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1、90-550W单相串励电动机电磁设计摘要本文介绍了单相串励电机的一些基本情况及其设计方法和优化方案。文章首先从异步电机的基本理论及工作特性着手，简单介绍了特种电机的发展近况、基本特性、分类、结构、用途、技术指标、工作原理及运行特性等，为电机设计的做好必要的理论准备。并着重阐述了单相串励电机的设计计算过程及其优化依据和方案，并通过优化设计的结果和理论分析提出了今后研究的方向。关键词:单相串励电动机；设计；电磁路参数；工作性能；优化方案 90-550W Single-phase series-excited motor electromagnetic design 31AbstractAbstra
2、ct In this paper, Single-phase series-excited motor design method and optimum proposal. First of all, from the basic theory of Asynchronous motor characteristics and the work to proceed, briefly introduced the latest development of the Asynchronous motor, the basic characteristics, type, structure,
3、purpose, technical indicators, the working principle and operation characteristics, designed for the motor to make the necessary preparations for the theory. It put forward the end of the optimized design, and gives the theoretical analysis which is about the direction of research.Keyword: Single-ph
4、ase series-excited motor; design; electromagnetic parameters; performance; optimization program前 言电动机是作为使用电能的动力源进步和发展起来的，在今天，电动机技术仍然是支撑人们日常生活的关键技术。电动技术机械设备的关键组成部分。单相串励电动机属于单相感应异步电动机，感应电动机是基于气隙旋转磁场与转子绕组中感应电流相互作用产生电磁转矩，从而实现能量转换的一种交流电动机。由于转子绕组电流是感应产生的，因此称为感应电动机。感应电动机与其它电动机相比，具有结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠及重量轻成
5、本低等优点。此外感应电动机还还便于派生各防护型式以使用不同环境条件的需要，也有较高的效率和较好的工作特性。由于感应电动机具有上述许多优点，它是电动机领域中应用最广泛的一种电动机。自十九世纪八十年代发明旋转电机以来，随着技术、材料的不断进步与发展，电机的性能得到逐步的提高，呈现出大容量和小型化趋势。为配合电动工具、家用电器的发展需求，单相串励电动机应运而生，其特点是交直流两用，转速高、转速随着负载变化而变化、启动转矩大及调速方便等。用于家用电器的有吸尘器、电吹风、食物搅拌器、果汁机、洗碗机、洗衣机、电动缝纫机等。而电动工具上则有剪枝机、手电钻、电刨、电动锯、电动螺丝刀、打磨机、抛光机、打蜡机、电
6、动扳手、除草机、清洗机，喷漆机、草坪机、吹树叶机等。第1章 概 述1.1 选题的意义一、 选题的依据和意义 自十九世纪八十年代发明旋转电机以来，随着技术、材料的不断进步与发展，电机的性能得到逐步的提高，呈现出大容量和小型化趋势。为配合电动工具、家用电器的发展需求，单相串励电动机应运而生，其特点是交直流两用，转速高、转速随着负载变化而变化、启动转矩大及调速方便等。用于家用电器的有吸尘器、电吹风、食物搅拌器、果汁机、洗碗机、洗衣机、电动缝纫机等。而电动工具上则有剪枝机、手电钻、电刨、电动锯、电动螺丝刀、打磨机、抛光机、打蜡机、电动扳手、除草机、清洗机，喷漆机、草坪机、吹树叶机等。因此，其使用面非常
7、的普及。二十世纪六十年代，随着电动工具、家用电器和装饰行业的迅猛发展，对单相串励电动机的研究渐趋活跃。这种电机应用十分广泛，主要在于它具备以下一些优点：(1)使用方便 这种电机虽然跟串励式直流电机的结构一样，但是它能在交流电源下使用。改变输入电压的大小，可以改变转速，所以调速也很方便。(2)转速高，体积小，重量轻 其它的交流电机的转速，都与电源的频率有关，当电源的频率为60Hz时，转速不可能超过3600rad/min，但是单相串励电动机的转速却不受电源频率的限制，它的转速一般可以设计在300030000rad/min之闯。电机的转速越高，电机中铁磁材料的用量越小，因此电机的体积重量相应减少。(
8、3)软的机械特性 单相串励电动机具有软的机槭特性，转速随着负载的改变而改变。负载越大转速越低。它的电磁转矩几乎与电流的平方成正比，再加上串励电动机的软的机械特性，使其特别适用于电气牵引和卷扬机械。因为这类机械需要经常启动，并且还有可能过载。当负载增大时，串励电动机的转速将急剧降低，以便保证安全：当负载减小时，串励电动机的转速将迅速上升，以便提高生产效率。由于机械功率等于转矩和转速的乘积，因此，当负载转矩变大时，电动机的输出功率和由电网提供给电动机的电功率也可以保持在比较稳定的数值，两不致有很大的波动。（4)启动力矩大，过载能力强 单相串励电动机的启动力矩很大，12000rad/min电动机的启
9、动转矩高达额定转矩的46倍。而其它的单相交流电动机大多为1倍以下。所以比较实用于电动工具，不容易被卡住，有较大的过载能力。 诸如以上优点单相串励电动机的前景广阔。1.2单相串励电动机的发展近况与发展趋势 二十世纪六十年代，随着电动工具、家用电器和装饰行业的迅猛发展，对单相串励电动机的研究渐趋活跃。近年来，由于市场需求量大，对单相串励电动机的研究更加深入，在制造工艺上也有长足发展。但是，单相串励电动机也有很多的缺点，现在的最主要发展方向是尽可能抑制其缺点。单相串励电动机主要存在以下缺点：（1）高速运转的单相串励电动机又容易产生谐波，这使电网的谐波污染状况日益严重，降低了系统的电能质量。目前谐波与
10、电磁干扰、功率因数降低已并列为电力系统的三大公害。因而了解谐波产生的机理，研究消除电力系统中谐波的方法，对改善供电质量和确保电力系统安全经济运行有着非常重要的意义。谐波研究的意义，更可以上升到从治理环境污染、维护绿色环境的角度来认识。对电力系统这个环境来说，无谐波就是“绿色”的主要标志之一。（2）单相串励电动机在交流电源下工作，其换向情况复杂，加上该类型电机一般在高速下工作其转速可达30000r/min，由此产生的换向火花(振动和异常噪声也更为严重。单相串励电动机的噪声和其他类型电动机大致相同，主要分为机械噪声和动力噪声以及磁噪声。 （3）由于单相串励磁电动机需要换向器装置，因此，其寿命存在一
11、些问题。由于单线串励电动机存在比较多的缺点，现在对单相电动机的研究主要倾向于解决单相电动机的这些缺点。1.3单相串励电动机设计要求电机设计包括电磁设计和结构设计两个设计内容，习惯上所指的电机设计往往是指电磁设计。本次设计内容也主要是电磁设计，单相串励电动机由于转速高、机械特性软、换向条件严酷以及功率比较小等特点，因此，在电磁设计中有其特点和要求：其一，额定工作点，也就是保证转速、力矩为额定值。因此在电磁设计中往往提高额定点的设计转速510，以保证电机输出功率不低于额定功率；其二，控制换向火花，对于换向条件严酷的单相串励电机控制影响换向火花的电磁因素尤为重要。至于其他性能指标，一般电机设计的一些
12、基本要求对单相串励电机也是适用的，但由于单相串励电机自身的特点，往往对有些性能指标不作考核，有的指标则允许有较大的偏差。如单相串励电动机的启动转矩、最大转矩、功率因数(一般高达0.9左右)都比一般交流异步电机高得多，所以不作严格要求。但值得注意的是，功率因数和效率在设计中仍需要严格核算。1.4电机设计分析的方法当前，用于永磁同步电机电磁性能分析的方法主要有等效磁路法、电磁场数值计算法以及场路结合法，其中电磁场数值计算法中用得最多的是有限元法。l、等效磁路法等效磁路法是研究电机性能的传统方法，将空间实际存在的不均匀分布的磁场转化成等效的多段磁路，并近似认为在每段磁路中磁通沿截面和长度均匀分布，将
13、磁场的计算转化为磁路的计算，然后用各种系数来进行修正，使各段磁路的磁位差等于磁场中对应点之间的磁位差。这种处理方法，可以大大减少计算所需的时间，在方案估算、初始方案设计和类似结构的方案比较时更为实用。但由于永磁同步电机磁场分布复杂，仅依靠等效磁路模型难以描述永磁同步电机磁场的真实情况，使得一些关键系数如极弧系数、漏磁系数等无法由磁路法直接推导得出，而只能借助于经验数据或曲线。又由丁永磁同步电机是一种较为新型的电机，设计经验的积累还不够丰富，经验数据或曲线通用性差，该种电机磁路结构多种多样，且继续有所创新。这样按照经验修正参数必然会影响计算结果的准确性，要得到高精度的结果必须采用其它的分析方法。
14、2、电磁场数值计算法电磁场数值计算方法包括有限差分法、有限元法、积分方程法和边界元法等四种基本类型，以及近年来发展产生的有限元法和边界元法相结合的混合法。其中，最有效的是有限元法。有限元法具有单元剖分灵活和算法统一、通用的优点，且特别适合在电子计算机上运算，近年来在工程中得到了广泛的应用。有限元法最主要的特点是根据该方法编制的软件系统对丁各种各样的电磁计算问题具有较强的通用性，通过前处理过程能有效地形成方程并进行求解。它能较好地处理非线性问题，处理第二类边界条件和内部媒质交界条件非常方便。它所形成的代数方程具有系数矩阵对称、正定、稀疏等特点，所以求解容易，收敛性好。但利用有限元法进行电磁场数值
15、分析时，所占用的计算机资源较多，计算时间较长。总之，工程设计和科学研究对电磁计算精确度要求的不断提高，促进了有限元法的发展及其在电机设计方面的广泛应用，而计算机资源的不断开发义为有限元法电磁计算的发展创造了必不可少的条件。3、场路结合分析法场路结合分析法是指磁场和磁路相结合的分析方法。传统的磁路法虽然计算速度快，但精度不高；而以有限元法为代表的电磁场数值计算法虽然较为准确，但对计算机资源要求较高且计算时间较长。因此，利用电磁场数值计算求出磁路法计算中不易准确计算的一些参数，如空载漏磁系数、计算极弧系数、气隙磁密波形系数等，再将这些参数结合到磁路计算中去，可以提高计算结果的准确性。综上所述，场路
16、结合法是一种较为理想的电机性能分析方法，如果能将之应用到电机的性能分析中，在计算精度满足工程设计的要求下将使计算速度大大快于有限元法，对电机设计具有很大的实用价值。冈此，本文采j用场路结合的方法对永磁同步电机进行设计分析，完成以等效磁路解析求解为主，用有限元法计算得出的各种系数进行修正的永磁同步电机计算机辅助设计分析软什。本文使用等效磁路法进行设计分析。第二章 单相串励电动机的基本理论2.1 单相串励电动机的工作原理单相串励电动机与直流串励电动机的工作原理基本相同。单相串励电动机的电枢绕组通过换向器、电刷与定子绕组串联起来接到单相正弦交流电上。如图2.1所示。 图2-1 串励电动机的工作原理图2-1（a） 当电流为正半周时，电流从左端流入，主磁通方向从右向左，依据左手定则，转子为逆时针方向
