直流电机磁场.docx

电机的主磁场一般由套在主极铁心上的励磁绕组通过电流产生励磁绕组与电枢回路之间的连接方式有：他励、并 励、串励、复励不同的励磁方式对电机的性能将产生较大的影响直流电机空载时的磁场由励磁绕组单独激励，其分布取决于磁路的情况一般情况下，直流电机的空载磁通密度分 布呈平顶波当直流电机负载时，电枢绕组绕组中的电枢电流将产生电枢磁势，电枢磁势对主磁场的分布和主磁通的大小将产生 一定的影响，这种影响称为电枢反应交轴电枢反应将使主磁场发生畸变，当磁路饱和时会对主磁场产生去磁作用当电刷偏离几何中性线时，还将产生 去磁或者增磁的直轴电枢反应发电机和电动机是直流电机的两种运行状态在两种状态下，电枢绕组中均产生感应电势感应电势的公式Ea=CeOn表明感应电势的大小正比于转速及每极磁通在发电机中Ea>U,在电动机中U>Ea同样，直流发电机和电动机中均存在电磁转矩其公式T=CT3a表明电磁转矩的大小正比于电枢电流和每极磁通 在发电机中,电磁转矩是阻力转矩,在电动机中电磁转矩是拖动转矩直流电机的电势平衡方程反映了电机电路中各种量之间的关系功率平衡方程表明了输入功率、输出功率和各种损 耗之间的关系电磁功率PM=TQ=Eala显示了机械功率和电磁功率之间的转换关系。

1.4 直流电机的磁场（返回顶部）直流电机中除主极磁场外，当电枢绕组中有电流流过时，还将会产生电枢磁场电枢磁场与 主磁场的合成形成了电机中的气隙磁场，它是直接影响电枢电动势和电磁转矩大小的要了解气隙磁 场的情况，就要先分析清楚主磁场和电枢磁场的特性1.4.1 直流电机的空载磁场（返回顶部）直流电机的空载是指电枢电流等于零或者很小，且可以不计其影响的一种运行状态，此时电机无负载， 即无功率输出所以直流电机空载时的气隙磁场可以看作就是主磁场，即由励磁磁通势单独建立的磁 场当励磁绕组通入励磁电流，各主磁极极性依次呈现为"极和泾极，由于电机磁路结构对称，不论极 数多少，每对极的磁路是相同的，因此只要分析一对极的磁路情况就可以了图1.16是一台四极直流电机空载时的磁场分布示意图（一对极的情形）从图中看出，由"极出来的磁通，大部分经过气隙进入电枢齿部，再经过电枢磁轭到另一部分的电枢齿，又通过气隙进入琵极，再经过定子磁轭回到原来出发的"极，成为闭合回路这部分磁通同时匝链着励磁绕组和电枢 绕组，电枢旋转时，能在电枢绕组中感应电动势，或者产生电磁转矩，把这部分磁通称为主磁通，用©表示此外还有一小部分磁通不进入电枢而直接经过相邻的磁极或者定子磁轭形成闭合回路，这0部分磁通仅与励磁绕组相匝链，称为漏磁通，用©口表示。

由于主磁通磁路的气隙较小，磁导较大， 漏磁通磁路的气隙较大，磁导较小，而作用在这两条磁路的磁通势是相同的，所以漏磁通在数量上比 主磁通要小得多，大约是主磁通的20%左右图 1.16 直流电机空载时的磁场分布示意图1— 极靴；2—极身；3—元子磁轭；4—励磁绕组；5—气隙；6—电枢齿；7—电枢磁轭由于主磁极极靴宽度总是比一个极距要小，在极靴下的气隙又往往是不均匀的，所以主磁通的每条磁 力线所通过的磁回路不尽相同，在磁极轴线附近的磁回路中气隙较小；接近极尖处的磁回路中气隙较 大如果不计铁磁材料中的磁压降，则在气隙中各处所消耗的磁通势均为励磁磁通势因此，在极靴 下，气隙小，气隙中沿电枢表面上各点磁密较大；在极靴范围外，气隙增加很多，磁密显著减小，至 两极间的几何中性线处磁密为零不考虑齿槽影响时，直流电机空载磁场的磁密分布如图1.17所示图 1.17 直流电机空载磁场的磁密分布在直流电机中，为了感应电动势或产生电磁转矩，气隙里要有一定数量的主磁通也就是需要有0一定的励磁磁通势耳或者当励磁绕组匝数一定时，需要有一定的励磁电流‘代把空载时主磁通©与空载励磁磁通势耳或空载励磁电流耳的关系，即©二与』或©二川沁，称为直流电机 0 0 0的磁化曲线，它表明了电机磁路的特性。

电机的磁化曲线可通过电机磁路计算来得到直流电机磁路计算内容是：已知气隙每极磁通为©，求出直流电机主磁路各段中的磁压降，各段磁0压降的总和便是励磁磁通势 耳0对于给定的不同大小的©用同一方法计算，得到与©相应的不0 0同 賂,经多次计算，便得到了空载磁化曲线©二/（巧』0直流电机主磁通的磁回路从图1.16中可看出主要包括这样几段：两段主磁极、两段气隙、两段电枢 齿部、电枢磁轭、定子磁轭对于每一段磁路，都是根据已知的©，算出磁密B，再找出相应的磁场 强度H，分别乘以各段磁路长度后便得到磁压降气隙部分的磁导率是常数，不随©而变，或者说 气隙磁压降与©成正比但其它各段磁路，都是铁磁材料构成，它们的B与H之间是非线性关系， 具有磁饱和的特点，也就是说它们的磁压降与©不成正比，也具有饱和现象，当©大到一定程度后， 出现饱和，©再增大，H或磁压降就急剧增大0因此，造成了直流电机©大到一定程度后，磁路总 0 0磁压降即励磁磁通势耳0急剧增大，电机的磁化曲线具有饱和现象，如图2.18所示图 1.18 电机的磁化曲线考虑到电机的运行性能和经济性，直流电机额定运行的磁通额定值的大小取在磁化曲线开始弯曲的地 方（称为膝部），如图 1.18 中的 a 点（称为膝点），对应的© 系指在空载额定电压时的每极磁通，N 对应的励磁磁通势为 F 。

fN1.4.2 直流电机负载时的磁场和电枢反应（返回顶部）当电机带上负载后，电枢绕组中就有电流流过，在电机磁路中，又形成一个磁通势，这个磁通势称为 电枢磁通势因此，负载时的气隙磁场将由励磁磁通势和电枢磁通势共同作用所建立电枢磁通势的 出现，必然会影响空载时只有励磁磁通势单独建立的磁场，有可能改变气隙磁密分布及每极磁通量的 大小通常把负载时电枢磁通势对主磁场的这种影响称为电枢反应，电枢反应对直流电机的运行性能 影响很大电枢磁通势如何影响电机中的主磁场呢？下面先分析清楚电枢磁通势和电枢磁场的特性，然后把两种磁场合成起来，再考虑到饱和问题，就可 以看清楚电枢磁通势对主磁场的影响了1．电枢磁通势和电枢磁场电枢磁通势是由电枢电流所产生的，从对电枢绕组的分析可知，不论什么型式的绕组，其各支路中的 电流是通过电刷引入或引出的在一个极下元件边中电流方向是相同的，相邻的不同极性的磁极下元 件边中电流方向总是相反的因此，电刷是电枢表面电流分布的分界线在电枢磁通势的作用下，电 刷在几何中性线上时的电枢磁场分布如图1.19所示图 1.19 电刷在几何中性线上时的电枢磁场分布由于电刷和换向器的作用，尽管电枢是旋转的，但是每极下元件边中的电流方向是不变的，因此电枢 磁通势以及由它建立的电枢磁场是不动的。

电枢磁场的轴线总是与电刷轴线重合，并与励磁磁通势产 生的主磁场轴线相互垂直现在研究电枢磁通势的大小和电枢磁场的磁密沿电枢表面分布的情况首先讨论一个元件所产生的电 枢磁通势设电枢槽内仅嵌放一个元件，该元件轴线(即元件的中心线)与磁极轴线垂直，即元件边位于磁极轴 线上，如图1.20 (a)所示元件有％匝，元件中的电流为5,则元件边所产生的磁通势为叮列安 培导线数由该元件所建立的磁场的磁力线的路径如图1.20(a)所示设想将电机从於处切开， 展平如图1.20 (b)所示根据全电流定律可知，每个磁回路的磁通势均为％码每根磁力线通过 两次气隙，若不计铁磁材料中的磁压降，则磁通势全部消耗在气隙中在直流电机中，与磁极轴线等距离处的气隙大小相等，所以磁力线通过一次气隙所消耗的磁通势则为磁力线所包围的全电流的一半,即1/2 若以几何中性线为纵轴，电枢周长为横轴，但规定磁通势方向与磁力线方向一致，即 正磁通势表示由它产生的磁通方向从电枢到主磁极，负磁通势则为从主磁极到电枢作这些规定后， 一个元件所消耗于气隙的磁通势的空间分布为r £-—c x < —2 2r 3t(1.15)—< x < —2 2将式（1.15）用曲线形式表示，如图1.20 （b）中所示。

从图中看出，一个宽度为一个极距疔的元件 所产生的电枢磁通势在空间的分布为一个以2厂为周期，幅值为1/2 的矩形波Fax1/ZiaNyXIIJab〕图 1.20 一个元件所产生的电枢磁通势a）磁力线分布 b）磁通势分布若电枢表面均匀分布四个元件，如图1.21所示根据上面分析，每个元件的磁通势空间分布均为一 个高为1/2 %兀、宽度为厂的矩形波把这样的四个矩形波叠加起来，可得一个每级高度为%叫、 阶梯级数为2的阶梯形波图 1.21 四个元件所产生的电枢磁通势如果电枢表面均匀分布的元件数目较多，那么总的电枢磁通势波形会接近图 1.21 中所表示的三角形 波由于实际电机中，电枢上元件很多，可近似地认为电枢磁通势分布波形为一三角形波，其轴线即 位于三角形的顶点上设"为电枢绕组的总导线数，£为元件数，戸为极对数，厂为极距，°口为电枢直径，则阶梯级数为刃心勿，且阶梯形波或三角形波的幅值为氐二心—(&2賢(1.16)把2PT = ^Da和"二站坷代入式(2.16)得(1.17)式中担二曲K心J――电枢表面单位长度上的安培导体数，称为线负荷(A/m)知道了电枢磁通势分布曲线，在忽略铁心中磁阻的情况下，即可求出电枢磁场的磁密沿电枢表面的分布曲线。

这条 曲线表示为% = CT（1.18）式中 帛——气隙长度（m）；丘__真空中的磁导率，处二仏“尸「讪£如果气隙是均匀的，即占为常数，则在极靴范围内，磁密分布也是一条直线但在两极极靴之间的 空间内，因气隙长度大为增加，磁阻急剧增加，虽然此处磁通势较大，磁密却反而减小，因此磁密分 布曲线是马鞍形，如图1.22中所示图 1.22 磁场分布和电枢反应2．负载时的合成磁场和电枢反应 以直流电动机为例，把主磁场与电枢磁场合成，将合成磁场与主磁场比较，便可看出电枢反应的作用 在图2.22中，表明了磁极极性和极下元件边中的电流方向根据左手定则，决定转动方向为由右向 左再按磁力线方向与磁通势方向一致的原则，分别画出主磁场分布曲线衣血二了 1（对及电枢磁场分 布曲线弘二壬㈤若磁路不饱和，可用迭加原理，将且应二禺（◎与巴” =/iW沿电枢表面逐点相加， 便得到负载时气隙内合成磁场分布曲线%二了少（如图2.22中实线所表示）将%二了少 和 弘二拆（对比较，得出：（1）使气隙磁场发生畸变每一磁极下，因为电枢磁场使主磁场一半被削弱，另一半被加强， 并使电枢表面磁密为零的位置由空载时在几何中性线逆转向移动了一个角度空。

称通过电枢表面磁 密为零的这条直线为物理中性线故在空载时，物理中性线与几何中性线重合；负载时，由于电枢反 应的影响，气隙磁场发生畸变，物理中性线与几何中性线不再重合，而且磁场的分布曲线也与空载时 不同2）对主磁场起去磁作用在磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量恰好等于被加强的数量（图2.22 中表示出面积耳二禺），因此负载时每极下的合成磁通量与空载时相同但在实际电机中，磁路总 是饱和的因为在主磁极两边磁场变化情况不同，一边是增磁的，另一边是去磁的主极的增磁作用 会使饱和程度提高，铁心磁阻增大，从而使实际的合成磁场曲线（图中用虚线表示）比不计饱和时要 低些，与不饱和时相比，增加的磁通要少些；主极的去磁作用可使饱和程度降低，铁心磁阻减小，结 果使实际的合成磁场曲线（图中用虚线表示）比不计饱和时略高些，与不饱和时相比，减少的磁通要 少些由于磁阻变化的非线性，磁阻的增大比磁阻的减小要大些，增加的磁通就会小于减少的磁通（图 2.22中表示出面积显V毘），因此负。