直流电机磁场及其电枢反应

直流电机磁场及其电枢反应第1页，共41页，2023年，2月20日，星期一16.3.1空载时直流电机的磁场

空载时，电枢电流为零，直流电机的气隙磁场由主磁极绕组的励磁电流所产生，由于励磁电流是直流，所以气隙磁场是一个不随时间变化的恒定磁场。空载:无负载→P2=0，I=0

空载时的磁场在空间分布，即一个极面下磁场分布，如图16-14所示，磁极面下磁阻较小且较均匀，故磁通密度较高为而两极之间的气隙处，磁通密度显著降低，从磁极边缘至几何中线处，磁通密度沿曲线平滑下降，称边缘磁通。第2页，共41页，2023年，2月20日，星期一空载时直流电机的磁场

电机主磁极产生的磁通分为两部分，主磁通通气隙，同时交链电枢绕组和励磁绕组，是电机中产生感应电动势和电磁转矩的有效磁通。

另外，由于磁极产生的磁通不可能全部通过气隙，总还有一小部分从磁极的侧面逸出，直接流向相邻的磁极，它只是与励磁绕组交链，不与电枢绕组交链，故称磁极漏磁通。设磁极产生的总磁通为则式中：—场漏磁通，一般可取1.15~1.25第3页，共41页，2023年，2月20日，星期一（一）主磁通和漏磁通

1.主磁通：经过主磁路的磁通，分别和定子，转子绕组匝链2.漏磁通：不与电枢绕组匝链磁通第4页，共41页，2023年，2月20日，星期一主磁通和漏磁通:

直流电机的主磁路包括以下组成部分：气隙、电枢齿、电枢磁轭、主磁极和定子磁轭。除气隙外，其他部分均由铁磁材料组成。主磁路和漏磁路示意图如图16-14（b）第5页，共41页，2023年，2月20日，星期一（二）磁化特性曲线线性段:

膝部:(弯曲部)饱和段：直流电机的工作点一般在弯曲部分UNINfIfU()0第6页，共41页，2023年，2月20日，星期一（三）空载磁场气隙磁密分布曲线τ第7页，共41页，2023年，2月20日，星期一16.3.2直流电机的负载磁场

当直流电机带有负载时，电枢绕组中有电流流过，电枢电流也将产生磁场，称作电枢磁场。首先讨论电枢磁场然后讨论由主极磁动势和电枢磁动势共同作用的合成磁场。

实际电机中，电刷放在磁极中心线上的换向片上，该转向片所连的线圈边在两磁极中间，即几何中心线（交轴线）附近。第8页，共41页，2023年，2月20日，星期一直流电机的负载磁场

图16-15（a）中电刷位置恰在交轴处，即电枢绕组电流改变方向处，电枢绕组由许多线圈组成，每个线圈跨距近似为极距，一个线圈有匝流过电流产生气隙磁动势为矩形波，所有电枢线圈产生的电枢磁势为阶梯波。如果沿电枢分布的线圈数趋于无限大，则电枢磁势波趋于三角波，如图16-15所示。电枢磁动势的计算见教材P306（了解）。第9页，共41页，2023年，2月20日，星期一16.3.3交轴电枢反应

当直流电机带有负载时，就有主磁极磁动势和电枢磁动势同时作用在空气隙。电枢磁动势的存在使空载磁场分布情况改变。电枢反应：负载时电枢磁动势对主极磁场的影响。交轴电枢反应：通常电刷处于交轴处，由于电枢磁动势的轴线总是与电刷轴线重合，故称为交轴电枢反应。图16-16（a）表示主磁极产生的气隙磁场分布；图16-16（b）表示电枢磁动势为三角波；图16-16（c）表示电枢磁通密度波呈马鞍形；图16-16（d）表示合成磁通密度波。第10页，共41页，2023年，2月20日，星期一交轴电枢反应交轴电枢反应对电机运行的影响：（1）电枢反应的去磁作用将使每极磁通略有减小。由于电机中磁饱和现象的存在，交轴电枢磁动势将产生去磁作用。（2）电枢反应使极面下的磁通密度分布不均匀。图16-16（d）可知交轴电枢反应使一般磁极面的磁通密度增大，而另一半极面下的磁通密度减少。电枢磁动势的存在使交轴处的磁场不为零，将妨碍线圈中的电流换向。如图16-18所示。第11页，共41页，2023年，2月20日，星期一16.3.4直轴电枢反应

若电刷不在几何中心线上，把电刷顺着发电机的旋转方向或逆着电动机的旋转方向移动一个角度，则电枢电流的分布也随之变化，电枢磁动势的轴线也随着电刷移动。此时的电枢磁势有两个分量：直轴电枢磁势和交轴电枢磁势。直轴电枢反应磁动势方向与主磁极极性相反时，是直轴去磁作用；直轴电枢反应磁动势方向与主磁极极性相同时，是直轴增磁作用。电枢反应磁势大小计算（了解）第12页，共41页，2023年，2月20日，星期一直流电机的负载磁场

电枢磁场分布第13页，共41页，2023年，2月20日，星期一第14页，共41页，2023年，2月20日，星期一第15页，共41页，2023年，2月20日，星期一直流电机的励磁磁场:①主磁通路径：所有那些由N极经过气隙到转子再由另一个气隙返回S极的磁通是直流电机中起有效作用的磁通，称为主磁通。②主磁通的作用：它能在旋转的电枢绕组中感应出电动势，并和电枢绕组的磁动势相互作用产生电磁转矩。③漏磁通路径和作用：不经过转子的磁通统称为漏磁通。漏磁通只增加磁极和定子磁轭的饱和程度，不产生电动势和转矩。第16页，共41页，2023年，2月20日，星期一16.4电枢绕组的感应电动势

和电压、功率及转矩平衡式

本节将分析电动势大小与每极磁通、电机转速、绕组型式、电刷位置的关系。为了便于理解，分析时作以下假定：

(1)电枢表面光滑无槽；

(2)电枢绕组导线数目极多，在电枢表面均匀连续分布；

(3)绕组为整距元件；

(4)电刷位置在磁极的中心线上。

第17页，共41页，2023年，2月20日，星期一16.4.1电枢绕组的感应电动势1.导体中的感应电动势

整个电枢绕组共有有效导体数为

第18页，共41页，2023年，2月20日，星期一2电枢绕组的感应电动势

电枢绕组的感应电动势

一个支路有N/2a根导体均匀连续分布于一个磁极下式中，、分别是每极平均磁通密度与最大磁通密度；是平均磁通密度与最大磁通密度之比。

第19页，共41页，2023年，2月20日，星期一电枢绕组的感应电动势因为线速度又∵每极磁通

∴

∴式中，的单位是韦伯(Wb)；是常数，第20页，共41页，2023年，2月20日，星期一电枢绕组的感应电动势∴电枢绕组的感应电动势上式是电刷在交轴且绕组为整距时，直流电机感应电动势的计算公式。（1）如果绕组短距或电刷不在交轴处，使支路中一部分导体的感应电动势因磁场方向相反而反相，相互抵消，导致电刷间电动势的减小。（2）负载时交轴电枢反应使极面下磁通密度的分布发生畸变，又由于磁饱和影响，产生交轴电枢反应去磁作用，电刷间的感应电动势与极面下磁通密度的分布情况无关，但是与极面下总磁通量成正比，这样负载的感应电动势比空载时略小。第21页，共41页，2023年，2月20日，星期一电枢绕组的感应电动势电刷在交轴且绕组为整距时，直流电机感应电动势的计算公式电刷间电动势为直流，但是电枢导体的感应电动势是交变的，其频率为：第22页，共41页，2023年，2月20日，星期一16.4.2电压平衡式1.直流发电机电压平衡式并励直流发电机电路图如图16-22（a）所示并励发电机的电枢电流为式中：—负载电流，—励磁电流发电机向负载供电，绕组的感应电动势应大于端电压，即，则

—每一电刷的接触压降，通常可以认为为常数，一般对石墨电刷的压降第23页，共41页，2023年，2月20日，星期一电压平衡式发电机中感应电动势与电流方向一致，电机输出电功率。绕组感应电动势，发电机的转速取决于原动机，通常保持不变。第24页，共41页，2023年，2月20日，星期一电压平衡式2.电动机电压平衡式并励直流电动机电路如图16-22（b）所示。电源流入电动机的电流为：在电动机中感应电动势的方向与电枢电流的方向相反，称反电动势，反电势较端电压小，即则第25页，共41页，2023年，2月20日，星期一16.4.3功率平衡式1.直流发电机功率平衡式把式（16-26）和式（16-27）相乘，可得并励直流发电机的电磁功率，实现机械能到电能的转换，电能为：发电机输入的是机械功率，外施机械功率不能全部转化为电磁功率，因此，输入功率为：第26页，共41页，2023年，2月20日，星期一功率平衡式—附加损耗，又称杂散损耗，把式（16-30）代入式（16-31）得式中：—总损耗，上式是并励发电机的功率平衡方程式，由此可画出并励直流发电机功率流程图，如图16-23所示第27页，共41页，2023年，2月20日，星期一功率平衡式不变损耗：图中机械损耗和铁芯损耗空载时就存在，总称空载损耗，当负载变化时，它们的数值基本不变，故称为不变损耗。可变损耗：电枢绕组的铜损耗和电刷接触压降损耗是由负载电流所引起的，称负载损耗，受负载电流大小而变化，故又称可变损耗。第28页，共41页，2023年，2月20日，星期一功率平衡式空载时电枢电流很小，，所引起的和可忽略不计。励磁损耗消耗的功率很小，一般仅为并励发电机的励磁损耗与负载电流大小无关，可认为是不变损耗。效率:输出功率与输入功率之比第29页，共41页，2023年，2月20日，星期一功率平衡式2.直流电动机功率平衡式并励直流电动机由电网供给的电功率为输入功率，即直流电动机的输入功率扣除电枢铜损耗、电刷的电损耗及励磁损耗后才是电枢绕组吸收的电磁功率，即电功率转换成机械功率，但是它并不是电动机的轴上输出有效的机械功率：第30页，共41页，2023年，2月20日，星期一功率平衡式—附加损耗，计及附加损耗的，直流电动机的功率平衡方程式：上式是并励电动机的功率平衡方程式，由此可画出并励直流电动机功率流程图，如图16-24所示第31页，共41页，2023年，2月20日，星期一16.5电枢绕组的电磁转矩和

转矩平衡方程式

电枢绕组中流过电流，它与电机磁场相互作用，将产生电磁力，电枢受到一个电磁转矩。1一根导体受的电磁力产生的电磁转矩

第32页，共41页，2023年，2月20日，星期一2电枢绕组的电磁转矩

电枢绕组的电磁转矩式中，是第j根导体产生的转矩一根导体受的平均电磁转矩∴电枢绕组的电磁转矩又∵∴[N.m]

第33页，共41页，2023年，2月20日，星期一电枢绕组的电磁转矩转矩常数与电势常数的关系

电磁转矩也可由电磁功率求得。绕组不是整距、电刷位置位移以及气隙磁场变化等也会对电磁转矩产生影响。第34页，共41页，2023年，2月20日，星期一转矩平衡方程式1.直流发电机转矩平衡式由原动机供给的外施机械转矩为直流发电机的电磁转矩T是电磁作用使发电机转子受到制动的阻力转矩，即反转距（制动转矩）空载损耗所引起的空载制动转矩为直流发电机的转矩平衡方程式为第35页，共41页，2023年，2月20日，星期一转矩平衡式2.直流电动机转矩平衡式直流电动机的电磁转矩是用以带动机械负债的驱动转矩。电动机的转矩平衡方程式：式中：电磁转矩轴上输出转矩空载制动转矩第36页，共41页，2023年，2月20日，星期一转矩平衡式任何直流电机既可以作为发电机，又可以作为电动机。（1）若电机由原动机驱动，且电枢的感应电势则电枢向电网输出电流，此时电磁转矩是起制动作用的制动转矩，电机为发电机状态；（2）若电枢的感应电势则电枢电流和相应的的电磁转矩将变为零，电机为理想空载状态；（3）若电枢的感应电势，则电网向电枢输入电流，此时电磁转矩是起拖动作用的驱动转矩，电机为电动机状态。第37页，共41页，2023年，2月20日