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=60√2×E×10 /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（10000～38000）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/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φ也很大，因此起动转矩T=Ct ×Ia×φ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、转子匝数相对比较少，(定转子安匝比:8W1/N=0.85-1.5之间(常用1.05—1.3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8×260/12×4×38=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),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20000—30000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)；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 定子极身
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10—20%。 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=8W1/8×4W2=W1/4W2 (电磨 头产品)；
B. 12槽转子安匝比=8W1/N=8W1/12×4W2=W1/6W2 (大多数产品采用12槽铁芯)； C. 14槽转子安匝比=8W1/N=8W1/14×4W2=W1/7W2 (目前还未使用)；
D. 16槽转子安匝比=8W1/N=8W1/16×4W2=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=8W1/12×8W2=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
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φ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=M×n/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=U×I×cos￠N×ηN (W) 2. 输出功率P2=M×n/9.55(W) 3. 效率?=P2/P1×100%
4. 转速n=(Ucos￠－IR－△U)/Ke×? (rpm)=60√2×E×10ˉ8×? 5. 转矩T=Ct×?×I(N.m)
6. 温升△T=(R2-R1)/R1×(234.5+T1) －(T2－T1) (K) 7. 噪声:声压级Lp=20㏒P/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=9550×G/n(μm) 10. 转子的最大残余不平衡量m=M×e /r (g)
11. 定转子之间的单边气隙δ=转子直径D2的 1/100mm或者δ=( 0.3τA/B) × 10ˉ4(mm)(极距τ=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,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=Pi×6×√2×10ˉ4 α*B*A*n (cm3)
14. 极弧系数α=θ/π=0.667-0.7(θ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0.52—0.56提高到0.54—0.62，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: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、片间电阻≤±8%；b、对角电阻≤±8%；c、焊接电阻≤0.5mΩ；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≥500MΩ；f、高压测试:①换向器对铁芯1250V5mA3S；②铁芯对主轴2500V5mA3S；③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.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≤1.5MM；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≤±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；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: DW470-50
50-硅钢片的厚度为:0.50MM
470-表示频率为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/Kg DW-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DW800-50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,当电机转速n≤20000rpm,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 n＞20000rpm,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:600V1S0.1mA； 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180±2℃)<需供应商提供检测报告>;
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180±2℃)<需供应商提供检测报告>。
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，形成氧化膜的能力要强，碳刷自身的磨损及对换向器表面磨损要小等，以保证良好的滑动接触。所以选择碳刷时，要尽量满足上述多项要求。碳刷的电流密度要求控制在12A/cm2以下,否则将造成换向困难,火花增大,也会影响EMC的测试. 6.碳刷弹簧
与碳刷配合使用的碳刷弹簧，它也是非常重要零件之一，弹簧压力范围在电动工具上采用250～500g/cm2之间。弹簧压力过大将加大碳刷与换向器表面的摩擦,破坏换向器表面的氧化亚铜薄膜,使换向情况恶化,弹簧压力过小,会使碳刷与换向器表面的接触不良,碳刷容易跳动,造成火花的增大,弹簧压力的取值方法:功率大的取大值，功率小的取小值.弹簧质量的好坏，取决于选用材料和加工工艺，尤其是控制材质的淬火温度。弹簧是与碳刷接触的，它是一个导电体，工作温度也很高，在高温下弹簧不能软化，不能失去正常压力。 7.气隙对电机性能的影响
气隙对电机性能的影响：
a. 气隙偏大会增加定子绕组的用铜量，增加电机的成本；
b. 气隙偏大，因造成绕组的增加而使绕组的电感增大，会降低电机的功率因数； c. 适当增加气隙的长度，可以减少磁极的表面损耗；
d. 适当增加气隙的长度，可以减少电枢反应，可以改善换向，减少火花； e. 适当增加气隙的长度，可减少偏心的影响，减小单边磁拉力，避免定转子相
擦（擦铁）；
f. 气隙偏小易造成定转子的相擦（擦铁）；
g. 气隙偏小易造成电机的发热偏高，降低电机的使用寿命； h. 气隙偏小将造成电机的电磁噪声的加大； 五.单相串激电机火花产生的原因
产生火花的原因很多，如电磁因素、电位因素、机械因素和化学因素等 1. 电磁因素:主要有电抗电势、电枢反应电势、换向电势和变压器电势等。电
磁因素产生火花的原因很复杂且很难改善,只做了解即可;
2. 电位因素:电源电压是通过几何中心线上的两个碳刷加在电枢绕组上的，粗
看起来，电压是均匀分布在每个元件上。其实每个元件的电阻因线圈感抗的影响是不一样的，而是先绕的元件电阻小，后绕的元件电阻大，先绕的阻值小，根据欧姆定律U=IR,承受电压低,它连接的换向片片间电压也低。后绕的阻值大，承受的电压也高，连接的换向片片间电压也高。 高低不一的绕组元件就在电机运行时，就产生电位火花。 每个换向片间的电位压降计算公式为:Up=2U/K,其中U为电源电压,K为换向器的片数,若U=230V,K=24, 则Up=19.1V,若U=120V,K=24, 则Up=10V,所以在换向器片数相同的情况下,230V比120V的电机每个换向片间的电位压降要高,电动工具用串激电动机换向片间的电位压降一般要求在25V以下,推荐Up=10～16V.改善由电位因素产生的火花可采用以下方法: a. 采用片数多的换向器，或
者采用多槽冲片,尽量减少换向片间的电位压降,但制造成本会增加;b.换向元件间电阻值差要小,改进制造工艺质量 ,将换向器每个片间电阻控制在±8%以内. 3.机械因素
由于机械原因引起火花大原因很多，而且复杂，只能挑主要的和经常遇到的来叙述:
? 换向器偏心，转子动平衡不良引起转子跳动加剧； ? 换向器质量不好,相邻换向器片间出现间距不等,高低偏差； ? 换向器表面加工精度不高；(一般要求Ra<0.4)
? 碳刷压力不当，过大或过小；(一般要求250～500g/cm2)
? 碳刷材质不良，碳刷弹簧淬火处理不符要求；（当温度升高时，弹簧失去弹性压力）
? 碳刷在刷握里配合尺寸过松，引起碳刷在刷握里跳动，过紧将碳刷卡住，造成接触不良；(一般要求0.05-0.39MM)
? 换向器与刷握端面间距过大；(一般要求1.5 ±0.5MM)
? 换向器片间电压过多(＞ 25V)，碳刷电流密度过大(＞12A/cm2) ； ? 碳刷的圆弧面与换向器表面的圆弧面吻合度小于80%； ? 电机绕组存在缺陷，出现绕组短路或开路现象； ? 转子点焊不良,出现虚焊和假焊现象. 4.化学因素
电机在正常工作时，换向器和碳刷接触表面上有一层氧化亚铜薄膜。这层薄膜的电阻很大，又乌亮光滑，因而能使换向近似于直线电阻换向。(换向方式分为:直线换向.延时换向和超前换向,三种换向方式中直线换向方式最佳,换向的过程非常复杂,这里暂不讲述,在后面的改善换向中将提到)
正常运转情况下碳刷的摩擦作用，可能把换向片表面的氧化亚铜薄膜破坏，
但是在电流流过碳刷与换向片时，由于温度较高以及空气中含有水分，又使换向器表面氧化，生成氧化亚铜薄膜，这样，换向器表面的氧化亚铜薄膜，在电机运行过程中处于不断破坏和不断生成的动态平衡中。
? 如果正常运行条件遭到破坏，如碳刷压力过大或过小，或者缺乏氧气和水分，或者电机运行在有腐蚀性的气体(如氯气)中时，都会使换向器表面的氧化亚铜薄膜遭到破坏，氧气和水分对于串激电机运行很重要，所以串激电机一般不制成封闭式电机这是其中的一个原因之一。(正因为不能制成封存式电机,且塑料机壳不能对高频辐射起到屏蔽作用,导致30MHz以上的高频能量的辐射,使电机的EMC测试比较困难).
六.单相串激电机绕组温升的计算方法及控制绕组温升的措施 电机绕组温升的计算公式为:（绕组法测试） △T=(R2-R1)/R1×(K+T1) －(T2－T1) 单位: K
R1:开始测试时绕组的冷态直流电阻;(Ω) R2:测试结束时绕组的热态直流电阻;(Ω) T1:开始测试时绕组附近的环境温度;(℃) T2:测试结束时绕组附近的环境温度;(℃) K:绕组系数,铜: 234.5,铝：225
(注:温升的测试方法有绕组法和电偶法两种) 在设计电机时,可采取以下措施控制绕组的温升:
1.限制线负荷(或电负荷)A:转子外圆单位圆周长度上的电流A=NI/3.14D2,N为转子的总导体数,I为电枢电流,D2为转子的外径,单位:A/cm,与电枢绕组的电流密度J=I/2S(导体单位面积上所通过的电流:A/mm2, I是电机的电流,S为单根漆包线的截面积)的乘积AJ(也称发热因子)可控制电枢绕组的温升,线负荷A 越大,将导致绕组铜耗的增加,绕组匝数的增多,换向时换向圈内的电抗电势增大,使换向恶
化,因此线负荷A 的取值范围一般限制在100-145A/cm,J的取值范围在10-18 A/mm2,而AJ的乘积≤1400-1800之间,在此范围之内,电机的温升不会太高,此值在电机设计时需加以考虑,线径越细的漆包线线负荷A与电枢绕组的电流密度J=I/2S的乘积越大,转子绕组的温升将会升高.事实也证明线径越细的漆包线温升越高.(转子外圆单位面积上散出的热量Q=AJρ,其中ρ为漆包线的电阻率),或者通过AJ=Ka×L×D22×n×10 计算AJ的乘积. 其中Ka为系数,由以下图中查取,L为铁芯长度(cm), D2为转子铁芯外径(cm) , n为电机的额定转速(rpm) 2.限制I2r1的数值可控制定子绕组的温升,I是电机的电流, r1为定子电阻,如果定子漆包线的匝数过多或选用漆包线的线径较细,将会增加定子绕组的电阻,从而导致定子绕组温升的增加. I2r1=KS×L×D22×n×10 (W)
其中KS为系数,由以下图中查取,L为铁芯长度(cm), D2为转子铁芯外径(cm) , n为电机的额定转速(rpm)
3.一般来讲,定子温升比转子温升要低些,但不能相差太大,两者温升相差太大了,说明电机的有效材料没有得到充分运用,需要对定子温升进行调整,也就是对定子线径和匝数进行调整.有时需要对转子参数和定子参数进行配合调整以获得满足要求的转子温升和定子温升.因此,电机温升的调整比较麻烦,有的需要进行多次调整才能满足要求.
七.单相串激电机火花等级的划分
火花等级 1级 11/1级 11/2级 碳刷下火花程度 无火花 判断标准 换向器上没有黑痕,碳刷上没有灼痕. 碳刷边缘仅小部分(约1/5至1/4刷换向器上没有黑痕,碳刷上没有灼痕. 边长)有断续的几点点状火花 换向器上有黑痕,但不发展,用汽油擦其表面即能除去,同时在碳刷上有轻微灼痕. 换向器上有黑痕,但不发展,用汽油擦其表面不能除去,同时在碳刷上有轻微灼痕.如短时出现此种火花,不会对换向器和碳刷造成损坏. 碳刷边缘大部分(大于1/2刷边长)有连续的较稀的颗粒状火花 2级 碳刷边缘大部分或全部有连续的较(电动工具要求火密的颗粒状火花,开始有断续的舌花等级在2级以下) 状火花 3级 碳刷整个边缘有强烈的舌状火花,换向器上黑痕严重,用汽油擦其表面不能除去,同时在碳刷并伴有爆裂声音 上有严重灼痕,引起环火,碳刷将被烧焦或损坏. 八.单相串激电机的能量损耗及效率较低的原因 1.单相串激电机的能量损耗包括电气损耗和机械损耗. A.电气损耗包括:
a.定子绕组的铜耗,约占输入功率的10-14%; b.转子绕组的铜耗,约占输入功率的8-12%; c.定转子铁芯的总铁耗,约占输入功率的12-17%; d.换向损耗和电刷压降损耗,约占输入功率的1-3%;
铜耗是由于电机电流流过绕组铜线而造成的,它使绕组发热,定转子铁耗是由于定转子铁芯被磁化而造成的,它由磁滞损耗和涡流损耗两部分组成,电气损耗还包括换向损耗和电刷压降损耗.
B. 机械损耗包括风摩损耗、轴承损耗、碳刷摩擦损耗.转子的旋转磁化损耗和谐波损耗等,约占输入功率的6-10%；以上各种损耗之和,即总损耗约为输入功率的37%-56%左右。
2. 单相串激电机的能量平衡可用功率方程式表示如下: P1=P2+∑P
P1: 输入功率,P2: 输出功率, ∑P: 总损耗 3.单相串激电机的效率公式为:
?=P2/P1=(P1- ∑P)/P1=(UIcos￠- ∑P)/P1 4.单相串激电机的效率低的原因
从上面的各种损耗的大概计算可知,总损耗包括电气损耗和机械损耗,总损耗约占输入功率的37%-56%左右,而这些损耗最终都转变成热能散发出去,造成电机温升的升高,所以一般单相串激电机的效率都是在35%- 60%左右,经过大量的计算和实践证明,输入功率越小转速越低的电机效率越低,输入功率越大转速越高的电机效率越高, 只有少部分大功率高转速的电机可以达到60%以上,如电圆锯、高速角磨、斜断锯、台锯、切割机的电机等.
5.单相串激电机的能量流程图
输入功率P1 输出功率P2 约占输入功率的 35%-60%
电气损耗:约占 输入功率的 31%- 46% 机械损耗:约占 输入功率的 6%- 10% 九.单相串激电机最大残余不平衡量的计算方法及解决振动的措施
1. 最大残余不平衡量:指转子在空载转速时转子上剩余的不平衡量不至于导致转子的振动,此时转子上剩余的不平衡量称为转子的最大残余不平衡量. 2. 最大残余重心偏移距离:指转子上的最大残余不平衡量偏移转子轴中心的距离,其计算公式为:
e=9550×G/ n (单位μm)
其中:G为平衡精度,一般电动工具的平衡精度规定为G6.3级,即 G=6.3mm/s , n 为转子的空载转速,单位:rpm
(注:国际标准ISO1940-1973(E)旋转刚体平衡精度,将平衡精度等级分为G0.4-G4000,共11级,数值越小,要求的平衡精度越高) 3. 最大残余不平衡量的计算公式为: m=M×e /r (单位g)
其中M为转子的质量（Kg）,e为最大残余重心偏移距离 (μm), r为转子的半径(mm).
4. 下面以电圆锯的转子举例来计算最大残余重心偏移距离和最大残余不平衡量 电圆锯转子的质量为0.57Kg,转子外径为41.5mm,转子转速为33000rpm, 要使转
子达到G6.3级的平衡精度,该转子的最大残余重心偏移距离和最大残余不平衡量的计算方法如下: A. 最大残余重心偏移距离:
e=9550×G/ n=9550×6.3/33000=1.823 μm B.最大残余不平衡量:
m=M×e /r=0.57×1.823/20.75=0.050g
按最大不平衡量均匀分布到左右两个校准面上来考虑，则左右两个校准面上
允许的最大残余不平衡量为 0.05/2=0.025g=25mg
假如我们将以上例子中的转速改为10000rpm,则最大残余重心偏移距离和最大残余不平衡量分别为: A. 最大残余重心偏移距离:
e=9550×G/ n=9550×6.3/10000=6.0165 μm B. 最大残余不平衡量:
m=M×e /r=0.57×6.0165/20.75=0.165g.
按最大不平衡量均匀分布到左右两个校准面上来考虑，则左右两个校准面上
允许的最大残余不平衡量为:0.165/2=0.0825g=82.5mg.
这说明: 在转子其他条件相同的情况下,要达到同样的平衡精度G6.3级,则转速高的转子允许的最大残余不平衡量要比转速低的转子允许的最大残余不平衡量要小很多。
通过计算还可知道,在转子质量相同的情况下,转子外径越大的转子允许的最大残余不平衡量越小,在转子外径相同的情况下,重量越大的转子允许的最大残余不平衡量越大。
在电机设计及制造工艺上减少转子初始不平衡量的措施： 1.转子冲片齿槽均匀分布的角度误差要小(高速冲模具保证)；
2.要注意转子冲片内孔分布的键槽孔和平衡槽.扣片槽的对称分布及重量的相
互补偿(高速冲模具保证)；
3.要控制转子冲片与轴配合后的同心度,确保铁芯外圆跳动在0.08MM以下； 4. 换向器的平衡性及同心度要好,换向器车削后同心度要求在0.015MM以下； 5. 转子绕线时要控制好两个飞叉的绕线张力,尽量保证绕完线后两个线包高
度的一致性和均匀性；
6. 转子滴漆既要保证漆能渗透到绕组深部,还应注意滴漆的均匀性； 7. 需要包封的转子,要尽量使包封胶厚薄均匀的分布于转子颈部,要对包封胶
的粘度配方及包封胶量的大小进行控制；
8. 要确保风叶压入后风叶的平面跳动在0.3MM以下；
一般来讲,只要在电机设计及制造工艺上注意以上八点,转子的初始不平衡量将会得到极大的改善,将为转子的动平衡工序创造有利的条件. 同时也将极大的改善电机的振动和噪声. 关于转子热振动的原因探讨
1. 目前转子滴漆后的磨轴承档工序生产流程存在问题，转子滴漆后再磨轴承档工序对转子质量存在以下隐患：磨轴承档时由于需要磨削液冷却，磨轴承档的磨削液会浸到转子漆包线内，而接下来的工序是铣换向器槽、压风叶和动平衡，由于这几个工序在转子磨轴承档后很快就进行，而浸到漆包线内的磨削液在这段时间内不可能彻底干燥挥发，因此转子在做动平衡时其实转子内含有大量的磨削液，用这个时候的转子做动平衡时转子的总重量是不准确的，也就是说这个时候做完动平衡工序的转子线圈内还余留较多的磨削液，由于转子在生产入库后很快就移交到整机厂家生产，而整机厂家在装完整机进行老化工序时，随着转子温度的上升，转子线圈内的磨削液会随着温度的升高而逐渐挥发掉，由于磨削液的挥发，转子的不平衡余量将发生较大的变化，这时整机通过老化后转子已经是不平衡了，又由于电动工具用的电机转子转速一般都较高，只要转子的不平衡余量稍微有点变化都将造成整机的振动加剧，因此会出现在整机冷
机老化前没有振动的现象，而在整机老化后会出现热振动的现象，这是造成整机老化后热振动最根本的原因之一，当然不排除其他原因造成整机的热振动。目前转子做动平衡前需要用电炉将转子加热到约100℃后再做动平衡，其实这也是为了将转子线圈内的磨削液经过加热挥发掉，恢复转子自身本来的重量，这样做出的动平衡转子不会出现整机老化后热振动的现象的道理是一样的。 2. 目前的转子绝缘漆为1146环氧漆，此种绝缘漆固化后随着转子温度的升高会出现慢慢软化的趋势，从而会造成转子的不平衡余量随着温度的升高而逐渐发生变化，导致转子的热态振动；现在0840的树脂漆来代替环氧漆，树脂漆在固化后非常坚硬，不会随着温度的升高而软化，从而不会造成转子随着温度的升高导致不平衡余量发生变化的情况。但树脂漆的工艺要求较高，如滴漆温度、凝胶温度和固化温度和时间及滴漆量的多少等都必须要严格控制。