单相交流串激电机基本知识.docx

1、单相交流串激电机基本知识单相交流串激电机基本知识一、单相交流串激电机的特点二、转子的生产工艺流程及每个工序注意要点三、定子的生产工艺流程及每个工序注意要点四、单相交流串激电机主要零部件材料简介五、单相交流串激电机火花产生的原因六、单相交流串激电机绕组温升的计算方法及控制绕组温升的措施七、单相串激电机火花等级的划分八、单相串激电机能量损耗及效率低的原因九、单相串激电机转子最大残余不平衡量的计算方法及解决振动的措施十、单相串激电机噪音的计算方法及解决噪声措施十一、单相串激电机转速调整的方法十二、改善电机换向和EMC的措施十三、现有铁芯与交流产品规格对照表十四、电机改变电压后的参数计算方法十五、电机

2、电磁负荷的选择及电机参数的简单计算方法十六、电机参数的详细计算方法十七、无刷电机的特点及工作原理十八、单相异步电机的特点及工作原理一、单相串激电机的特点1. 激电机转速范围广,转速与频率无关,转速公式:n=(Ucos IR U)/Ke (rpm)或者=602E10 /N,根据不同产品要求，转速可以从4000rpm至35000rpm以上,运用范围广,电动工具用的电机转速达（1000038000）rpm以上；如电磨头电机的转速已经超过了38000rpm,高速角磨的电机转速也达35000rpm以上。而其他交流电机的转速都与电源频率有关,当电源频率为50Hz时,其转速不会超过3000RPM(n=60f

3、/p, p=1, f=50Hz),因而其使用范围受到一定的限制.转速公式中各字母的意义在后面的电机计算公式中会介绍.2. 与其他交流电机相比,在同样功率下，产品体积缩小许多，材料节省，重量轻，适合大批量生产,制造成本低。3. 起动转矩大,过载能力强。起动转矩高达额定转矩的4-6倍,起动瞬间因转子机械惯性大，n=0,感应电势E=0,由电压平衡式可知U=E+IaR , Ia=U-E/R=U/R ,起动电流很大，因Ia(电枢电流）=If（激磁电流），If产生磁通也很大，因此起动转矩T=Ct Ia也很大,不易被卡住,适合于使用在启动比较困难的地方。4. 率因数cos高。串激电机额定转速比较高，定、转子

4、匝数相对比较少，(定转子安匝比:8W1/N=0.85-1.5之间(常用1.051.3之间),W1为定子单个线圈的导体数,N为转子的所有导体数,N=转子铁芯槽数4线圈匝数,如定子单个线圈的匝数为260匝,转子匝数为38匝,则该电机的定转子匝数比为8260/12438=1.14.此比值不能太大,太大了说明定子匝数过多,将造成定子铜耗的增加,造成激磁磁场过于饱和,铁耗增加,温升升高,效率下降,材料的利用率降低,还造成定子的电抗增加,使功率因数cos降低,使电机的特性变硬,需要对定转子参数进行配合调整,一般情况,输出功率大于400W定转子安匝比取比值较小,输出功率小于400W定转子安匝比取比值较大),

5、因此绕组电感也较少，电流和电压的相位差夹角较小,所以功率因数cos比较高，一般来说,电机空载转速在10000-15000之间, cos=0.88-0.95,空载转速在15000-20000之间, cos=0.95-0.97,空载转速在2000030000以上, cos=0.97-0.99功率因数相量图I:电流相量;U:电压相量;E:反电势相量;IR:电阻压降相量;JIX:电抗压降相量.5. 用双重绝缘结构转子横切面图1.漆包线(导体)；2.基本绝缘；3.转子轴；4.附加绝缘(转子轴绝缘)。转子纵切面图1.转子轴绝缘(附加绝缘)；2.工作绝缘(基本绝缘)；3.转子铁芯；4.导电体(漆包线.换向器

6、)；5.加强绝缘(由轴绝缘和换向器的绝缘部分构成)；6.转子轴。顺便介绍一下定子的绝缘结构:1.基本绝缘:DMD或青壳纸；2.附加绝缘:塑料机壳。简单介绍一下爬电距离、电气间隙和绝缘穿通距离的概念：1. 爬电距离：在两个导电零件之间或导电零件与电器、工具界面（即外壳表面）之间沿绝缘材料表面的最短距离。如在加强绝缘上的带电零件(换向器的铜排端面）与其他金属零件之间（转子轴）的距离不能小于8mm；由基本绝缘（槽绝缘）将带电的漆包线与转子铁芯隔开的沿绝缘材料表面的最短距离不能小于2mm；2. 电气间隙：在两个导电零件之间或导电零件与电器、工具界面（即外壳表面）之间通过空气量得的最短距离。如机壳表面与

7、铁芯表面的电气间隙的最短距离不能小于4mm;3. 绝缘穿通距离：在附加绝缘或加强绝缘隔开的金属零件之间，穿过绝缘量得的最短距离。如将电机轴与铁芯隔开的轴绝缘的最短距离不能小于1mm,一般取为1.25mm.6. 子采用深槽结构深槽定子是随着定子自动绕线机的采用而发展起来的，由于定子极身磁密较低，因此可将定子槽向定子极身中心靠近，不会增加过多的激磁安匝，采用深槽定子，不仅仅是为了增加放定子线圈的窗口面积，以便放更多定子线圈，主要是为了增大转子直径而不致过多的减少放定子线圈的窗口面积。采用深槽定子，由于增大了转子的直径，并又缩短了定子线圈的跨距匝长，既可减少漆包线的成本，又可以提高电机的功率1020

8、%。7. 单介绍一下不同转子芯片槽数安匝比的计算公式:A. 8槽转子安匝比=8W1/N=8W1/84W2=W1/4W2 (电磨 头产品)；B. 12槽转子安匝比=8W1/N=8W1/124W2=W1/6W2 (大多数产品采用12槽铁芯)；C. 14槽转子安匝比=8W1/N=8W1/144W2=W1/7W2 (目前还未使用)；D. 16槽转子安匝比=8W1/N=8W1/164W2=W1/8W2(切割机、斜断锯、台锯、230角磨等大功率产品)；E. 马蹄形定子（C形定子）安匝比=8W1/128W2=W1/12W2(部分平板砂等小功率产品）。 其中W1为定子单个线圈的匝数, W2为转子单个线圈的匝数

9、8. 激电机的定子绕组与电枢绕组是串联的，见图1（单相串激电机原理图），定子电流就是电枢电流，定子产生磁通与电枢电流几乎同相位。若电机在运行过程中负载增大时，电流和磁通也增加，但转速下降，维持输出功率不变。P2=Mn/9.55(W) ,其中M为转矩(N.m),n为转速(rpm).图1.单相串激电机原理图9. 单相串激电机工作原理图10. 单相串激电机的特性曲线电机转速随着负载的增加而降低的特性称为串激电机的软特性11. 单相串激电机的一些常用公式:1. 输入功率P1=UIcosNN (W) 2. 输出功率P2=Mn/9.55(W) 3. 效率=P2/P1100% 4. 转速n=(UcosIRU

10、)/Ke (rpm)=602E1085. 转矩T=CtI(N.m)6. 温升T=(R2-R1)/R1(234.5+T1) (T2T1) (K)7. 噪声:声压级Lp=20P/P。(dB) 8. 噪声:声功率级Lw=Lp+11dB (dB) (A)9. 转子的最大残余重心偏移距离e=9550G/n(m)10. 转子的最大残余不平衡量m=Me /r (g)11. 定转子之间的单边气隙=转子直径D2的 1/100mm或者=( 0.3A/B) 104(mm)(极距=3.14D2/2 ,线负荷A=100-145A/cm,气隙磁密B=0.35-0.55T)(单边气隙长度一般在0.3-0.8mm之间,大功率

11、,高转速电机取气隙较大值,小功率,低转速电机取气隙较小值) 12. 转子铁芯长度与转子外径之比L/D2=0.5-1.7 13. D2 L=Pi62104 *B*A*n (cm)14. 极弧系数=/=0.667-0.7(为定子极弧对应角度，一般为120度）15. 换向器外径与转子铁芯外径之比一般在0.6-0.72之间16. 转子外径与定子外径之比D2/D1=0.54-0.62 (如54片: 31/54=0.574,如 58.5片:35/58.5=0.598,如65片:39.5/65=0.61,如72片:41.5/72=0.576,如90片:54/90=0.60,如98片57/98=0.58单相串

12、激电机在设计上的发展趋势1. 提高电机转速。由于双飞叉自动绕线机和全自动平衡机的使用，对转子的动平衡精度有了可靠的保证，因而普遍采用提高电机转速来缩小电机的体积，提高电机功率，降低电机成本；2. 增大转子直径。使转子线圈的作用半径增大，因而转矩增大，直接提高电机的输出功率，目前，转子外径与定子外径之比已经由原来的0.520.56提高到0.540.62，增大转子外径，也使电机定转子绕组的温升趋于接近，以改善转子温升偏高而定子温升偏低的情况；3. 定子采用深槽结构，前面已讲；4. 提高磁通密度，增加激磁安匝。适当提高磁通密度，增加激磁安匝，不但可以缩小磁路系统的结构尺寸，而且有利于换向，并使机械特

13、性趋硬，提高空载转速；5. 减少电机冲片规格，提高零部件的通用性。单相串激电机主要用于电动工具和家用电器，生产批量很大，为了适应全自动大批量生产，降低制造成本，必须减少电机冲片的规格，提高通用性。否则，高速冲模具的投入将会增加较大的制造成本；6. 在电磁计算上已经全部采用计算机程序软件计算，不仅计算速度快，而且计算的效率和准确性得到极大的提高。二.单相串激电机转子生产工艺流程1.压铁芯注意要点:a、尺寸；b、动 0.08MM；c、装后转子的扭力检查,产品不同,扭力不同.(注:轴包塑材料为:BMC热固性塑料或WH-501或PBT)。2. 装绝缘端板注意要点:a、端板有颜色和长短的区分；b、端板不

14、能有开裂或缺料变形；c、端板齿必须与转子齿对齐,不能错位；d、端板的厚度2.2-2.5MM；e、120V产品需用棕色阻燃端板。3. 测转子铁芯径向跳动注意要点:a、试前校正百分表；b、动转子一周,读取最大值和最小值,两个数 值之差即为转子铁芯的跳动值,此值0.08MM；c、动值大于0.08MM的转子挑出车削铁芯外圆后再测试。4.装羊毛毡压换向器注意要点:a、毛毡须平整紧贴于换向器的底部；b、向器压装尺寸和换向器扭力要求;(压装尺寸和扭力要求因产品而定)；c、注意换向器钩或槽与铁芯槽的对应关系(槽对槽或槽对钩)， (槽对槽:偏半片7.5,槽对钩:不借偏，适用于正反转的电机)5.插槽绝缘纸注意要点

15、:a、插纸前检查端板是否歪斜；b、槽绝缘纸应伸出铁芯两端长度2.2-2.5MM,并保持与端板平齐；c、槽绝缘纸应紧贴铁芯内壁；d、目前公司使用的绝缘纸为:230V产品0.25MM厚的DMD(聚酯复合薄膜)，120V产品0.25MM厚的青壳纸。6. 绕线注意要点:a、线径正确、匝数正确、绕法正确；b、张力器调整到适当位置,保证两边线包高度的均匀性，(线径不同,张力不同)，两边线包高度不一致将影响后面的动平衡工序；c、钩线方式及挂钩正确；d、不能有脱钩、断线、压纸的现象；e、转子绕线后的槽满率65%(在设计时需考虑)。7.插槽楔注意要点:a、槽楔伸出铁芯两端面的长度2.2-2.5MM,且要保证对称

16、平齐；b、目前公司使用的槽楔材料为红钢纸（部分是用环氧板。）8.转子点焊注意要点:a、点焊后漆包线和换向器挂钩的变形量10%-25%；b、点焊后换向器钩的歪斜角度10；c、点焊后不能出现虚焊.假焊和脱焊现象；d、点焊后挂钩处漆包线脱漆量0.5-1MM；e、粗线或双线并绕的转子在焊接时需加大电流和气压,并将焊接停顿时间适当延长；f、由于刚开始点焊时能量不够，漆包线的漆膜未能充分熔掉，因此需对开始焊接的两点或三点进行补焊，防止虚焊或假焊现象注:1.焊接棒材料为钨钢;2. 每次焊接前须对焊接棒的角度进行磨削,一般角度要4度；3.一般焊接到4000次左右须更换焊接棒；9. 测试(1)注意要点:a、片间

17、电阻8%；b、对角电阻8%；c、焊接电阻0.5m；d、匝间测试,波形不能少于4个,与标准波形的面积差15%；e、冷态绝缘电阻测试500M；f、高压测试:换向器对铁芯1250V5mA3S；铁芯对主轴2500V5mA3S；换向器对主轴3750V5mA3S。10. 滴漆和包封胶注意要点:a、线包滴漆均匀,无飞线.无汽泡.无漆瘤；b、铁芯表面无漆,换向器表面无漆；c、槽满率较低的转子,钢片槽中需无堵塞;(可起通风降温作用)；d、包封胶要包住换向器钩部和转子颈部,无开裂.无气孔,包封均匀。目前使用的转子漆为1146甲.乙(F级).包封胶为Q200或R960(耐温200以上):滴漆基本工艺 、温度、时间及

18、滴漆量是过程控制重点。1 预热:加热转子至滴漆合适温度(约125）；排除湿汽，减少绕线应力。2 滴漆:转子低速旋转, 漆均匀的滴到绕组端部及颈部,依靠漆的自重及毛细 管效应,渗入到线圈内部,同时排出空气。3 凝胶:转子保持自传，滴饱漆的转子在适宜温度下（约120）快速凝胶。4 固化:转子保持自传，在一定温度下（约130）使挥发组份挥发而烘干。转子滴漆的目的：1. 提高转子的绝缘电气强度；2. 提高转子的机械强度；3. 减少或消除绕线时漆包线的应力；4. 提高转子的导热性；5. 提高转子的耐湿性；转子包封胶的目的:1. 固定转子颈部悬空漆包线,防止高速运转时的断裂;2. 固定换向器钩部焊接后的漆

19、包线,防止相互间的接触而引起短路;3. 防止运转后碳粉与线圈的接触而引起的高压测试不通过.11. 铣换向器槽注意要点:a、要保证分度的准确性；b、确保铣槽后换向片间距离(步长)的一致性；c、铣槽后的换向器沟槽内应无残留云母和绝缘漆；d、铣槽后片间距离一般为0.45-0.6mm,铣槽深度一般为0.5-1.2mm。(目前使用的自动铣槽机为视频跟踪铣槽机,可随时观察铣槽的情况)12.车换向器注意要点:a、换向器表面粗糙度(光洁度)Ra 0.4；b、换向器的车削长度.车削后的外径；c、车削后换向器的径向跳动0.015MM；d、车削后换向器钩部无飞丝；e、车削后需用滚刷清除钩槽内的铜屑。13.压风叶注意

20、要点:a、压装风叶后的尺寸检查；b、风叶不能有缺损、毛刺、变形、披锋等；c、风叶端面跳动0.3MM；d、轴向推力检查；e、径向扭矩检查。14.动平衡注意要点:a、最大切削深度1.5MM,不能切到漆包线；b、切削长度不能超过铁芯长度的一半；c、不能出现对角去重的情况；d、不能出现缺齿槽的情况；e、切削后应去除齿槽毛刺。15.测试(2)此处测试是转子完成所有加工工序后的最终测试,可以只测试片间电阻.焊接电阻和匝间测试。测试片间电阻可检查转子是否有断线和换向器车削后沟槽内是否有铜屑，测试焊接电阻可再次测试转子是否有虚焊、假焊的情况,匝间测试可检查转子在前面所有加工工序中漆包线是否有碰伤.损伤等。16

21、.防锈处理和印字注意要点:a、不能用手直接拿换向器,防止换向器表面生锈，只能拿铁芯或风叶；b、换向器表面不能有防锈油；c、防锈油在转子铁芯表面要涂刷均匀,特别是动平衡切削处，防止生绣；d、在风叶与主轴结合处加适量的厌氧胶,防止风叶的松动；e、要做到轻拿轻放转子,防止相互间的碰撞,影响转子的动平衡。三.单相串激电机定子生产工艺流程1. 敲骨架(装端板)注意要点:a、端板配对正确；b、端板无变形.缺料.破裂等不良；c、端板厚度2.2-2.5MM；d、120V产品为棕色阻燃端板。2. 插绝缘纸注意要点:a、两端绝缘纸露出铁芯长度2.2-2.5MM,一般与端板平齐；b、内壁绝缘纸露出铁芯极靴长度1.5

22、MM；c、绝缘纸成型好,不起皱.不弯折；d、绝缘纸的材料为:230V产品为0.25MM厚的DMD (聚酯复合薄膜)，120V产品为0.25MM厚的青壳纸。3.绕线注意要点:a、线径正确.匝数正确；b、张力调整器调到适当位置(线径不同,张力不同)；c、不能有压纸和断线现象。4. 拉线与冲线注意要点:a、漆包线的预留长度要合适,为后面接线提供方便；b、端子(插片)与定子端板的连接拔出力；c、端子(插片)与定子连接线(丁晴线)的连接拔出力；d、检查定子连接线(丁晴线)线规.长度.颜色的正确性；e、脱漆水不能溅到线圈上，否则将会损伤漆包线。(注:以上拔出力因产品而定。)5.焊线注意要点:a、焊锡炉设定

23、温度330-360之间；b、使用无铅焊锡;(满足ROHS和PAHS要求)；c、焊锡应无虚焊.假焊.尖角现象；d、不得有锡渣.锡粒掉入绕组中；e、热缩管不能露铜。6.塞槽楔.塞毛毡注意要点:确保定子边缘漆包线和定子连接线(丁晴线)卡住不松动。(此工序只有少部分定子需要,如百得的部分产品。定子槽楔材料为环氧板。)7.整形注意要点:a、整形后端板内径要大于定子铁芯内径；b、线圈外径要符合图纸要求,不能大于铁芯外径；c、不能损伤连接线(丁晴线),端部线圈排列整齐,无飞线；d、整形头在定子上停留的时间要求在5-10S内,否则达不到整形的效果。8.测试注意要点：a、两个线圈的电阻测试,与设定的标准电阻之差

24、8%；b、匝间测试:与设定的标准波形差值15%,且波形不能少于4个；c、高压测试: 1250V5mA3S不击穿；d、检查连接线(丁晴线)长度和颜色是否满足要求。9.浸漆注意要点:a、漆包线和连接线(丁晴线)不能有损伤；b、悬挂时有连接线端朝上；c、线圈浸漆均匀饱满,不能有气泡.漆瘤.散线.浮线等现象；d、铁芯内外壁定位端面不能有漆瘤；e、目前定子使用的浸漆为831-2甲.乙(B级)或1032。10.定子包封胶注意要点:a、此工序只有SKIL角磨定子有此要求；b、保证封胶涂刷均匀,不开裂； c、定子包封胶材料为速干型的Q201。11.涂飞线注意要点:a、飞线一般都是浸漆时定子线圈朝上的部分会出现

25、；b、用速干漆将飞线固定在线圈上即可。四.单相串激电机的主要零部件材料简介一.金属材料:转子轴二.导磁材料:硅钢片三.导电材料:漆包线.碳刷.碳刷弹簧.换向器四.绝缘材料:定转子槽绝缘纸.定转子绝缘端板.转子槽楔.轴绝缘.绝缘漆.包封胶1.主轴 电机轴是承受载荷的重要零部件,它必须要有较高的强度和刚度才能支承转动部件的高速运转,单相串激电机主轴材料多选用45#优质碳素结构钢,对于功率较大,转速较高的电机主轴多选用40Cr或40CrMo调质钢,主轴长度越长,转速越高的电机对轴的材料要求越高;2.硅钢片 硅钢片是电机的重要导磁材料,分为热轧硅钢片和冷轧电工钢带,热轧硅钢片由于损耗大磁通密度低加工费

26、时(需将板料剪裁成条料后才能使用),目前已经将热轧硅钢片淘汰。现在已广泛使用损耗小磁通密度高加工方便的冷轧电工钢带。冷轧电工钢带根据硅晶体的排列磁化方向分为晶粒取向和晶粒无取向两种。 钢中加入硅的好处： A.电阻率增加;B.铁耗显著减小；C.有利于将钢中的有害物质碳分离出来。 钢中硅的含量不能超过4.5%,否则将造成硅钢片硬度和脆性的增大,给套裁和冲制工序带来较大的困难. 目前使用的硅钢片的材料为无取向冷轧电工钢带，根据硅钢片单位质量损耗从小到大的类型有: DW470-50,DW600-50,DW800-50,其代号意义如下:DW470-5050-硅钢片的厚度为:0.50MM470-表示频率为

27、50Hz,波形为正弦波的磁通密度为1.5T(特斯拉)的单位质量铁耗为4.7W/Kg, 600铁耗为:6.0W/Kg,800铁耗为:8.0W/KgDW-表示冷轧无取向硅钢片几种硅钢片的价格对比(参考价格) 近几年由于铁矿石价格上涨和与国外的几个大的铁矿石供应商谈判未达成协议的原因，硅钢片的价格也上涨很快，如DW800-50的硅钢片在3年前大约在6500元/T,而现在此规格的硅钢片价格大约在8700元/T.DW600-50的价格大约在9200元/T； 目前基于成本考虑,除客户有特别指出硅钢片要用DW470-50或DW600-50(如SKIL角磨.13冲击钻等)外,其他客户的产品已基本转为DW800

28、-50硅钢片生产.3.漆包线 漆包线根据绝缘温度等级分为:绝缘温度等级 A E B F H C最高允许温度 105 120 130 155 180 180 ()绕组温升限值 75 90 95 115 140 160 (K)一般电动工具电机使用的漆包线为: 定子:聚酯漆包线(QZ-2),130 , B级漆包线 转子:聚酯亚胺漆包线(QZY),155 ,F级漆包线 对于大功率、高转速、大负荷、耐高温的电机或客户有特殊要求的电机,可选用聚酰亚胺漆包线(QXY),180 H级漆包线 国外漆包线的分类为:UEW(低温线130).PEW(中温线155 ).AIW(高温线180 ),绝缘温度等级越高的漆包线

29、价格越高.4.换向器 换向器的工作条件非常恶劣，不仅受到每分钟数万转离心力作用，还要受到元件换向过程中释放电火花灼伤，它的温度高出电枢许多，因此对换向器的材质和加工工艺要求也很高，材质分紫铜换向器和银铜合金换向器(含银量约千分之三)两种,一般产品用紫铜换向器，对产品质量要求高的或者功率大的选用银铜合金换向器。银铜合金软化温度(280)比紫铜软化温度(150)高出130。换向器加工质量对电机换向影响很大，例如要求换向器表面加工成光泽镜面，表面粗糙度控制在Ra0.4以下，换向器跳动量控制在0.015mm以下。碳刷与换向器吻合表面应大于80%以上。 但银铜合金换向器价格比紫铜换向器价格高,一般情况下

30、,当电机转速n20000rpm,选用紫铜的换向器,且转子颈部不用封胶;(可降低成本) 当电机转速 n20000rpm,或客户有特殊要求时选用银铜合金带加固环带内衬铜套的换向器,且转子颈部需要封胶.因为换向器是非常重要的零部件,下面介绍一下换向器的一些基本技术要求。 1.换向片对孔的轴线倾斜度(简称斜片)小于片间绝缘宽度云母片的1/3(约为0.15mm)； 2.相邻两换向片间的径向最大误差(简称片间段差)小于0.01mm； 3.换向器钩沿圆周应均匀分布,对轴线的位置度(简称换向钩位置度)误差小于0.25mm； 4.换向器外圆径向跳动值小于0.015mm； 5.相邻换向片之间耐压:600V1S0.

31、1mA；6.换向片与内孔之间耐压:3750V60S0.25mA； 7.换向器的内孔直径: A.有衬套的内孔应符合GB/T1801中规定的H7; B.无衬套的内孔应符合GB/T1801中规定的H8; 8.紫铜换向器铜的含量99.9%,硬度HB85-110; 银铜换向器银的含量为0.03-0.3%,硬度HB85-115; 9.经过超速测试(40000RPM)后换向片径向变化最大值分别为0.007mm(室温),0.01mm(热态1802); 10.经过超速测试(40000RPM)后相邻换向片的段差变化最大值分别为0.003mm(室温),0.007mm(热态1802)。5.碳刷 碳刷是串激电机重要元件之一，碳刷材质选用对电机火花至关重要，且直接影响到电机使用寿命。电机对碳刷的要求绝不仅仅表现在换向性能上，而且还要求碳刷的润滑性能好，形成氧