第三讲 直流电机磁场

二、直流电机的空载磁场
空载主磁场的分布： 空载主磁场的分布：
1.磁极中心及附近 磁极中心及附近 =>大、常数 大 2.靠近极尖处 靠近极尖处 =>减少 减少 3.极尖以外 极尖以外 =>显著减少 显著减少 4.几何中性线 几何中性线 =>为零 为零
二、直流电机的空载磁场
空载主磁场的分布： 空载主磁场的分布：
1 2
2ia2aia 2i
四、直流电机中的换向
n
ia
ia
ia
ia
ia
ia
2 ia
2 ia
2 ia
直流电机电枢绕组元件的换向过程 a)换向开始瞬间 b)正在换向瞬间 c)换向结束瞬间 换向开始瞬间 正在换向瞬间 换向结束瞬间
Hale Waihona Puke 、直流电机中的换向元件从开始换向到换向终了所经历的时间， 元件从开始换向到换向终了所经历的时间，称为换向 换向周期通常只有千分之几秒。 周期 Tk 。换向周期通常只有千分之几秒。直流电机在运 行中，电枢绕组每个元件在经过电刷时都要经历换向过程。 行中，电枢绕组每个元件在经过电刷时都要经历换向过程。 换向问题很复杂， 换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产 生火花。当火花大到一定程度， 生火花。当火花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表 使电机不能正常工作。 面，使电机不能正常工作。 产生火花的原因很多，除了电磁原因外， 产生火花的原因很多，除了电磁原因外，还有机械原 化学原因。 因、化学原因。
二、直流电机的空载磁场
空载的含义: 空载的含义:
作为发电机，电源输出端不接任何电负载； 作为发电机，电源输出端不接任何电负载； 作为电动机，机械输出端不接任何机械负载。 作为电动机，机械输出端不接任何机械负载。 用电枢电流表示：电枢电流等于零或小得可以 用电枢电流表示： 忽略不计的情况。 忽略不计的情况。
四、直流电机中的换向
为在负载变化时始终 有效地改善换向， 有效地改善换向，换向 极绕组中应流过电枢电 流，即换向极绕组与电 枢绕组串联。 枢绕组串联。
Si
· · ·
换向极电路及磁通
Ni
四、直流电机中的换向
(2)调整电刷的位置 调整电刷的位置 在小容量无换向极的直流电机中， 在小容量无换向极的直流电机中，将电刷从电枢几何中 性线移开一个适当角度，用主磁场来代替换向极磁场， 性线移开一个适当角度，用主磁场来代替换向极磁场，也可 改善换向。移动电刷的方向规定为： 改善换向。移动电刷的方向规定为：当电机运行于电动机状 态时，电刷应逆着电枢旋转方向移动； 态时，电刷应逆着电枢旋转方向移动；而运行于发电机状态 时，电刷则应顺着电枢旋转方向移动。若方向不正确将使电 电刷则应顺着电枢旋转方向移动。 机换向更加恶化。 机换向更加恶化。 (3)增加换向回路的电阻。 (3)增加换向回路的电阻。 增加换向回路的电阻 电刷与换向器之间的接触电阻是换向回路中最重要的 电阻，不同牌号的电刷具有不同的接触电阻， 电阻，不同牌号的电刷具有不同的接触电阻，选择合适的 电刷能改善换向。 电刷能改善换向。
四、直流电机中的换向
2 、换向元件中的电动势
换向元件与换向过程中产生的电动势分为两类： 换向元件与换向过程中产生的电动势分为两类： 电抗电动势和电枢反应电动势。 电抗电动势和电枢反应电动势。 1.电抗电动势 电抗电动势 换向元件（线圈）在换向过程中电流改变， 换向元件（线圈）在换向过程中电流改变，因此必有自 感作用；同时进行换向的元件不止一个， 感作用；同时进行换向的元件不止一个，换向元件与换向元 件之间，又有互感作用。因此，换向元件中电流变化时， 件之间，又有互感作用。因此，换向元件中电流变化时，必 然出现由自感与互感作用所引起的感应电动势， 自感电 然出现由自感与互感作用所引起的感应电动势，即(自感电 这个电动势称为电抗电动势。 动势和互感电动势 )这个电动势称为电抗电动势。 这个电动势称为电抗电动势 根据楞次定律，自感电动势、 根据楞次定律，自感电动势、互感电动势总是阻碍电流 变化的，也就是阻碍换向的。 变化的，也就是阻碍换向的。
四、直流电机中的换向
(4)装设防止环火的补偿绕组 装设防止环火的补偿绕组 所谓环火，是指电机正、负电刷之间出现电弧， 所谓环火，是指电机正、负电刷之间出现电弧，电弧被 拉长， 拉长，直接从一种极性的电刷跨过换向器表面到达相邻的 另一极性的电刷，使整个换向器表面布满环型电弧。 另一极性的电刷，使整个换向器表面布满环型电弧。 出现环火，可在很短时间内损坏电机。为避免环火现 出现环火，可在很短时间内损坏电机。 采用补偿绕组是有效方法之一。 象，采用补偿绕组是有效方法之一。补偿绕组嵌置在主磁 极极靴上专门冲制的槽内。其中流过的是电枢电流， 极极靴上专门冲制的槽内。其中流过的是电枢电流，所以 补偿绕组应与电枢绕组串联， 补偿绕组应与电枢绕组串联，其电流方向与对应极下电枢 绕组的电流方向相反， 绕组的电流方向相反，显然它产生的磁动势与电枢反应磁 动势方向相反，从而补偿了电枢反应的影响。 动势方向相反，从而补偿了电枢反应的影响。
I = Ia = I f
U I Ia If
M
优点：过载能力强。 优点：过载能力强。 应用：电力机车、起重机等。 应用：电力机车、起重机等。 注意：很少用于调速控制上。 注意：很少用于调速控制上。
一、直流电机的励磁方式
4.复励 复励
综合了并励和串励的形式。 综合了并励和串励的形式。
一般一个为主、一个为辅。 一般一个为主、一个为辅。 大型电机一般都做成复励。 大型电机一般都做成复励。
va
电刷与换向片1接触时，元件 中的电流方向 电刷与换向片 接触时，元件1中的电流方向 i 接触时 如图所示， 如图所示，大小为 i = i a
=i = iiaa −
ii11
ia ia i2
= ia ii= −ia
元件1 元件 电枢移到电刷与换向片2接触时，元件1被短路， 1 电枢移到电刷与换向片 接触时，元件 被短路， 接触时 被短路 电流被分流。如图所示。 电流被分流。如图所示。 电刷仅与换向片2接触时，元件1 中的电流方向 电刷仅与换向片 接触时，元件 接触时 如图所示，大小为 i = −ia 。 如图所示，
二、直流电机的空载磁场
主磁极的特点： 主磁极的特点：
极靴 极身 几何中性线
1.磁极中心及附近 磁极中心及附近 的气隙小且均匀； 的气隙小且均匀； 2.靠近极尖处，气 靠近极尖处， 靠近极尖处 隙逐渐变大； 隙逐渐变大； 3.极尖以外，气隙 极尖以外， 极尖以外 明显增大； 明显增大； 4.几何中性线，两 几何中性线， 几何中性线 个磁极中间位置。 个磁极中间位置。
1.磁极中心及附近 磁极中心及附近 =>大、常数 大 2.靠近极尖处 靠近极尖处 =>减少 减少 3.极尖以外 极尖以外 =>显著减少 显著减少 4.几何中性线 几何中性线 =>为零 为零
二、直流电机的空载磁场
有一个假设条件： 忽略电枢齿槽的影响。 有一个假设条件： 忽略电枢齿槽的影响。
空载磁场气隙磁密分布曲线
τ Bx
τ
二、直流电机的空载磁场
直流电机磁密分布
二、直流电机的空载磁场
空载磁化曲线
Φ0 = f (F f 0 )
Φ0
不饱和
或
Φ0 = f (I f 0 )
ΦN
A
饱和
A-膝点
0
I fN FfN
If0 Ff 0
三、电枢反应
电枢磁场
定义： 定义：
电枢磁场对气隙磁 场的影响称为电枢反应 电枢反应。 场的影响称为电枢反应。
四、直流电机中的换向
3 改善换向的方法
从产生火花的电磁原因出发， 从产生火花的电磁原因出发，减少换向元件的电抗电 动势和电枢反应电动势，限制换向元件中的附加电流， 动势和电枢反应电动势，限制换向元件中的附加电流，就 可以有效地改善换向。 可以有效地改善换向。 改善换向常用的方法有以下4种 改善换向常用的方法有以下 种： (1)安装换向极 安装换向极 这是目前改善换向最有效的方法。一般容量为1kW以 这是目前改善换向最有效的方法。一般容量为 以 上的直流电机都装有换向极。 上的直流电机都装有换向极。 换向极安装在主磁极之间，换向极极性确定的原则是 换向极安装在主磁极之间， 换向极绕组产生的磁动势的方向是电枢反应磁动势的相反 方向，大小比电枢反应磁动势略大。 见下图 见下图) 方向，大小比电枢反应磁动势略大。(见下图
三、电枢反应
影响： 影响：
1．使气隙磁场发生畸变； ．使气隙磁场发生畸变；
2．磁场等于零的点偏离几 ． 何中性线，到物理中性线； 何中性线，到物理中性线；
三、电枢反应
2.关于饱和 关于饱和
(1)不考虑饱和，一个磁极下， 不考虑饱和，一个磁极下， 不考虑饱和 增强的与削弱的相同， 增强的与削弱的相同，总量不 变；
他励
并励
串励
复励
一、直流电机的励磁方式
1.他励： 他励： 他励 励磁绕组与电枢绕组之间无电的联系
Ia = I
1）要求电机控制的场合； （1）要求电机控制的场合； （2）控制微电机； ）控制微电机； （3）永磁电机； ）永磁电机； 显然：主要用作电动机。 显然：主要用作电动机。
一、直流电机的励磁方式
(2)考虑饱和时，一个磁极 考虑饱和时， 考虑饱和时 增强的少于削弱的， 下，增强的少于削弱的，总 量减少。
四、直流电机中的换向
1、换向过程的基本概念 、
换向是指直流电机的电枢绕组元件从一条支路经过电刷进入另一条 换向是指直流电机的电枢绕组元件从一条支路经过电刷进入另一条 支路，该元件电流从一个方向变换为另一个方向。 支路，该元件电流从一个方向变换为另一个方向。 为了分析方便假定换向片的宽度等于电刷的宽度。 为了分析方便假定换向片的宽度等于电刷的宽度。
τ
（a）气隙形状
二、直流电机的空载磁场