《航空电机学》课件第2章航空直流电机的电磁关系

1、第二章 航空直流电机的电磁关系直流电机的磁场和电枢反应直流电机的基本电磁关系航空直流电机的换向2-1直流电机的磁场和电枢反应 电机中产生感应电势和电磁转矩都必须有磁场。实际上电机负载运行时的磁场由励磁电流和电枢电流共同建立，情况比较复杂。本节首先讨论在电枢绕组没有电流即空载情况下由励磁电流单独建立的空载磁场，研究磁场的分布情况，以及每极磁通量与励磁电流的关系。再在此基础上分析负载时的磁场。简单 复杂2.1.1直流电机的空载磁场每极总磁通（主极磁通）主磁通漏磁通主极漏磁系数2.1.2电机的磁化曲线电机磁路的饱和系数（1.11.35） 要产生一定的主磁通 就需要一定的励磁安匝 。 改变时，所需的

2、也改变。表示 与 的关系 称为电机的磁化曲线。 为了合理地利用铁心材料，在额定转速下产生的空载电势等于额定电压时所对应的磁通值，选在曲线开始弯曲处，如图中的C点。2.1.3直流电机的电枢磁势2.1.4直流电机的电枢反应 电枢磁势电枢反应的概念电枢的直轴、交轴电枢反应直流电机的励磁磁场（空载磁场）直流电机的空载场空载磁场 电枢磁场？何为电枢反应 电机带上负载后，电枢绕组就有电流流过，电枢电流将产生电枢磁势；气隙磁场是由励磁磁势和电枢磁势两者的合成磁势所建立的。负载时，电枢磁势对气隙磁场的影响称为电枢反应。交轴电枢磁势交轴电枢磁势线负荷 N电枢绕阻总导体数； 导体电流， ， 为电枢总电流。 D电枢

3、外径。单位长度安匝数（电流分布）交轴电枢磁势（安匝/对极）()xFa2tAFa=2tAFa=()()()dmm=xFxHxBaaa00NS正方向规定：磁势（磁感应强度）由电枢到主磁极为正，反之为负直轴电枢磁势交轴电枢磁势 直轴电枢磁势NSNSNNSS（安匝/对极）电刷偏离几何中线电刷偏离几何中性线时电枢磁势的分布直流电机的电枢反应一、交轴电枢反应磁路不饱和时的情况NS发电机电动机0dBaBdBa物理中线几何中线aF叠加原理适用，虽然畸变，但磁通相同（面积不变）磁路饱和时的情况交轴电枢反应NS发电机电动机0dBaBdBdBa物理中线几何中线aF交轴电枢反应增磁增磁去磁去磁交轴电枢反应效果磁场发生

4、畸变物理中心线偏离几何中心线磁路饱和时有去磁作用直轴电枢反应电刷偏离几何中线 交轴电枢磁势 直轴电枢磁势NNNSSSNS产生原因增磁或去磁发电机：电刷顺电枢旋转方向偏移时，起去磁作用； 电刷逆电枢旋转方向偏移时，起增磁作用。对电动机而言，上述结论恰好相反直流电机电枢反应小结电枢反应的概念交轴电枢磁势的特点、分布；气隙合成磁场来源、分布交轴电枢反应效果磁场发生畸变物理中心线偏离几何中心线磁路饱和时有去磁作用直轴电枢磁势的来源和直轴电枢反应效果2-2直流电机的基本电磁关系直流电机的感应电势直流电机的电磁转矩直流电机的平衡方程式电枢绕组的感应电势定义：正负电刷之间的直流电势，也等于电枢绕组的并联支路

5、电势。计算方法：求出一根导体在一个极距范围内切割气隙磁密的平均感应电势，乘上一个支路里总的导体数。 电枢绕组总导体数为N( N=2SWy ),每条支路串联的有效导体数为 N/2a,则讨论：1、平均磁密去掉了绕组短距、电刷短路、 齿槽效应、每极主（气隙）磁通（空载、负载）影响 2、大小、极性？直流电机电势常数直流电机的电磁转矩转矩常数电势常数讨论：大小、方向？讨论 电机学假设：电枢平滑无槽，电磁转矩是作用在载流电枢导体上的电磁力形成的。这样推导出的电磁转矩公式，实践证明在数值上是正确的。 一台几千千瓦的电机，电枢导体要受到很大的电磁力，包扎导体的绝缘材料将会压缩变形，可是这种情况实际上并未发生。

6、 实际上，作用在电枢线圈上的电磁力是极小的，这是因为：一般电枢有槽，线圈放置在槽内，气隙磁通的大部分从磁阻小的齿部通过，槽部的磁通较小。 有槽电机运行时，大部分电磁力将直接作用在铁心上，由铁心力形成的转矩称为铁心转矩。电机负载时作用于每槽的电磁力，应为槽内导体所受的电磁力和铁心力之和。 有槽电机的电磁转矩在数量上可以用电磁力定律按无槽电机公式算得，但在本质上主要是铁心转矩。只有定子磁动势时； 只有转子磁动势； 在定、转子磁动势共同作用下28匝数增加（0.8T，60m/s）：空载磁场分布空载磁力线空载磁密29加载磁力线加载磁密匝数增加（0.8T，60m/s）：加载磁场分布30参数数值参数数值电机

7、长度（mm）1000背铁厚度（mm）20电机厚度（mm）181动子重量（kg）294叠厚（mm）400负载重量（kg）800动子长度（mm）990电磁总重量（T）3.1永磁体长度（mm）99最大速度（m/s）60永磁体厚度（mm）33输入电流有效值（A）4000极对数5电流密度（A/m2）120（槽满率40%）线圈长度（mm）30输出推力（KN）316线圈厚度（mm）20加载相电压有效值（KV）4.24匝数6加速时间（s）0.209槽数30加速位移（m）6.27电流增加（0.8T，60m/s）：仿真参数 基本平衡关系式 电压平衡关系式电枢回路 瞬态: 稳态:（电枢、换向极、补偿、串励）绕组电阻

8、 直流电机的平衡方程式 正负电刷的接触压降，约为2V并励直流发电机发电机惯例参考正方向 电压平衡关系式电枢回路 瞬态: 稳态: 励磁回路 瞬态: 稳态: （非线性：磁饱和）并励直流电动机电动机惯例参考正方向转矩平衡关系式 瞬态: 稳态: 瞬态 稳态空载损耗包括机械损耗和铁损耗，空载损耗对应的转矩称为空载转矩。并励直流电动机并励直流发电机电磁功率和功率平衡式电磁功率 电压平衡式 转矩平衡方程式 和 方向相同，表明电功率 是输出的。 和 方向相反，表明机械功率 是输入的。物理意义：原动机克服发电机的电磁转矩 ，驱动电枢以机械角速度 旋转，输入给发电机一机械功率 ，并等值地转换为电功率 输出。这就是

9、在直流发电机中机-电能量转换的功率。 电功率机械功率电磁功率 和 都是借助于气隙磁场而产生的，所以统称它们所对应的功率为电磁功率，也即机电能量转换功率，以 表示为，功率平衡式（并励直流发电机： ）直流发电机的输出功率电枢电路总电阻的铜损耗励磁电路电阻铜损耗 发电机的输入功率 空载损耗功率 同样不难推出直流电动机的功率平衡关系 电动机的输入功率 电动机的输出功率 直流电机的效率齿槽使磁通产生脉振而引起的铁损耗; 齿槽使气隙磁通在磁极表面横向扫动而产生的附加铁损耗; 均压线和换向电流产生的铜损耗; 电刷下电流密度不均匀引起的附加接触损耗; 电枢反应使磁场畸变引起的附加电枢铁损耗。直流电动机直流发电

10、机机械轴承摩擦、电刷与换向器的摩擦、电枢对空气的摩擦2-3 航空直流电机的换向定义：旋转的电枢绕组元件从条支路经过电刷进入另一条支路，其中电流方向的变化过程。换向过程：电磁、电热、电化学、机械相互影响 单叠绕组电路图 影响航空电机换向的因素线负荷大、转速高且变化范围大环境恶劣、振动大 换向不良的直接后果：火花电刷和换向器损坏产生电磁波和无线电干扰限制航空电机容量增加噪音换向元件：b换向周期：Tk 换向元件内的电势与换向前元件的电流方向相同，阻止换向电流的变化。 加换相极抵消。安装换向极 在两主极之间的几何中线位置安装换向磁极。 换向磁极绕组和电枢绕组串联，流过的是电枢电流 ，因为与换向元件电势的大小成比例变化，这样可保证在任何负载情况下都有良好的换向。 发电机中换向极的极性与换向元件即将进入的主磁极极性相同，电动机则