【正文】 與換向器的接觸電壓降、機(jī)械損耗及電刷的導(dǎo)熱性有關(guān)，圓周速度過高容易引起發(fā)熱、加大電火花，在選擇電刷時(shí)，還應(yīng)考慮電刷的硬度和磨損性能等因素。電刷必須與換向器間滑動(dòng)接觸，當(dāng)電刷存在較大的磨損和機(jī)械振動(dòng)，或配合不當(dāng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的火花為了保證電機(jī)的正常運(yùn)行，必須正確的選擇電刷。換向器的結(jié)構(gòu)如圖24所示 圖24 換向器結(jié)構(gòu)圖 圖25為單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖 圖25 單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及電刷結(jié)構(gòu) 電刷是單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的重要附件，它負(fù)責(zé)電樞繞組與外電路相連接，同時(shí)與換向器配合，負(fù)責(zé)電樞繞組的換向。換向器固定在轉(zhuǎn)軸上，并與轉(zhuǎn)軸相互絕緣。 換向器由許多圍抱在圓形絕緣筒上而形成，各換向片間用云母片絕緣。電樞繞組由若干線圈組成，在單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)中，線圈又稱為原件，線圈首尾端與換向器上的換向片相焊接。2電樞部分電樞又稱轉(zhuǎn)子是串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分，電樞由鐵芯、電機(jī)轉(zhuǎn)軸、電樞繞組、換向器和電機(jī)轉(zhuǎn)軸上固定的冷卻風(fēng)扇組成。如圖22所示 圖22串勵(lì)電動(dòng)機(jī)定子幾百瓦以上的串勵(lì)電動(dòng)機(jī)還裝有換向繞組和補(bǔ)償繞組。 1定子部分 定子由定子鐵芯和勵(lì)磁繞組構(gòu)成。以上原理試用于直流、交流、交直流兩用型的串勵(lì)電動(dòng)機(jī)，三者只是相同原理下的不同參數(shù)設(shè)計(jì)而已。 圖21 串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的工作原理圖21（a） 當(dāng)電流為正半周時(shí)，電流從左端流入，主磁通方向從右向左，依據(jù)左手定則，轉(zhuǎn)子為逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。第二章 單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的基本理論 單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的工作原理單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)與直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的工作原理基本相同。岡此，本文采j用場(chǎng)路結(jié)合的方法對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，完成以等效磁路解析求解為主，用有限元法計(jì)算得出的各種系數(shù)進(jìn)行修正的永磁同步電機(jī)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)分析軟什。因此，利用電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算求出磁路法計(jì)算中不易準(zhǔn)確計(jì)算的一些參數(shù)，如空載漏磁系數(shù)、計(jì)算極弧系數(shù)、氣隙磁密波形系數(shù)等，再將這些參數(shù)結(jié)合到磁路計(jì)算中去，可以提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。場(chǎng)路結(jié)合分析法場(chǎng)路結(jié)合分析法是指磁場(chǎng)和磁路相結(jié)合的分析方法。但利用有限元法進(jìn)行電磁場(chǎng)數(shù)值分析時(shí)，所占用的計(jì)算機(jī)資源較多，計(jì)算時(shí)間較長。它能較好地處理非線性問題，處理第二類邊界條件和內(nèi)部媒質(zhì)交界條件非常方便。有限元法具有單元剖分靈活和算法統(tǒng)一、通用的優(yōu)點(diǎn)，且特別適合在電子計(jì)算機(jī)上運(yùn)算，近年來在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算法電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法包括有限差分法、有限元法、積分方程法和邊界元法等四種基本類型，以及近年來發(fā)展產(chǎn)生的有限元法和邊界元法相結(jié)合的混合法。又由丁永磁同步電機(jī)是一種較為新型的電機(jī)，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的積累還不夠豐富，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或曲線通用性差，該種電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)多種多樣，且繼續(xù)有所創(chuàng)新。這種處理方法，可以大大減少計(jì)算所需的時(shí)間，在方案估算、初始方案設(shè)計(jì)和類似結(jié)構(gòu)的方案比較時(shí)更為實(shí)用。當(dāng)前，用于永磁同步電機(jī)電磁性能分析的方法主要有等效磁路法、電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算法以及場(chǎng)路結(jié)合法，其中電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算法中用得最多的是有限元法。如單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩、功率因數(shù)()都比一般交流異步電機(jī)高得多，所以不作嚴(yán)格要求。因此在電磁設(shè)計(jì)中往往提高額定點(diǎn)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速5％～10％，以保證電機(jī)輸出功率不低于額定功率；其二，控制換向火花，對(duì)于換向條件嚴(yán)酷的單相串勵(lì)電機(jī)控制影響換向火花的電磁因素尤為重要。電機(jī)設(shè)計(jì)包括電磁設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)設(shè)計(jì)內(nèi)容，習(xí)慣上所指的電機(jī)設(shè)計(jì)往往是指電磁設(shè)計(jì)。 （3）由于單相串勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)需要換向器裝置，因此，其壽命存在一些問題。（2）單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)在交流電源下工作，其換向情況復(fù)雜，加上該類型電機(jī)一般在高速下工作其轉(zhuǎn)速可達(dá)30000r/min，由此產(chǎn)生的換向火花(振動(dòng)和異常噪聲也更為嚴(yán)重。諧波研究的意義，更可以上升到從治理環(huán)境污染、維護(hù)綠色環(huán)境的角度來認(rèn)識(shí)。目前諧波與電磁干擾、功率因數(shù)降低已并列為電力系統(tǒng)的三大公害。但是，單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)也有很多的缺點(diǎn)，現(xiàn)在的最主要發(fā)展方向是盡可能抑制其缺點(diǎn)。 二十世紀(jì)六十年代，隨著電動(dòng)工具、家用電器和裝飾行業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的研究漸趨活躍。所以比較實(shí)用于電動(dòng)工具，不容易被卡住，有較大的過載能力。（4)啟動(dòng)力矩大，過載能力強(qiáng) 單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)力矩很大，12000rad/min電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩高達(dá)額定轉(zhuǎn)矩的4～6倍。當(dāng)負(fù)載增大時(shí)，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速將急劇降低，以便保證安全：當(dāng)負(fù)載減小時(shí)，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速將迅速上升，以便提高生產(chǎn)效率。它的電磁轉(zhuǎn)矩幾乎與電流的平方成正比，再加上串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的軟的機(jī)械特性，使其特別適用于電氣牽引和卷揚(yáng)機(jī)械。(3)軟的機(jī)械特性 單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)具有軟的機(jī)槭特性，轉(zhuǎn)速隨著負(fù)載的改變而改變。(2)轉(zhuǎn)速高，體積小，重量輕 其它的交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，都與電源的頻率有關(guān)，當(dāng)電源的頻率為60Hz時(shí)，轉(zhuǎn)速不可能超過3600rad/min，但是單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速卻不受電源頻率的限制，它的轉(zhuǎn)速一般可以設(shè)計(jì)在3000~30000rad/min之闖。這種電機(jī)應(yīng)用十分廣泛，主要在于它具備以下一些優(yōu)點(diǎn)：(1)使用方便 這種電機(jī)雖然跟串勵(lì)式直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)一樣，但是它能在交流電源下使用。因此，其使用面非常的普及。用于家用電器的有吸塵器、電吹風(fēng)、食物攪拌器、果汁機(jī)、洗碗機(jī)、洗衣機(jī)、電動(dòng)縫紉機(jī)等。單相串勵(lì)異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第1章 概 述 選題的意義一、 選題的依據(jù)和意義　 自十九世紀(jì)八十年代發(fā)明旋轉(zhuǎn)電機(jī)以來，隨著技術(shù)、材料的不斷進(jìn)步與發(fā)展，電機(jī)的性能得到逐步的提高，呈現(xiàn)出大容量和小型化趨勢(shì)。為配合電動(dòng)工具、家用電器的發(fā)展需求，單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，其特點(diǎn)是交直流兩用，轉(zhuǎn)速高、轉(zhuǎn)速隨著負(fù)載變化而變化、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大及調(diào)速方便等。而電動(dòng)工具上則有剪枝機(jī)、手電鉆、電刨、電動(dòng)鋸、電動(dòng)螺絲刀、打磨機(jī)、拋光機(jī)、打蠟機(jī)、電動(dòng)扳手、除草機(jī)、清洗機(jī)，噴漆機(jī)、草坪機(jī)、吹樹葉機(jī)等。二十世紀(jì)六十年代，隨著電動(dòng)工具、家用電器和裝飾行業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的研究漸趨活躍。改變輸入電壓的大小，可以改變轉(zhuǎn)速，所以調(diào)速也很方便。電機(jī)的轉(zhuǎn)速越高，電機(jī)中鐵磁材料的用量越小，因此電機(jī)的體積重量相應(yīng)減少。負(fù)載越大轉(zhuǎn)速越低。因?yàn)檫@類機(jī)械需要經(jīng)常啟動(dòng)，并且還有可能過載。由于機(jī)械功率等于轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的乘積，因此，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變大時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出功率和由電網(wǎng)提供給電動(dòng)機(jī)的電功率也可以保持在比較穩(wěn)定的數(shù)值，兩不致有很大的波動(dòng)。而其它的單相交流電動(dòng)機(jī)大多為1倍以下。 諸如以上優(yōu)點(diǎn)單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的前景廣闊。近年來，由于市場(chǎng)需求量大，對(duì)單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的研究更加深入，在制造工藝上也有長足發(fā)展。單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)主要存在以下缺點(diǎn)：（1）高速運(yùn)轉(zhuǎn)的單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)又容易產(chǎn)生諧波，這使電網(wǎng)的諧波污染狀況日益嚴(yán)重，降低了系統(tǒng)的電能質(zhì)量。因而了解諧波產(chǎn)生的機(jī)理，研究消除電力系統(tǒng)中諧波的方法，對(duì)改善供電質(zhì)量和確保電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著非常重要的意義。對(duì)電力系統(tǒng)這個(gè)環(huán)境來說，無諧波就是“綠色”的主要標(biāo)志之一。單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的噪聲和其他類型電動(dòng)機(jī)大致相同，主要分為機(jī)械噪聲和動(dòng)力噪聲以及磁噪聲。由于單線串勵(lì)電動(dòng)機(jī)存在比較多的缺點(diǎn)，現(xiàn)在對(duì)單相電動(dòng)機(jī)的研究主要傾向于解決單相電動(dòng)機(jī)的這些缺點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)內(nèi)容也主要是電磁設(shè)計(jì)，單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)由于轉(zhuǎn)速高、機(jī)械特性軟、換向條件嚴(yán)酷以及功率比較小等特點(diǎn)，因此，在電磁設(shè)計(jì)中有其特點(diǎn)和要求：其一，額定工作點(diǎn)，也就是保證轉(zhuǎn)速、力矩為額定值。至于其他性能指標(biāo)，一般電機(jī)設(shè)計(jì)的一些基本要求對(duì)單相串勵(lì)電機(jī)也是適用的，但由于單相串勵(lì)電機(jī)自身的特點(diǎn)，往往對(duì)有些性能指標(biāo)不作考核，有的指標(biāo)則允許有較大的偏差。但值得注意的是，功率因數(shù)和效率在設(shè)計(jì)中仍需要嚴(yán)格核算。l、等效磁路法等效磁路法是研究電機(jī)性能的傳統(tǒng)方法，將空間實(shí)際存在的不均勻分布的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化成等效的多段磁路，并近似認(rèn)為在每段磁路中磁通沿截面和長度均勻分布，將磁場(chǎng)的計(jì)算轉(zhuǎn)化為磁路的計(jì)算，然后用各種系數(shù)來進(jìn)行修正，使各段磁路的磁位差等于磁場(chǎng)中對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的磁位差。但由于永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)分布復(fù)雜，僅依靠等效磁路模型難以描述永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)的真實(shí)情況，使得一些關(guān)鍵系數(shù)如極弧系數(shù)、漏磁系數(shù)等無法由磁路法直接推導(dǎo)得出，而只能借助于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或曲線。這樣按照經(jīng)驗(yàn)修正參數(shù)必然會(huì)影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，要得到高精度的結(jié)果必須采用其它的分析方法。其中，最有效的是有限元法。有限元法最主要的特點(diǎn)是根據(jù)該方法編制的軟件系統(tǒng)對(duì)丁各種各樣的電磁計(jì)算問題具有較強(qiáng)的通用性，通過前處理過程能有效地形成方程并進(jìn)行求解。它所形成的代數(shù)方程具有系數(shù)矩陣對(duì)稱、正定、稀疏等特點(diǎn)，所以求解容易，收斂性好?？傊こ淘O(shè)計(jì)和科學(xué)研究對(duì)電磁計(jì)算精確度要求的不斷提高，促進(jìn)了有限元法的發(fā)展及其在電機(jī)設(shè)計(jì)方面的廣泛應(yīng)用，而計(jì)算機(jī)資源的不斷開發(fā)義為有限元法電磁計(jì)算的發(fā)展創(chuàng)造了必不可少的條件。傳統(tǒng)的磁路法雖然計(jì)算速度快，但精度不高；而以有限元法為代表的電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算法雖然較為準(zhǔn)確，但對(duì)計(jì)算機(jī)資源要求較高且計(jì)算時(shí)間較長。綜上所述，場(chǎng)路結(jié)合法是一種較為理想的電機(jī)性能分析方法，如果能將之應(yīng)用到電機(jī)的性能分析中，在計(jì)算精度滿足工程設(shè)計(jì)的要求下將使計(jì)算速度大大快于有限元法，對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)具有很大的實(shí)用價(jià)值。本文使用等效磁路法進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的電樞繞組通過換向器、電刷與定子繞組串聯(lián)起來接到單相正弦交流電上。圖21（b）當(dāng)電流為負(fù)半周時(shí)，電流從右端流入，主磁通方向從左向右，依據(jù)左手定則，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向不變，仍沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)工作時(shí)轉(zhuǎn)速為400010000r/min. 單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)主要由定子、電樞、換向器、電刷組成。勵(lì)磁繞組由絕緣銅線繞制成集中繞組嵌入定子鐵芯。一般來說，單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)功率小于200w時(shí)制成兩級(jí)，200W以上制成4級(jí)。電樞鐵芯沖片為半閉口槽，內(nèi)嵌電樞繞組。單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的電樞構(gòu)成如圖23所示 圖23 串勵(lì)電動(dòng)機(jī)電樞結(jié)構(gòu)圖電樞鐵芯槽一般制成與轉(zhuǎn)軸相平行，有時(shí)為了減弱電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的噪音，而將鐵芯疊壓成斜槽式。換向片為銅質(zhì)，加工成楔形片，在各換向片的下部兩端均有V形槽，通過注塑的方法使換向片結(jié)合成整體。這樣的機(jī)械結(jié)構(gòu)，可以使電機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，承受離心力而不變形。單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的電刷安裝在電刷刷握中，并固定在電刷架上。電刷的選擇要根據(jù)溫升、換向器圓周速度而定。 單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的基本特性借助各個(gè)電壓相量組成的向量圖。由于外加電壓u是一個(gè)給定的值，因此，可以用電勢(shì)平衡儀程式來校驗(yàn)計(jì)算是否成立。這也是本次電磁設(shè)計(jì)程序把△U1％作為一個(gè)重要檢驗(yàn)指標(biāo)的原因所在。 單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)電壓向量圖31第三章 單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)分析的主要問題 單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)分析軟件本設(shè)計(jì)采用等效磁路計(jì)算法設(shè)計(jì)電機(jī)，電機(jī)磁路的計(jì)算采用matlab編程。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。采用matlab編程可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)磁路的自動(dòng)化計(jì)算，而且利用matlab里面自帶的插值函數(shù)可以自動(dòng)插值查表，這就省去了人工查表和手動(dòng)計(jì)算的麻煩。 單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的基本思路與其他電機(jī)設(shè)計(jì)方法一樣，單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)師思路有以下幾個(gè)步驟：（1） 首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和已經(jīng)生產(chǎn)出來的單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)大概估計(jì)電機(jī)的電磁負(fù)荷的大小，從而由單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的主要尺寸關(guān)系（式3—1）確定電機(jī)的主要尺寸。（2） 為了最大限度利用硅鋼片，增強(qiáng)模具的通用性，節(jié)省原材料和降低成本，定子沖片外徑不應(yīng)任意確定，而是根據(jù)額定數(shù)據(jù)選取標(biāo)準(zhǔn)的定轉(zhuǎn)子沖片。這樣就確定了電機(jī)的主要尺寸比的大小。由磁負(fù)荷的大小可知每極磁通的大小，感應(yīng)電勢(shì)E的