串激電機技術(shù)1第一頁，共六十八頁，2022年，8月28日小型電機的分類、市場第二頁，共六十八頁，2022年，8月28日電機的分類ブラシレス第三頁，共六十八頁，2022年，8月28日小型電機的分類及定義ブラシレス小型電機的分類與定義（除玩具用電機）第四頁，共六十八頁，2022年，8月28日小型電機的生產(chǎn)情況モータ技術(shù)家電AV機器AV測試其它汽車相關(guān)圖1.6各種用途的生產(chǎn)臺電機圖1.6小型電機各種類的生產(chǎn)情況其它交流電機有刷直流

電機

DC伺服電機0.3%步進電機5.2%無鐵心電機3.6%無碳刷電機4.1%其它直

流電機

15.2%感應(yīng)

電機

12.8%直流電機交流電機第五頁，共六十八頁，2022年，8月28日未來預測モータ技術(shù)市場圖1.7各種小型電機的種別預測MM（有刷微型電機）BL（無刷電機）STP（步進電機）SDC（DC&串激電機）1φ（單相電機）SHAD（罩極電機）LIN（線性傳動裝置、特殊電機）第六頁，共六十八頁，2022年，8月28日電機的基本原理第七頁，共六十八頁，2022年，8月28日交變磁場與旋轉(zhuǎn)磁場モータ技術(shù)圖3.1交變磁場圖3.1旋轉(zhuǎn)磁場第八頁，共六十八頁，2022年，8月28日力矩的產(chǎn)生原理圖3.5夫累銘（fleming）左手法則最基本的電磁力是如圖3.5所示的夫累銘左手法則而產(chǎn)生，當磁場B中所置的長度

為l的導體上流通電流I時，載流導體所受的作用力F為：

F=IBl圖3.5夫累銘左手法則第九頁，共六十八頁，2022年，8月28日電機存在的3種力矩モータ技術(shù)電磁力中除了導體所受的作用力外，還有鐵心及永久磁石所受的作用力，嚴格來說，微小部分所受的作用力可用下式（3.13）來表示。在這里，i：電流密度，B:磁密，H：磁場的強弱，ur：可逆透磁率，J：磁化的強度。與此式中的3種力矩對對應(yīng)的有3項，與式(3.13)相同，第1項是載流導體所受的作用力，在后面會講到如果繞組向無鐵心電機一樣全部在磁場中，那么就可以考慮只有這種力在作用。第2項是鐵心表面所受的作用力，在鐵心槽內(nèi)繞線的電機，基本上是以這種力在作用。第3項是永久磁瓦的磁極所受的作用力，永久磁瓦轉(zhuǎn)子因為受此力而轉(zhuǎn)動。第十頁，共六十八頁，2022年，8月28日電機存在的3種力矩モータ技術(shù)但是，要用此式根據(jù)作用點的電磁力直接計算力矩一般是比較困難的，所以通常是使用虛功原理（移動微小距離時的工作與那時的磁場能量變化量是相等）根據(jù)積蓄磁氣能量Wm的變化，以下式(3.14)為基礎(chǔ)進行計算的情況比較多。氣隙面的吸引力（法向力）F是在氣隙長度的變化方向X、微分積蓄磁氣能量Wm而得出的。旋轉(zhuǎn)力矩（發(fā)生力矩）T同樣地是在旋轉(zhuǎn)方向θ、處微分積蓄磁氣能量Wm而得出。這個計算的具體方法就是終章中所示的FEM有限要素法解析。如上所述，電機中有導體、鐵心、永久磁瓦這3個發(fā)生力矩的要因?？傊?，電機上存在著含磁阻力矩、波動力矩的3種力矩發(fā)生要因。第十一頁，共六十八頁，2022年，8月28日法向力與切向力モータ技術(shù)中所積蓄的能量，X是位移量，這叫做假相位移原理。電機的話，其力的發(fā)生是在氣隙面進行的。圖(a)是表示氣隙附近的概略圖，在這里，W是磁氣能量，X是旋轉(zhuǎn)角或是氣隙長的變化。作為發(fā)生力，與氣隙面垂直方向的吸引力Fn（叫做法向力NormalForce）絕對要多，但如圖(b)所示的圓筒結(jié)構(gòu)的對稱設(shè)計時，與上下、左右的氣隙面垂直所發(fā)生的磁氣吸引力相互打消，合成值基本為0。與此相對的，與氣隙面平行的成分Ft（切向力TangentialForce）雖然只是法向力的幾分之1，但全周積分后的合成值便成了電機的發(fā)生力矩了。作為一種物理現(xiàn)象的力F、其發(fā)生是遵循的大法則，在這里，W是磁場法向力與切向力法向力與切向力第十二頁，共六十八頁，2022年，8月28日電機力矩的2個基本モータ技術(shù)在這里我們對電機力矩的2個基本做進一步進行思考。首先，設(shè)想一下永久磁石間相互極引和排斥的關(guān)系，圖3.6中表示定子磁極（上側(cè)S-N2）和轉(zhuǎn)子（下側(cè)N1）的相對相位角和發(fā)生力矩的關(guān)系。力矩發(fā)生的基本原理是[異極相吸、同極相斥]，總之讓上下磁極中心（磁瓦中心）保持一致而產(chǎn)生力。圖3.5力矩與相位角度的關(guān)系（力矩角）圖3.6N、S磁瓦中心的偏移角?與法向力的關(guān)系第十三頁，共六十八頁，2022年，8月28日直流電機（共通、關(guān)聯(lián)）第十四頁，共六十八頁，2022年，8月28日直流電機的結(jié)構(gòu)圖4.7音響機器用微型電機的結(jié)構(gòu)圖例圖4.7中的微型電機，羅列其零部件名稱：①軸、②定子磁氣機殼、③絕緣端

蓋、④⑤軸承、⑥繞組、⑦轉(zhuǎn)子鐵心、⑧整流子、⑨定子永久磁石、⑩碳刷防

震用減震器、⑾環(huán)形可調(diào)電阻。第十五頁，共六十八頁，2022年，8月28日直流電機的結(jié)構(gòu)圖4.8有槽標準型DC電機圖4.8中的有槽轉(zhuǎn)子DC電機，其結(jié)構(gòu)包括①有槽轉(zhuǎn)子鐵心、②整流子、③轉(zhuǎn)子繞組、④碳刷、⑤永久磁石。此結(jié)構(gòu)的特征是，轉(zhuǎn)子繞組與整流子片數(shù)做多，從設(shè)計上可提高電壓，輸出可做到幾十～幾百W。第十六頁，共六十八頁，2022年，8月28日直流電機繞組接線モータ技術(shù)星形接線與三爪接線對3槽電機的接線方式進行簡單地說明，槽內(nèi)繞組所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓因其繞組的接線方式不同，輸給碳刷端子上的電壓也會不同。其代表性的接線方式如圖4.4的星形接線和三爪接線。各槽內(nèi)的繞組感應(yīng)電壓e是相同的，但碳刷間出現(xiàn)的合成電壓(a)和(b)是不同的。星形連線圖(a)是通過N（稱為中性點）將各繞組的一端共同連接，所以碳刷端子上出現(xiàn)的電壓就只是2個繞組的和2e，而另一邊，三爪接線中端子電壓是隨著繞組數(shù)的增加而增大。第十七頁，共六十八頁，2022年，8月28日碳刷與換向器例モータ技術(shù)碳刷碳粉碳刷金屬黑鉛碳刷碳素質(zhì)碳刷黑鉛質(zhì)碳刷電氣黑鉛碳刷高金屬黑鉛碳刷圖4.18根據(jù)碳刷的材料的分類低金屬黑鉛碳刷油煙系黑鉛系瀝表焦系蝕刻加工模具沖壓線性加工換向器的結(jié)構(gòu)第十八頁，共六十八頁，2022年，8月28日直流電機的基本式モータ技術(shù)（1）直流電機的基本式基于電磁感應(yīng)作用電機的一般式是遵循夫累銘左手或是右手法則，所以轉(zhuǎn)速、磁通、力矩、發(fā)生電壓間的關(guān)系式是以基本電壓方程式來表現(xiàn)。這不僅僅是限定于直流電機，一般的電機也可通用。結(jié)論是以下列2條式子為基本式。（4.1）式從電壓方程式導出轉(zhuǎn)數(shù)n的關(guān)系式，k[V/rpm]是感應(yīng)電壓常數(shù)、是電機設(shè)計時決定的特有常數(shù)，φ[Wb]是主磁通量，V[V]是電源的外加電壓，IR[V]是電路的壓降。（4.2）式是發(fā)生力矩T的關(guān)系式，k'[T/A]是力矩常數(shù)。力矩常數(shù)與感應(yīng)電壓常數(shù)k一樣是電機設(shè)計的特有常數(shù)，發(fā)生力矩T基本上是與主磁通量φ[Wb]和電流I[A]的積成比例。第十九頁，共六十八頁，2022年，8月28日直流電機的基本式モータ技術(shù)另外，電機的輸出和輸入功率有如下關(guān)系式：

（4.3）式中是輸出功率的關(guān)系式，w.T是旋轉(zhuǎn)角速度w[rad/s]與力矩T[N.m]的乘積，這就是機械輸出功率。但是，從能量保存的法則上來考慮，機械輸出功率與電氣輸出輸率是一樣的。這種情況，有效電氣輸出功率就是電機反電動勢（發(fā)生電壓）Er和電流Io的乘積。這也就可以根據(jù)能量保存法則從原理上來證明等效。第二十頁，共六十八頁，2022年，8月28日直流電機的等效電路モータ技術(shù)圖4.5DC電機的電壓等效電路根據(jù)Eo與Er的電壓差△E（=Eo-Er），這個閉合電路內(nèi)，流通有△E=Eo-Er=Io.R的電流Io。直流電機的等效電路機械輸出與電氣輸出功率的等效關(guān)系如圖4.5所示，Eo是外加電壓，Er是電機的反電動勢，△E是電壓差，I.R是電阻部分引起的壓降，Io是電路電流。像這樣的電路稱之為DC電機系統(tǒng)的等效電路。通常，電源電壓Eo與電機的反電動勢Er間，有這樣的關(guān)系：圖4.5直流電機電壓等效電路第二十一頁，共六十八頁，2022年，8月28日直流電機的特性モータ技術(shù)圖4.5直流電機電壓等效電路根據(jù)此等效電路，可以理解電機的性能。首先，將DC電機連接到Eu的DC電源上，因為最開始沒有旋轉(zhuǎn)，所以Er=0、△E=Eo。當全部電壓施加到串聯(lián)電路電抗R上時、流通Ia=Eo/R過大電流，產(chǎn)生很大的力矩。接著，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速開始上升時，電樞繞組內(nèi)發(fā)生反電動勢，相應(yīng)此部分△E會減少。最后加速完成，最高轉(zhuǎn)速為恒定狀態(tài)，如果電機沒有損失、那么不要力矩，所以Io.R=0，即Eo=Er、不流通電流。以上的關(guān)系如圖4.6所示。這是永久磁石電機中具有代表性的它勵式DC電機的一般性能。換言之，也就是可以忽略電樞反作用及鐵心的飽和現(xiàn)象時的例子。圖4.5直流電機電壓等效電路圖4.6永久磁石DC電機的特性圖第二十二頁，共六十八頁，2022年，8月28日直流電機轉(zhuǎn)子角度與力矩モータ技術(shù)電機的區(qū)分是以『產(chǎn)生主磁通量的定子極數(shù)』來表現(xiàn)的圖4.12極2槽DC電機圖4.22極3槽DC電機(a)2極2槽DC電機圖4.3轉(zhuǎn)子角度與產(chǎn)生力矩的關(guān)系(b)2極3槽DC電機第二十三頁，共六十八頁，2022年，8月28日交直流兩用電機第二十四頁，共六十八頁，2022年，8月28日交直流兩用電機モータ技術(shù)交直流兩用電機（universalmotor），本來是對設(shè)計成交流或DC都可以使用的電機而定名的，但現(xiàn)在，雖然直流也可以使用，但基本是多數(shù)場合都是指交流用的電機。

此電機跟DC電機同樣，由帶整流子的轉(zhuǎn)子和產(chǎn)生主磁通量的磁場而構(gòu)成。與DC電機不同，因為是由交流而發(fā)生的交變磁場，所以為了控制鐵損、以防止發(fā)熱為目的而把所有的鐵心都疊積起來制作是其一大特征。另外，此電機為了提高效率及改善功率因數(shù)，有必要將轉(zhuǎn)子的磁動勢做得比磁場的磁動勢大。第二十五頁，共六十八頁，2022年，8月28日交直流兩用電機的分類モータ技術(shù)交直流兩用電機的分類大致可分為下面的(1)～(5)種類型，但小型電機主要是單相串勵電動機（串激）電機使用得比較多，所以交直流兩用電機也可以當成是串激電機來考慮，且串激電機這個稱呼比較普遍。在這里，除了介紹串激電機以外，其它的結(jié)構(gòu)也進行簡單地說明。

(1)單相串勵電動機（串激電機，single-phaseseriesmotor）此電機如圖4.34所示，是串激繞組F與轉(zhuǎn)子繞組A串聯(lián)接續(xù)的電機。(b)和（c）是帶有補償繞組的電機圖例，（c）表示補償繞組。這個繞組可以通過打消轉(zhuǎn)子電流引起的磁動勢而防止功率因素的降低，是為了改善整流而設(shè)計的。(b)是補償繞組與轉(zhuǎn)子串聯(lián)繞線，激磁是電氣角偏移90°的一種設(shè)計，（c）由感應(yīng)作用而進行補償?shù)姆绞?。第二十六頁，共六十八頁?022年，8月28日交直流兩用電機的分類モータ技術(shù)以感應(yīng)作用補償與激磁串聯(lián)、90°相位第二十七頁，共六十八頁，2022年，8月28日交直流兩用電機的分類モータ技術(shù)(2)單相并勵電動機（single-phaseshuntmotor)這種類型如圖4.35所示，是指激磁F與電樞A并聯(lián)的電機。(3)單相復勵電動機(single-phasecompoundmotor）這種類型如圖4.36所示，是指并聯(lián)的兩個激磁F1和F2與電樞A串聯(lián)在一起的電機。圖4.35單相并勵電動機圖4.36單相復勵電動機第二十八頁，共六十八頁，2022年，8月28日交直流兩用電機的分類モータ技術(shù)圖4.37單相排斥電動機(4)排斥電動機(repulsionmotor）這種類型如圖4.37所示，僅在激磁繞組F上連接電源，電樞繞組傾斜于激磁方向，在與整流子接觸的碳刷間形成短路。受激磁繞組與電樞繞組的轉(zhuǎn)換作用而產(chǎn)生電動勢，電樞內(nèi)流通電流。因此電流與激磁磁通量的相互作用而得到轉(zhuǎn)矩。如果把此碳刷向反方向傾斜，那么可以逆向旋轉(zhuǎn)。如果把激磁繞組分成與碳刷軸平行的成分和直角成分來思考，那么這個電機就可視作是與圖4.30所示（1）的感應(yīng)補償形串激電機一樣。第二十九頁，共六十八頁，2022年，8月28日交直流兩用電機的分類モータ技術(shù)(5)3相串勵電動機、3相并勵電動機這些電機是將單相串勵電動機和并勵電動機設(shè)計成3相繞組結(jié)構(gòu)，例如3相串激電機是如圖4.38所示的方式接線。圖4.383相串勵電動機第三十頁，共六十八頁，2022年，8月28日單相換向器電機的種類電気工學A：電樞繞組F：激磁繞組C：補償繞組α：碳刷移動角B1：固定碳刷B2：可動碳刷Be：激磁碳刷Ba：動作碳刷

77圖單相換向器電機的種類(a)串勵式(b)補償串勵式(c)感應(yīng)補償串勵式(d)排斥式(e)排斥式(f)補償排斥式(g)并勵式(h)并勵式(i)雙重給電并勵式(j)復勵式第三十一頁，共六十八頁，2022年，8月28日串激電機的結(jié)構(gòu)モータ技術(shù)串激電機的結(jié)構(gòu)如圖4.39概略圖所示，主要部件是定子和轉(zhuǎn)子，各部件的名稱如圖所示。此圖中省略了支撐定子、固定轉(zhuǎn)子軸承的端蓋。串激電機如通常圖4.39所示，是2極結(jié)構(gòu)，在2個激磁繞組中間連接電樞繞組。定子鐵心轉(zhuǎn)子定子繞組整流子定子（激磁）定子繞組軸承軸轉(zhuǎn)子（電樞）電樞繞組電樞鐵心定子鐵心軸承碳刷骨架碳粉碳刷圖4.39串激電機的結(jié)構(gòu)第三十二頁，共六十八頁，2022年，8月28日單相串勵換向器電動機-結(jié)構(gòu)資料２2、結(jié)構(gòu)如果直接把直流用的串勵電動機作為交流用的話，會出現(xiàn)一些問題。交流用的單相串勵換向器電動機，在做成如下的結(jié)構(gòu)后，也擁了很好的性能。（1）因磁氣回路中的磁通量會交變、鐵損會變大，所以激磁上使用層疊鐵心，做成類似感應(yīng)電動機的定子的圓筒狀。（2）因電樞及激磁繞組的電抗下降，功率因素會變得非常低，所以要減少激磁繞組的匝數(shù)、縮小界磁束。為了補償為此而減少的轉(zhuǎn)矩，要增大電樞繞組的匝數(shù)。因此，與相同額定的直流機相比，電樞變大，整流子片的數(shù)量也會變多。第三十三頁，共六十八頁，2022年，8月28日單相串勵換向器電動機-結(jié)構(gòu)資料２（3）如果增加電樞的匝數(shù)，那么電樞的反作用將會變大，所以除了極小輸出的電機外，一般會設(shè)計成在4.7的5處所學補償繞線。（4）由碳刷短路的繞組中，除4.3的4中所學由電抗產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢以外，因主磁通量的交變，還會感應(yīng)出受變壓器作用的電動勢，導致短路電流變大，整流困難。為了改善此問題，采用接觸抵抗相對較大的碳刷。另外，在大型電機上設(shè)立補極、或是在電樞繞組和換向器片之間使用高電阻的導線連接，以限制短路電流。第三十四頁，共六十八頁，2022年，8月28日為何可AC、DC兩用？モータ技術(shù)串激電機的工作原理基本上與直流電機完全相同。但是，直流電機是主激磁由永久磁石作成、有一定的方向，而串激電機是由激磁繞組形成，其方向及強度隨時間的變化而不同。這兩種電機都是基于夫雷銘左手法則、受永久磁石或激磁繞組形成的磁場與電樞繞組中的電流的相互作用，從而得到一定方向的轉(zhuǎn)矩。第三十五頁，共六十八頁，2022年，8月28日為何可AC、DC兩用？モータ技術(shù)此式中，f：根據(jù)夫累銘左手法則的電磁力[N]，D：電樞的直徑[m]，B：激磁磁極的磁密[Wb/m2]，L:導體的有效長（電樞疊厚）[m]，I：導體電流[A]。

在交直流兩用電機上，電樞和激磁的電流方向是隨著電源的頻率而變化的，因為其變化是在電樞和激磁上同時產(chǎn)生的，所以與直流電機的+碳刷和-碳刷端子轉(zhuǎn)換的同時，永久磁石的N極和S極發(fā)生轉(zhuǎn)換是同樣的關(guān)系，電機的旋轉(zhuǎn)方向可保持一定。如此，導體a承受的力矩t與直流電機相同可求得以下公式：

第三十六頁，共六十八頁，2022年，8月28日為何可AC、DC兩用？モータ技術(shù)如果把電樞導體數(shù)作為z，那么電機整體的發(fā)生力矩為在式(4.15)中代入式(4.12)、(4.13)和(4.13)的關(guān)系式后，表示如下把φ當作每1極的磁通量[Wb]，2P當作極數(shù)（P是極對數(shù)），那么另外，把ia當作電樞電流，2a當作電樞的并聯(lián)電路數(shù)時，第三十七頁，共六十八頁，2022年，8月28日為何可AC、DC兩用？モータ技術(shù)式(4.19)中，電機力矩的平均力矩是P/4πa×zφmIm，隨電原頻率的2倍頻率而變化，可以理解為如圖4.40所示的變動力矩。圖4.0電氣的發(fā)生力矩在這里，電樞電流ia是交流，所以另一方面，φ忽略鐵損后，式子可以這樣列。在式(4.16)中代入式(4.17)和(4.18)后，第三十八頁，共六十八頁，2022年，8月28日為何可AC、DC兩用？モータ技術(shù)串激電機是直流交流都可以得到同一方向轉(zhuǎn)矩的交直兩用電機，但在交流使用時，磁場隨電源頻率進行交變，所以為了控制渦流損等的鐵員，如前面所敘述的必須注意要將定子鐵心進行層疊的對策。第三十九頁，共六十八頁，2022年，8月28日換言之，交直流兩用電機也與DC電機一樣，其轉(zhuǎn)速因系統(tǒng)的等效電路即電壓方程式而被規(guī)定。電機的反電動勸勢Er不可能比電源電壓V0大，也就是說Eo≥Er的關(guān)系式成立。另外其發(fā)生力矩與電樞電流ia的平方成比例的關(guān)系下節(jié)敘述。結(jié)論是電機的空載轉(zhuǎn)速可以無限制在上升。也就是說交直流兩用電機（串勵電機）的轉(zhuǎn)速因負載而決定，因此為了防止轉(zhuǎn)速過高，需要下一些工夫，如在電機軸上安裝冷卻風扇以避免高轉(zhuǎn)速時的超速。轉(zhuǎn)速的基本式モータ技術(shù)根據(jù)夫累銘右手法則，磁密B[Wb/m2的磁場中，長L[m]的導體以v[m/s]速度運動時，此導體上所感應(yīng)的電動勢為：如果把電機的轉(zhuǎn)速作為N[rpm]，那么將式（4.21）代入式4.20中，那么第四十頁，共六十八頁，2022年，8月28日交直流兩用電機的性能曲線モータ技術(shù)圖4.41是表示串勵性能，此類性能的電機特點是起動力矩大、空載時轉(zhuǎn)速高。因此，旋轉(zhuǎn)的加速時間短，根據(jù)負載的大小速度發(fā)生變化，所以也被稱為變速電機或是恒定輸出電機。另一方面，并勵電機帶有如圖4.42所示的性能，而且不受負載的變化限制可保持恒定的轉(zhuǎn)速，因此也被稱為恒定轉(zhuǎn)速電機。圖4.41串勵性能圖4.42并勵性能第四十一頁，共六十八頁，2022年，8月28日補償串勵電動機的向量圖電気工學10.1.2向量圖圖78是補償串勵電動機的簡略接線圖，與此相對的向量圖（忽略鐵損）如圖79，此向量圖中主磁通Φ基本上與電流I成比例，所以力矩變?yōu)槭桥cI的平方成比例，即串勵特性輸入功率機械輸出功率力矩或者P：極數(shù)，Z：電樞全導體數(shù)2a：電樞的并聯(lián)電路數(shù)n：旋轉(zhuǎn)速度(rpm)，φ：每極的磁能量（Wb）第四十二頁，共六十八頁，2022年，8月28日補償串勵電動機的向量圖電気工學V：電源電壓，Ev：速度電動勢，Ii：補極電流，I：負載電流，Ir：電阻分路電流，ra：電樞繞組電阻（含碳刷電阻），rc：補償繞組電阻，rf：激磁繞組電阻，ri：補極繞組電阻，ri：含電阻分路的補極繞組電路的等效電阻，xa：電樞繞組漏電抗，xc：補償繞組漏電抗，Xf：激磁繞組電抗，Xi：補極繞組電抗，Xi：含電阻分路的補極繞組電路的等交電抗。Φ：主磁通量，∮：功率因素角79圖補償串勵電動機的向量圖第四十三頁，共六十八頁，2022年，8月28日交直流兩用電機的性能電気工學單相4極，100W、100V、50/60/c/s、2A、600～3000rpm81圖

交直流兩用電機的力矩-速度、電流、效率、輸出性能第四十四頁，共六十八頁，2022年，8月28日交直流兩用電機的性能資料３交直流兩用電機（universalmotor）考慮了以上幾點的交流直流兩用的串勵電動機。這種電動機在家用吸塵器、榨汁機、縫紉機、辦公機器、手槍式電鉆等上被廣泛使用，因為電源的關(guān)系所以交流驅(qū)動的情況比較多。在這種情況下，稱這種電機為單相串勵交流換向器電動機比較妥當。圖3.14是表示175W、8500rpm的交直流兩用電機的速度-力矩性能，變?yōu)楦咚俸?，交流與直流的差基本上消失了。圖3.14交直流兩用電機的速度-力矩性能第四十五頁，共六十八頁，2022年，8月28日交直流兩用電機的性能資料３圖3.15是家用吸塵器用電動機的負載性能。使用交流電源帶換向器的電動機中，除此之外（串激電機以外的交流用電機）數(shù)量還有很多。這些總稱之為交流換向器電動機，常用的種類有：交流整流子電動機單相三相單相串勵交流整流子電動機單相排斥交流整流子電動機三相并激整流式電動機三相串勵交流整流子電動機圖3.15電氣吸塵器用電動機性能第四十六頁，共六十八頁，2022年，8月28日附錄第四十七頁，共六十八頁，2022年，8月28日附錄換向現(xiàn)象第四十八頁，共六十八頁，2022年，8月28日換向現(xiàn)象モータ技術(shù)4.3.3換向現(xiàn)象直流機上換向作用的必要性及其概略功能已在前節(jié)敘述，原理性的換向作用暫且不論，講得偏激點，換向現(xiàn)象的技術(shù)問題點就是[碳刷的火花與壽命問題]。使用機械碳刷與換向器的DC電機上，各繞組與換向器片相連接，隨著轉(zhuǎn)子的運轉(zhuǎn)而通過碳刷短路，因為會斷開（ON-OFF)，所以必然會產(chǎn)生火花。設(shè)計者會盡可能地將被換向繞組的感應(yīng)電壓做低，但要將磁通量的變化做成0卻是非常困難，而且還會涉及成本問題。第四十九頁，共六十八頁，2022年，8月28日換向現(xiàn)象モータ技術(shù)于是，小型電機不能設(shè)計補極，最后得出在被換向的繞組上不得不發(fā)生某種程度感應(yīng)電壓這樣的結(jié)論。除此之外，換向時的電流方向反轉(zhuǎn)及短路斷開動作，所以會因繞組漏電感而產(chǎn)生感應(yīng)電壓、（e=Ldi/dt)電壓。被換向的繞組上，產(chǎn)生了轉(zhuǎn)動引起的感應(yīng)電壓和繞組漏磁通引起的（Ldi/dt）這2件感應(yīng)電壓。此電壓被碳刷短路，斷開時產(chǎn)生火花，此電磁能量（Li2/2及i2t）被作為碳刷中的電阻損（i2R）及火花能量而消耗。但是，此火花的產(chǎn)生不僅會因為換向器表面的粗化或碳刷酸化引起碳刷壽命的縮短，同時還會引發(fā)電波干擾等有害現(xiàn)象。因此，出現(xiàn)這樣一種設(shè)計思想：中至大容量機上應(yīng)盡量控制換向火花，提高碳刷的電阻，將換向時的電磁能量在碳刷中消耗，這種做法叫做[電阻換向]。第五十頁，共六十八頁，2022年，8月28日換向現(xiàn)象モータ技術(shù)但是，R=Rc+Rb，Rc是繞組的電阻，Rb是繞子與換向片連接的接觸電阻，T是換向周期、碳刷寬度除以換向圓周速度的值，t是時間，ec是表示受換向作用產(chǎn)生的電動勢[換向電動勢]。為理解關(guān)于換向的概念，圖4.28中顯示了最簡單的換向模式。碳刷厚度與換向片相同，換向片間的絕緣物厚度忽略。碳刷全面接觸，其接觸電阻Rb設(shè)為一定，根據(jù)導體上的漏磁通，如果把電感作為L，那么換向時的電路的電壓方程式可表示如下（4.11式）。圖4.28換向現(xiàn)象的說明圖第五十一頁，共六十八頁，2022年，8月28日換向現(xiàn)象モータ技術(shù)思考一下構(gòu)成電構(gòu)繞組的各繞組，在運轉(zhuǎn)中繞組穿過碳刷下面時電流方向反轉(zhuǎn)。繞組穿過碳刷下面的時間為毫秒，所以如果繞組中有電感就會發(fā)生電壓，因為此電壓、換向器換向片與碳刷的接觸斷開時會產(chǎn)生火花。由碳刷短路時的繞組電流變化非常復雜，為了簡單地理解這種現(xiàn)象，從以前開始一般多用如圖4.29所示的[假想換向曲線]進行說明。以下對圖紙的各曲線進行簡單說明：（a）直線換向（linearCommutation）：碳刷面的電流分布是恒定的。（b）最合適換向（OpitimumCommutation）：換向末端上的曲線傾斜為0是最理想的換向。（c）過換向（OverCommutation）：換向過早結(jié)束，電流集中在碳刷的入口部，換向效果不理想。（d）正弦波換向（SinusoidafCommutation）：難產(chǎn)生火花，理想換向的一種。（e）（f）不完全換向（UnderCommutation）：電流集中在碳刷的出口，產(chǎn)生火花，所以效果不理想。以上是對一般直流機的換向現(xiàn)象進行了一個定性地說明。第五十二頁，共六十八頁，2022年，8月28日單相換向器機換向作用與改善電気工學

10.1.4換向作用與其改善方法進行換向作用的電樞繞組上透導出因換向產(chǎn)生的電抗電壓er和因與速度無關(guān)的主磁通交變而產(chǎn)生的變壓器電壓et，這2種電壓的合計值ef作為火花電壓成為發(fā)生火花的原因。為了起到良好的換向作用，把ef和180°相位的不同電壓誘導于換向繞組中，如圖78所示在補極中插入支路電阻，讓其流通適當相位的補極電流Ii是一種比較廣泛的方法，其關(guān)系可如圖82所示。82圖

補極中插入了支路電阻時的換向向量圖Ei：補極繞組端子間的電壓Ir：支路電阻電流第五十三頁，共六十八頁，2022年，8月28日單相換向器機換向作用與改善電気工學但是，此方法在某恒定的速度下并不能消除火花電壓。變壓器電壓et與速度無關(guān)系，所以恒定支路電阻值并不能在整個速度范圍內(nèi)保持良好的狀態(tài)，實際情況是對支路電阻值進行些許調(diào)整，控制殘余火花電壓在不影響換向的范圍內(nèi)。除此之外，為防止支路電阻的功率損失，并聯(lián)接入電容，為了讓補極電流中也流通諧波電流、有時也會在電阻上串聯(lián)上電抗器。為了發(fā)揮更好的換向作用，如圖83所示也可使用分割碳刷，除此之外，在電樞槽數(shù)的選擇、繞組節(jié)距、槽內(nèi)導體數(shù)及其排列方式等方面也需要考慮到改善換向作用這一問題。（a）雙子式2分割（b）雙頭式2分割（c）三連式3分割（d）3分割（槽楔式）（f）3分割（倒Ω形））圖83分割碳刷第五十四頁，共六十八頁，2022年，8月28日附錄電機設(shè)計第五十五頁，共六十八頁，2022年，8月28日設(shè)計－第1步モータ技術(shù)使用圖形CAD功能，如實畫出鐵心的形狀圖，接著是將槽內(nèi)的繞組作為1匝繞組畫圖（也要決定導體的電流方向）。在此設(shè)定各部的物質(zhì)常數(shù)（鐵、銅、空氣）。為了進行FEM有限元法解析，用鼠標操作設(shè)定好接點間隔以及概略元素數(shù)以形成多個網(wǎng)狀。之后在畫面上描出網(wǎng)狀圖，網(wǎng)格圖的優(yōu)劣點在于：所有的元素要有以下4點：①接近正三角形，②各元素內(nèi)的磁氣能量要盡量均一，③氣隙部的網(wǎng)格要清楚地切斷，④盡量不要形成過多的元素數(shù)（5000～15000左右）。顯示其結(jié)果后再確認，即可如圖9.2所示。第五十六頁，共六十八頁，2022年，8月28日設(shè)計－第1步モータ技術(shù)接著設(shè)定槽內(nèi)導體的流通電流值（電流密度），計算后的磁通量分布圖結(jié)果如圖9.3。此圖面中鐵心各部的磁密可以用顏色區(qū)分表示，也可作為等磁密線圖以數(shù)值來表示。從此圖中，哪部分飽和了可一目了然。圖9.3輕負載時的磁通量分布解析例圖9.2感應(yīng)電機的2次元網(wǎng)狀圖例第五十七頁，共六十八頁，2022年，8月28日設(shè)計－第2步モータ技術(shù)作為電氣設(shè)計問題這點是最讓人操心的。第二步就是漏磁分布的計算和漏電抗（電路常數(shù)）的推算及繞組系數(shù)、電壓方程式、諧波磁通成分的推算，把導體內(nèi)交流電流造成的表皮效應(yīng)作為頻率的函數(shù)來表現(xiàn)等的高級計算。對任意形狀的境界條件都能進行計算，此情況下，使用Maxwell的基本方程式和機械系統(tǒng)的運動方程式（D），可以解釋所有電機的電磁場問題及旋轉(zhuǎn)運動時的問題。慣性力矩角加速度負載力矩摩擦力矩角速度FEM解析得出的電磁力矩第五十八頁，共六十八頁，2022年，8月28日設(shè)計－第2步モータ技術(shù)圖9.5氣隙附近的擴大圖對象電機的各部磁通分布狀態(tài)、及其結(jié)果所產(chǎn)生的力矩、作為機