組12匝，線徑0.69 mm；最后設(shè)置電機(jī)Motion部件。

2.1.2 電路模型

建立電路模型過程中，電樞線圈采用波繞組連接方式。圖2是新型串激單機(jī)外電路采用波繞組連接示意圖。外電路通過換向器繞過一周回到出發(fā)前換向片前面一片，波繞組連接可以把同極性下對應(yīng)的所有線圈連接串聯(lián)起來，正負(fù)碳刷空間相隔90°，且僅需一對電刷。

圖2 電路連接示意圖

2.2 磁場分析

將外電路電壓源設(shè)置為50 Hz和220 V，電刷偏移角為0°，用瞬態(tài)求解器求解得到如圖3所示的四極單相串激電機(jī)磁場分布圖。氣隙磁密如圖4所示。

圖3 磁密分布圖

圖4氣隙徑向磁密

3 四極單相串激電機(jī)運行特性分析

3.1 電機(jī)起動過程分析

單相串激電機(jī)考慮起動過程的機(jī)械運動方程為

(1)

(2)

式中，J為轉(zhuǎn)動慣量；Rw為阻尼系數(shù)；TL為電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

電磁轉(zhuǎn)矩方程為

Te=CTΦIa

(3)

式中，CT是電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)；Ф為每極磁通；Ia為電樞電流。

起動過程中的阻尼系數(shù)

(4)

式中，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速。

由式(3)和式(4)，借助有限元法計算電機(jī)起動過程如圖5所示。

圖5 電機(jī)起動過程

3.2 電機(jī)工作特性

單相串激電機(jī)的電壓方程和感應(yīng)電動勢為

U=Ea+(Ra+Rf)Ia

(5)

Ea=CeΦn

(6)

式中，U為電源電壓；Ea為電樞繞組的感應(yīng)電勢；Ra和Rf分別為電樞繞組和勵磁繞組電阻；Ce為電動勢常數(shù)。

由式(5)和式(6)可得串激的轉(zhuǎn)速特性

(7)

單相串激電機(jī)效率計算式

(8)

式中，PFe、Pmec、PCuf以及PCua分別為電機(jī)的鐵損、機(jī)械損耗、勵磁繞組銅耗以及電樞繞組銅耗。根據(jù)以上計算式得出四極單相串激電機(jī)工作特性，如圖6～圖8所示。

圖6 轉(zhuǎn)速與電流關(guān)系

圖7 轉(zhuǎn)矩與電流關(guān)系

圖8 效率與轉(zhuǎn)速關(guān)系

3.3 電機(jī)機(jī)械特性

電機(jī)的機(jī)械特性是指在額定電壓下轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)系，電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的計算式為

(9)

式中，電機(jī)的磁化曲線近似用直線表示為φ=KsIa，Ks為比例常數(shù)。四極單相串激電機(jī)機(jī)械特性如圖9所示。

圖9 轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩關(guān)系

當(dāng)電機(jī)負(fù)載增大時，電磁轉(zhuǎn)矩隨之增大，輸入電流亦隨之增大，激磁磁通也隨之增大，由式(7)可知轉(zhuǎn)速隨之下降。因電流增大，繞組的電阻壓降增大，外加電源電壓不變。為了平衡電源電壓，電樞繞組感應(yīng)電動勢降低，轉(zhuǎn)速也隨之下降。由圖9可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨著電機(jī)負(fù)載增加而迅速下降。

4 電機(jī)帶負(fù)載性能和徑向力分析

4.1 電機(jī)負(fù)載運行分析

設(shè)置電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為0.4 N·m，用Transient 2D瞬態(tài)求解器仿真電機(jī)轉(zhuǎn)矩T、激磁線圈電流Ij和電樞線圈電流Ia隨時間波形，如圖10～圖12所示。

圖10 電機(jī)轉(zhuǎn)矩圖

圖11 激磁電流圖

圖12 電樞電流圖

串激電機(jī)的電源是交流電源，所以電磁轉(zhuǎn)矩是脈振交變的，四極單相串激電機(jī)起動轉(zhuǎn)矩最大值為4.8 N·m。對比轉(zhuǎn)矩和激磁電流周期可知，轉(zhuǎn)矩脈振頻率和激磁電流頻率是二倍的關(guān)系，該二倍關(guān)系會增加電機(jī)的徑向振動和電磁噪聲，不利于換向。

4.2 電機(jī)徑向力分析

根據(jù)麥克斯韋張量法，體積V內(nèi)磁質(zhì)所有力為

(10)

式中，T為磁場的張立張量；S為包圍磁質(zhì)的任意閉合面，其中在二維模型中可簡化為一條曲線。

選取氣隙中一條曲線作為積分路徑，電機(jī)所受徑向力計算式為

(11)

式中，h為鐵芯長度；Br為徑向磁密；Bt為切向磁密。借助有限元軟件，計算出電機(jī)偏移角為0°時的徑向和切向磁密，并由式(11)計算出此時的電機(jī)徑向力。徑向力結(jié)果如圖13所示。

圖13 0°偏移角時電機(jī)徑向力

電機(jī)徑向力是導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)動不平衡的主要原因，可影響電機(jī)的使用性能[8]。通過逆轉(zhuǎn)向偏移電刷可使電樞繞組產(chǎn)生直軸電樞反應(yīng)，對氣隙磁場起到去磁作用，減輕徑向力對電機(jī)的影響[9-11]。由表3可以看出，隨著電刷偏移角增大，電機(jī)徑向力逐漸減小。

表3 不同電刷偏移角下徑向力

5 改善串激電機(jī)火花方法

串激電機(jī)換向花火的改善一直以來都是研究重點，下面以四極單相串激電機(jī)為研究對象對幾種不同的改善換向火花措施進(jìn)行理論研究，并借助有限元軟件進(jìn)行仿真分析。

5.1 增大定轉(zhuǎn)子匝比

串激電機(jī)匝數(shù)比

(12)

式中，Ws為激磁繞組每極匝數(shù)；Na為電樞繞組總導(dǎo)體數(shù)。

定轉(zhuǎn)子匝比增大，則電機(jī)激磁繞組匝數(shù)增多，激磁磁場較強(qiáng)，電樞磁場相對較弱，使得定轉(zhuǎn)子氣隙的空間磁場畸變減小，有利于改善換向火花。增大定轉(zhuǎn)子匝比會提高電機(jī)磁路飽和度，改善電機(jī)的機(jī)械特性[12]。

由表4可以看出，隨著電機(jī)匝比升高，激磁電流減小。但是激磁安匝數(shù)在升高，電機(jī)的磁通增加，由轉(zhuǎn)速計算式可知轉(zhuǎn)速在下降。激磁安匝數(shù)增多會增大電機(jī)的溫度，導(dǎo)致電機(jī)溫升不符合標(biāo)準(zhǔn)。因此，在設(shè)計電機(jī)時，需要選擇合適的安匝比以使電機(jī)溫升滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

表4 不同匝比電機(jī)性能

5.2 增大氣隙長度

為了減少定子主磁極對換向的影響，可以通過適當(dāng)增大氣隙長度來削弱氣隙磁場波形畸變，有利于換向[13]。本文設(shè)置電機(jī)氣隙長度分別為0.5 mm和0.6 mm，計算結(jié)果如表5所示。由表5可以看出，氣隙長度越長，磁勢消耗越多，定子激磁匝數(shù)越多，轉(zhuǎn)速降低。但由于激磁安匝數(shù)增多，電機(jī)銅耗也增多。實際工程中，單相串激電機(jī)的氣隙長度一般為0.3～0.9 mm。由于實際應(yīng)用中需要正反轉(zhuǎn)的串激電機(jī)，因此氣隙長度可增大0.1～0.15 mm[14]。

表5 不同氣隙寬度電機(jī)性能

5.3 逆轉(zhuǎn)向偏移電刷

當(dāng)電刷偏移幾何中性線一定角度β時，使換向元件切割主磁場，產(chǎn)生與電抗電勢ex和電樞反應(yīng)電勢ea相反方向的換向電勢em[15]。若電刷偏移角β過小，則換向元件處在較弱的主磁場下，其所產(chǎn)生的電勢em較小，不足以抵消(ex+ea)，換向改善不大；β角過大時，產(chǎn)生較大的切割電勢em，使原來的延遲換向變?yōu)槌皳Q向，但是過大的超前換向?qū)夯瘬Q向[16]。

串激電機(jī)通常采用的改善換向方法是將電刷位置從換向器的幾何中心線逆轉(zhuǎn)向偏移一個適當(dāng)?shù)慕嵌圈耓17]。實際應(yīng)用中，電刷是安裝在幾何中性線上的，不能進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，所以通過偏轉(zhuǎn)電樞元件來等效地對電刷進(jìn)行逆轉(zhuǎn)向偏轉(zhuǎn)[18]。本文設(shè)置電樞元件偏轉(zhuǎn)0、0.5、1、1.5和2片，仿真電機(jī)性能結(jié)果如表6所示。

由表6可以看出，隨著電刷偏移角增加，電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降，其原因是隨著偏角增大，電樞電流增大，電樞磁場增強(qiáng)，減弱了激磁磁場，影響了電機(jī)性能[19]。在實際工程中，電刷一般逆轉(zhuǎn)向偏轉(zhuǎn)1～2片，角度在10°～26°之間[19]。

表6 不同偏片時電機(jī)性能

6 結(jié)束語

本文基于一款電鎬電機(jī)提出了一種新型四極兩刷串激電機(jī)，其電樞繞組采用波繞組，只需一對電刷。本文首先對四極串激電機(jī)的氣隙磁密進(jìn)行了分析；然后分析了該電機(jī)的運行特性和機(jī)械特性，驗證了串激電機(jī)的機(jī)械特性是軟特性；最后分析了四極單相串激電機(jī)的帶負(fù)載性能和徑向力，并發(fā)現(xiàn)四極電機(jī)徑向力隨著偏移角增大而減小。本研究對3種不同的改善換向方法進(jìn)行了理論分析，但四極串激電機(jī)的實際改善效果仍需通過樣機(jī)實驗進(jìn)一步驗證。四極兩刷電機(jī)定子沖片小，提高了對硅鋼片的利用率。其轉(zhuǎn)子極距減小，節(jié)約了銅線，降低了電機(jī)成本。但是，在工廠實際加工中，四極電機(jī)仍有一些缺陷，其繞線較復(fù)雜，加工時間長，仍需進(jìn)行進(jìn)一步改善。