仿直流交流电动机

仿直流交流电动机 墨鱼…一 仿直流交流电动机 ?广州大学(510091)郄炜 【提要]T仿直流交流电动机的工作原理,给出7调速实验和电流特性实验数 据,并对 这种电动机的特点及可望应用的领域从技术上进行T分析. 关键词交流电动机调速特性电流特性 0概述 三相鼠笼式异步电动机由于 结构简单,耐用性 具有效率较高, 好等优点,故在许多领域获得了 广泛应用c但是.这种电动机同时 具有一些缺点:起动力矩小,起动 电流大,调速困难等,尽管可采用 变频控制来实现调速但变频装 置复杂.成本昂贵,所以在许多场 合.仍采用机械方法调速一以满足 生产设备的需要.但机械方法调 体积 速叉使得系统的效率降低, 和重量均有所增加:采用鼠笼式 转子的单相异步电动机,除了有 三相鼠笼式异步电动机的缺点外, 其效率也很低.主要原因是谐波 损耗太大.因此单相异步电动机 主要应用在单相交流电源场合. 为了克服异步电动机上述的 缺点.笔者经多年努力,研制成功 了一种交流电动机,它具有调速 方便.起动力矩大的优点.正好弥 补异步电动机的缺点.由于这种 交流电动机的结构和原理上的特 点,故取名为仿直流交流电动机. 1仿直流交流电动机的工作 原理 仿直流交流电动机有定子和 转子2太部分c定子包括定子铁 芯,励磁线圈和力矩线圈,定子铁 芯由硅钢片叠制而成;转子采用 鼠笼式转子,结构如图1所示. 图中,1为励磁线圈.其作用 为外接交流电源时在铁芯中产生 外接交 交变磁场:2为力矩线圈. 流电源时,中间有电流流过:3为 定子铁芯:4为鼠笼式转子,定子 铁芯和转子铁芯形成磁路c 图1仿直流交流电动机结构图 其工作原理如下: 励磁线圈1外接交流电源一在 定于铁芯和转子铁芯4中产生磁 通.磁通路径由两边的磁轭.经凸 起的磁极,穿过转子,再回到凸起 的磁极形成闭合回路.由于磁通 是交变的,在转于的短路导体中 产生电势和电流.转子电流要产 生磁场,这个磁场和定子力矩线 圈中的电流相互作用,便产生电 磁转矩,在电磁转矩的驱动下,转 子便旋转. 电动机的旋转方向是这样来 确定的:假定某时刻由励磁线圈产 生的磁通由上面的磁极穿过转子 进入下面的磁极,则上面的磁极 为N极,下面的磁极为s极.转子 导体中感应电势及电流的方向要 阻止定子磁通的变化,则产生的 电流右边流入纸面,左边流出纸 面按右手螺旋定则转子电流产 生的磁场的磁极上面为N极,下面 为s极.假定力矩线圈中的电流方 向为上面的磁极中导体流入纸面, 下面的磁极中导体流出纸面,则 根据左手定则,转于电流磁场对 力矩线圈电流的电磁作用力方向 为顺时针方向力矩线圈电流对 转子电流磁场的作用力方向则为 逆时针方向. 对调力矩线圈或者励磁线圈 对电源的接线端,则电动机反转. 这种电动机的励磁线圈和力 矩线圈的供电方式可采用3种 方式:?它励式,2个电源分别对 2个线圈供电;?并励式.2线圈并 联后再外接到交流电源:?串励 式线圈串联后再外接到交流电 源这3种方式分别对应于直流电 动机的它励式,并励式和串励式, 这是称这种电动机为仿直流交流 电动机的原因之一另外一个原 因是这种电动机的励磁线圈的作 用与直流电动机的励磁线圈相似, 力矩线圈与直流电动机的电枢绕 组的作用相似.只不过这种电动 机的力矩线圈嵌放在定子极面的 槽中.如果把励磁线圈绕制在定 子磁极根部,则其结构与直流电 动机有类似之外c 2它励联接方式时的速度调 节特性和电流特性 由第1节的讨论可知,仿直流 交流电动机的电磁转矩是由转子 电流所形成的磁场和力矩线圈电 ?中回电王同 到蔓! 流相互作用形成.设转子电流所 形成的磁通为.力矩线圈中的 电流为J,则电磁转矩为: 丁:(Ij 式中,C为常数.由(1)式可 知.调节励磁线圈电压.可以控制 转子电流,从而调节磁通-使转 矩发生变化,转速得到控制或者 调节力矩线圈电压.可以改变力 矩线圈电流J,从而使转矩变化. 转速得以控制.2种调速方法的实 验数据分别如1和表2所示c 每 3仿直流交流电动机的特点 综前所述,这种电动机具有 如下特点: fI1起动力矩大.起动时,由于 转子电流磁场的轴线与定子磁极 轴线相重台,故这时力矩最大转 子转动时.由于电流与电势的相 位差造成转子电流磁场轴线偏离 定子磁极轴线.故力矩下降c f2)调速方便.接成它励方式 时,调节励磁线圈电压或力矩线 圈电压.其力矩=CJ可得到. 表1调节匾I磁线圈电压的调速特性和电流特性 表2调节边矩线圈电压的调速特性和电流特性 表1中,u为励磁线圈电压, J为励磁线圈电流-n为转速-在 改变励磁线圈电压的同时,保持力 矩线圈电压u=30V,电流l=094A 不变. 表2中.u为力矩线圈电压. 为力矩线圈电流n为转速,在改 变力矩线圈电压的同时保持励磁 线的电压L0v,电流.86A不变. 以上实验须在电机空载时进 行.值得说明的是,当用外力使转 子转速下降时.力矩线圈和励磁 线圈的电流不发生变化,直至堵 转,力矩线圈和励磁线圈的电流 才略有上升,上升幅度约为1,10. 由此说明,力矩线圈和励磁线圈 的电流与转速无关,仅取决于外 加电压. 另外,实验是在手制模型上 进行的,模型的定子铁芯极面较 窄,线圈匝数较少,两边励磁线圈 匝数各为250匝,力矩线圈匝数为 500匝,如果专门设计和制造这种 电动机的话,可以增加极面宽度 和线圈匝数,再提高外施电压,力 矩将会增大,转速也会上升 www.chinaet.net? 线性控制.从而使转速得以调节. 接成并励和串励时,改变电源电 压同样可以改变转速,这时其力 矩=CJ,按平方电压变化c {3)励磁线圈和力矩线圈电流 与转子转速无关,只取决于外加 电压的大小.这个特性使得电动 机能够在很低的转速运行,不怕 过载.不会因堵转而烧毁,从而提 高使用这种电动机系统的可靠性. 另外,这个特性使得这种电动机 用电子元件来加以控制时不会有 过载电流,有利于降低控制元件 的成本.这个特性还使得这种电 动机能频繁起停,制动和反转,以 提高系统的工作效率,而控制线 路相对普通异步电动机来讲.还 可以得以简化. (4)可以设计制造成它励式, 并励式和串励式,以满足不同负 载的c {5)结构简单,耐用性好.由于 它采用了鼠笼式转子,所以这种 电动机也具有异步电动机的这个 优点c (6)相对于单相异步电动机而 言,这种电动机无移相电容c 以上(1),(2),(3)特点是通过 模型试验已发现的一些特性-其 它特性有待进一步研究发现c 4仿直流交流电动机可望应 用的领域 根据这种电动机的特点.它 可望应用在如下一些领域: (1)用于空调制冷系统.由于 这种电动机起动力矩大,故可以 用于冰箱,空调等制冷设备中,加 之转速易于控制.有利于改善冰 箱,空调的制冷性能.目前许多冰 箱和空调采用间歇起停工作方式 来控制温度,这种方式使电气设 备产生很大的噪声. f2)用作洗衣机驱动电动机. 由于电动机可频繁正反运行-故 适台于作洗衣机驱动电动机,加 上调速控制,可减弱洗衣机的噪 亩. (3)各种台式风扇,吊扇,排风 扇,抽油烟机.这种电动机可以做 成外转式和内转式,无需移相电 容,故可作各式风扇,吊扇,排风 扇和抽油烟机的电动机,采用调压 调速,可使风扇的转速得到调节 (4)某些设备中的冷却风扇 目前冰箱中的冷却风扇多采用罩 这种电动机力矩很 极式电动机, 小.效率非常低,如果采用仿直流 交流电动机的话.可以提高效率 和加强冷却,如果再采用调压调 速,还可以改善冷却效果. (5)其它日用电器电动机:如电 吹风,电搅拌机等.在一些日用电 器中,常采用直流电动机,如电吹 风器,电搅拌机等.由于换向器容 易损坏.这些日用电器的使用寿 命受到很大限制,如果采用仿直 流交流电动机,将会大大延长使 用寿命. f6)用作交流伺服电动机.目 前的交流伺服电动机,一般多采 用增大转子导体电阻的方法来改 f下转摹32酉) 23 勇 相同的输入电流,电压.以保持 工作状态的一致性:再调节R,使 铸|. 由表1和图4可以出.采用锁 相环温度补偿控制后,与无温度 补偿的输出相比,具有更好的线 圈3温度补偿电路围 3实验结果 实验取电阻R值为l0000时- 中心频率为5700Hz,测试输入电 流,.和环境温度变化时,输出 电压的变化情况. (1)有温度补偿时输出电压u 的变化情况如表l和图4所示. (2)12mA,无温度朴偿(即只 对Ic.加温,Ic保持温度不变)和 有温度朴偿时的输出,.的变 化情况如表2和图5所示. 表1有温度补偿时的情况 闰4有温度补偿时的情况 莩=}二二兰二:}二:二=j无温度补偿时的情况la0l372l【ll口tllI4ml6" 2.00』4A5l6 2I41169, 22.l520J724 2301,5g175t 表2无温度补偿时的情况 32 性度.由最小二乘社得到的它的 Uo与Ii的关系为Uo=282'+103?最 大误差为if-0034V;在表2中.输 入电流相同时,若无温度朴偿,电 压的变化率为一0025,若有温度补 偿,电压变化率仅为00025,精度整 整提高了1个数量级. 可见,由锁相环和光耦实现 的高压检测电路可以完成温度补 偿功能,并且具有电路简单,可 靠,成本低,精度高等特点.该电 路为高压直流检测的温度补偿提 供了新的方法. 参考文献 1C0S集战电路崮防上LJj版社. 1985 2建.锁棚环原理及其艟用北 京:^民邮{出版,1993 3曲维术光电耦器的原理及其任叱 线路中的应用JE京:啊防『一业1f_ 版杜,l981.6 (璃辑:赵海军) (上捶辜23) 善机械特性和调速特性.这样使 得电动机的效率会大大降低,采 用仿直流交流电动机,将会改善 控制性能和提高效率c (7其它机械或电气设备的驱 动电动机.许多机械加工设备仍 采用机械调速的方法来实现转速 控制.机械调速一方面要增加变 速装置,从而提高了制造成本-增 大了体积和降低效率.另外这种 调速也属于有级调速,在运行时 调速无法进行.如果加工设备需 要快速停车控制,为防止电动机 线圈过流,其控制线路较为复杂c 采用仿直流交流电动机的话,这 些问均可望得到解决c 5结束语 仿直流交流电动机的工作原 量与异步电动机的工作原理有所 不同.异步电动机是采用旋转磁 场来带动转子旋转.而仿直流交 流电动机是利用空间静止的脉动 磁场来驱动转子旋转,因此.仿直 流交流电动机的某些特性会不同 于异步电动机的特性.理论分析 表明,仿直流交流电动机的机械 特性与直流电动机的机械特性相 似,因此.这种电动机将会是非常 具有发展前景的电动机,可应用 这种电动机的领域会非常广泛 (璃辑:赵海军) ?t囝鸟舅