直流电机的磁场和电枢反应

pad —附加损耗，又称杂散损耗， pad 0.5 1%P2
把式（16-30）代入式（16-31）得
P1 P2 pmec pFe pad pf pb pa P2 p
式中： p —总损耗，
p
p mec
pFe
pad
pf
pb pa
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
pN 60a
n
Cen
式中，
0
的单位是韦伯(Wb
)；C
是常数，
e
Ce
pN 60a
20
电枢绕组的感应电动势
∴电枢绕组的感应电动势
Ea
pz 60a
n
Cen
pz Ce 60a
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
17
16.4.1 电枢绕组的感应电动势
1.导体中的感应电动势
e j B jl
整个电枢绕组共有 有效导体数为
N 2SNc
18
2 电枢绕组的感应电动势
电枢绕组的感应电动势
N /2a
Ea e j
j 1
一个支路有N/2a根导体均匀连续分布于一个
磁极下 Ea
N /2a
ej
j 1
N 2a
eav
电枢磁动势的计算见教材P306（了解）。
9
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。
饱和段：
U() UN
直流电机的工作点一般
在弯曲部分
0
INf
If
6
（三）空载磁场气隙磁密分布曲线
τ
B
7
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。
29
功率平衡式
空载时电枢电流很小，Ia I f ，所引起的 pa 和 pb 可忽略不计。
励磁损耗 p f 消耗的功率很小，一般仅为
p f 1 ~ 3%PM
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 P2与输入功率 P1之比
P2 P1 p 1 p
空载损耗
p0
T
PM
CT Ia
所引起的空载制动转矩为
T0
P0
pmec
pFe
pad
直流发电机的转矩平衡方程式为
T1 T0 T
36
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：T T0 T2
式中：电磁转矩
T PM
16.3 直流电机的磁场和电枢反应
直流电机工作时的磁场: 是由电机中各个绕组（包括励磁绕组、
电枢绕组、附加极绕组、补偿绕组等） 的总磁动势所共同产生的，其中励磁 绕组的磁动势起着最主时，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
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
4
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）
5
（二）磁化特性曲线
线性段: 膝部: (弯曲部)
轴上输出转矩
T2
P2
空载制动转矩
T0
P0
pad
pFe
pmec
37
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
Ea U 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；
10
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。
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K
K
K
1
式中：K—场漏磁通，一般可取1.15~1.25
3
（一）主磁通和漏磁通
32
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
Fj
BjlI j
Bjl
Ia 2a
Tj
Fj
Da 2
B
jl
Ia 2a
Da 2
33
2 电枢绕组的电磁转矩
电枢绕组的电磁转矩
N
T Tj j 1
60
CT 2 Ce 9.55Ce
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。
35
转矩平衡方程式
1.直流发电机转矩平衡式
由直原流动发机 电供 机给 的的电外磁施转机矩械T是转电矩磁为作T用1 使 发P1电机转子
受到制动的阻力转矩，即反转距（制动转矩）
式中，T j 是第j根导体产生的转矩
一根导体受的平均电磁转矩 Tav ∴电枢绕组的电磁转矩
Bavl
Ia 2a
Da 2
又∵ D 2 p /及 Bavl
T
N
Tj
j 1
NTav
NBavl
Ia 2a
Da 2
∴
T
pN
2a
I
a
CT [INa .m]
CT
pN
2a
9.55Ce
34
电枢绕组的电磁转矩
转矩常数CT与电势常数 Ce的关系
eav Bavl B l
式中，Bav 、B 分别是每极平均磁通密度与最 大磁通密度； Bav / B是平均磁通密度与最大
磁通密度之比。
19
电枢绕组的感应电动势
因为线速度 v 2 pn / 60
又∵每极磁通 Bavl Bl
∴ eav
2 pn 60
∴
Ea
N 2a
eav
N 2a
2 pn 60
换，电能为：Ea U Iara 2U Ia IL I f
PM EaIa UIL UI f Ia2ra 2UIa P2 p f pa pb
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：
P1 PM pmec pFe pad
27
功率平衡式
电压，即 Ea U ，则
Ea U Iara 2U
U—每一电刷的接触压降，通常可以认为 U为常 数，一般对石墨电刷的压降 U 1V
24
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Ea Cen，发电机的转速取决于 原动机，通常保持不变。
25
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：
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。
16
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。
PM P2 p0 P2 pFe pmec
31
功率平衡式
pad —附加损耗， 计及附加损耗的，直流电动机的功率平衡方程式：
P1 P2 pmec pFe pad pf pb pa P2 p
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
8
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 Nc 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。
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。
21
么么么么方面
Sds绝对是假的
电枢绕组的感应电动势
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B缘至几何中线处，磁通密 度沿曲线平滑下降，称边缘磁通。
2
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
28
功率平衡式
不变损耗： 图中机械损耗 pmec和铁芯损耗 pF空e 载时就存在，
总称空载损耗 p0 ，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 pa 和电刷接触压降损耗 pb 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。
I Ia I f
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
Ea U
Ea Cen
Ea U Iara 2U
26
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 PM ，实现机械能到电能的转
P1
P1
P1
30
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
P1 UI Ea Iara 2U Ia I f
EaIa Ia2ra 2UIa I fU
PM pa pb p f
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 PM ，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 P2 ：
11
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F两ax 个分量：直轴电枢磁势
和交轴Fa电dx 枢磁势 。
Faqx
直轴电枢反应磁动势方向与主磁极极性相反时，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
Ea
pz 60a
n
Cen
Ce
pz 60a
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：
f pn 60
23
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 Ia IL I f 式中：I L —负载电流，I f—励磁电流 发电机向负载供电，绕组的感应电动势应大于端
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）
12
直流电机的负载磁场
电枢磁场分布
13
14
15
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。