换向器电机的特性
EV技研
公众号EV技研作者1900 2019-7-24原创 电动汽车

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将直流永磁电机和单相换向器电机分别放入直、 交流电源下进行说明。观察电机性能在直流电源与交 流电源下的不同。


 交流电机的参数

交流电路的输入功率与输出功率

 首先考虑交流驱动电机的输入功率和输出功率。电机是依靠电流流入线圈进行工作的装置。在交 流电下工作时,电流与电压存在相位差。除由此产生 的必要(有功)功率外,还会产生无功功率(图1)。无功功率会造成电机中有多余电流流通,但此多 余电流对于电源是必不可少的。

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图1—有功功率和无功功率

 有功功率、无功功率、视在功率和功率因数

 功率因数的计算公式为 功率因数 = (有功功率 / 视在功率) × 100% 此处,视在功率的计算公式为 视在功率 = (有功功率 2 + 无功功率 2)1/2 直流的功率因数为 100%。


 效率与损耗

 接下来将对有功功率与输出功率的关系进行说明。有功功率减去损耗所得即为电机实际输出功率。

输出功率 = 输入功率 - 损耗输出功率与有功功率之比为效率,

计算公式为 

效率 = (输出功率 / 有功功率) × 100% 

电机损耗

 考察电机自身的损耗。由图 2 可知,

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图2—电机损耗

损耗可分为 以下三种:·由线圈电阻与电流产生的铜损 ·由绕组励磁产生的铁损 ·由转子、空气和轴承部分的机械性摩擦产生的  机械损耗 在这些损耗中,铁损又可分为滞磁损耗和涡流损 耗等。励磁磁极内的磁场在直流电源下是不会变动的直 流磁场,这种情况不会产生铁损。即使与交流电源电 机中的转子相比,也会因磁通量变化小而使铁损减小。换言之,仅考虑铁损,直流电机更为高效。综上可知,永磁体因无励磁线圈,所以在励磁时 仅存在转子铜损。如果单纯比较直流永磁电机与单相 换向器电机,则直流永磁电机的效率更高。

效率的计算

 当单相换向器电机的输出功率为 180W,铜损为 50W、铁损为 40W、机械损耗为 10W 时,粗略地计算 效率为

180/(180 + 50 + 40 + 10) × 100 = 64.3%

将此电机放置到直流电源下,设电机工作条件和输出 功率相同,效率变为

180/(180 + 50 + 15 + 10) × 100 = 70.6% 

由上可知,效率约提高了 6.3%,铁损从 40W 降为 15W 或更低。


 直流电机的特性

 基本特性 

仔细观察直流永磁电机的其他特性。为了比较两 种类型的电机,特意设置为同一规格。(1)负载变动对转速影响较小 直流永磁电机固定转速为 1500 ~ 3000r/min。与 单相换向器电机相比,负载变动对转速影响较小。(2)转速随输入功率变化 仅改变输入功率,即可简单改变转速。

 直流永磁电机的设计参数

 更改普通直流永磁电机的设计参数时,特性也会 随之发生变化。在此,对变化的特性进行介绍。分别更改图3所示的磁体的磁通量、角度、间隙 和匝数后,电机特性如图 4 所示。

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图3—电机参数更改

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图4-参数更改后的电机特性


(1)磁体磁力变强→转速低,转矩大 由图 4(a)可知,往增强磁力的方向设置参数时, 空载(负载转矩为 0)时的转速变低,最大转矩值变大。(2)线圈线径粗,匝数少→转速高,转矩大 与转子的槽空间相配的线圈线径变大且匝数变少 时,空载转速及最大转矩值变大。相反,如果线圈匝 数多且线径小,则转矩值变小。保持电机的高效设计非常重要。例如,像迷你四 驱车的电机,种类也很多,像线圈使用粗线,匝数少、 转速快、转矩大则为最佳的说法并不正确。线圈采用 超粗线且只有一匝的电机并不是最好的(效率变得 极低)。(3)匝数相同,线径粗→转矩大 忽略空间因素,将线径增大,其他条件不变,匝 数也相同时,电机的转速不变,转矩变大。

 塞满铜线

 要求铜损(线圈电阻)极小时,可采用此方法。但实际电机中并无多余空间。笔者身边有不少在有限 的电机内根据目标转速研发出更高转矩的电机的例子, 所以肯定有人会为了在有限空间内塞满粗线而日夜 奋斗。 

提高占积率

 如图 5 所示,

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图5

同一转子的槽内塞入相同截面积的 铜线时,可根据截面形状的变化得知塞入空间的铜线 截面积与粗细相同。占积率是指相对于空间,导线截面积总和的占比。近来,铁心并不是图中所示的形状,而是变为符合方 线的形状。为了提高占积率,可将方线缠入空间内, 从而制出更为高效的电机。


 单相换向器电机的特征

  广泛应用于家用电器的理由

 因单相换向器电机在交流 100V 时也可运行,所 以常用于吸尘器、搅拌机、电动工具等。单相换向器电机都表现为高转速、小型且高输出 功率,启动转矩较大,可用于驱动时允许伴有噪声, 连续工作时间在几分钟至几十分钟的设备。

 扩展到电动工具 

与永磁电机(无刷电机、直流永磁电机)相比, 单相换向器电机有不怕冲击,对环境要求不高等特点。因此很早便被用于电动工具。应用领域广,从装有减速齿轮、利用大转矩的起

重机,到直接利用高转速进行研磨的工具中,都有单 相换向器电机的身影。


 单相换向器电机的特性

 换向器电机的特性图

 图 6 所示为换向器电机的特性。X 轴表示设置转 矩,Y 轴表示转速、功率、电流。此处的说明也可运用到其他电机中。 

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图6—电机特性图

转矩与负载值相同

 转矩是指旋转时的力矩。转矩公式为 F(力) ×  r(电机轴旋转半径),单位为 N·m。电机负载是指阻止电机旋转的阻力(单位 N)。电机是为了使转矩和负载转矩(负载 × 电轴旋转半径) 相同的装置。电机中的负载转矩通常简称为负载。

 转矩与转速

 综上,转矩为零的状态称为空载。电机在空载时 的转速最大。相反,如果旋转中的电机有负载,转速 将会变小。转速为零时(空载旋转时),转矩值最大(最大电流流通)。电机启动的瞬间(大电流流通)也可产生最大转矩。电机转速为零时的转矩称为启动转矩(堵转转矩或失 速转矩)。 

额定转矩

 通常,负载导致电机工作停止时会烧坏电机。电 机连续工作时的最大转矩被称为额定转矩。电机超负荷长时间工作会造成发热,温度逐渐升 高。因此,电机在这种情况下只能短时间工作。

 其他条件相同,仅改变匝数

 在此将单相换向器电机的特性与上述直流永磁电 机的特性进行比较,发现值得深入研究的地方。图 7 所示为 2 个大小相同的单相换向器电机,仅 匝数上有些不同,以此来观察转速特性如何变化。

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图7

以 同一(额定)转矩为基准来看,转速不同导致功率不同。粗看似乎大功率电机更好,但从家用电器用途方面来 考虑,差别并不大。实际上,空载高转速电机的噪声较大。如果换成 低转速电机,既能正常运转又能延长整个电机的使用 寿命,人们也会更青睐后者。

 单相换向器电机与直流永磁电机的比较

 比较规格相同的单相换向器电机与直流永磁电机。由图8可知,二者存在转速差异、变化差异和功率差异, 这些都会导致特性的不同。

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图8

 二者虽都为有刷电机,但单相换向器电机给人以 可瞬间启动的印象,而直流永磁电机则给人勤勤恳恳 工作的印象。

交直流两用的优点

 单相换向器电机是不论交流还是直流都可运转的 电机。例如,停电时可以替换应急电源继续工作,在 无电源的郊外,也可借助电池使用。还有很多应用此 类特性的方法。但近来也有事实表明,单相换向器电机,尤其是 小型电机领域,正逐渐迈入无线化、无刷化。


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END

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