直流电机的磁场和电枢反应..

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 换，电能为：Ea U I a ra 2U I a I L I f
PM Ea I a UI L UI f I a2 ra 2UIa P2 p f pa pb
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
Ea U I a ra 2U

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。
电压平衡式
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。
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

Ia F j B j lI j B j l 2a
Da I a Da T j Fj B jl 2 2a 2
2 电枢绕组的电磁转矩
N
Da 2a 2
pN ∴ T 2a I a CT I a [N.m]
pN CT 9.55Ce 2a
电枢绕组的电磁转矩

转矩常数CT 与电势常数 Ce 的关系
60 CT Ce 9.55Ce 2


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。
a

j 1
j
2a
av
eav Bavl B l

B 分别是每极平均磁通密度与最 式中， Bav 、 Bav / B 是平均磁通密度与最大 大磁通密度； 磁通密度之比。
电枢绕组的感应电动势
因为线速度 又∵每极磁通 2 p n e ∴ 60 ∴ N

av
v 2 pn / 60
PM pa pb p f
PM P2 p0 P2 pFe pmec
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：
P 1 P 2 pmec pFe pad p f pb pa P 2 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
Bavl Bl
N 2 pn pN Ea eav n Ce n 2a 2a 60 60 a
0 的单位是韦伯(Wb )； 式中， Ce 是常数，
pN Ce 60 a
电枢绕组的感应电动势

∴电枢绕组的感应电动势
pz Ea n Ce n 60a
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 j l
整个电枢绕组共有 有效导体数为

N 2SNc
2 电枢绕组的感应电动势

电枢绕组的感应电动势
Ea
N / 2a j 1
e
j

一个支路有N/2a根导体均匀连续分布于一个 磁极下 E N / 2a e N e
K
式中： K —场漏磁通，一般可取1.15~1.25
K 1
（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
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。
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 pz pz Ce Ea n Ce n 60 a 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：

pn f 60
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 I a I L 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 电压，即 Ea U ，则
pz Ce 60 a



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。
直流电机的负载磁场
电wk.baidu.com磁场分布
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。

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：
P 1 P M pmec pFe pad
功率平衡式

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

式中： p —总损耗，
P 1 P 2 pmec pFe pad p f pb pa P 2 p
T T j 电枢绕组的电磁转矩 j 1 式中， Tj 是第j根导体产生的转矩 I a Da 一根导体受的平均电磁转矩 Tav Bav l 2a 2 ∴电枢绕组的电磁转矩 N Ia 又∵ D 2 p / 及 Bavl T T j NTav NBavl

j 1
功率平衡式

空载时电枢电流很小，I a I f ，所引起的 pa 和 p b 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
p P2 P 1 p 1 P P P 1 1 1

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： 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
Ea U
Ea Cen


则
Ea U I a ra 2U
16.4.3 功率平衡式
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要的作用。

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， B 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。
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 K 则
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。
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。
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 I a ra 2U I a I f Ea I a I a2 ra 2UIa I f U

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 ：
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。
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 N c 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）。
p p

mec
pFe pad p f 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
功率平衡式


不变损耗： 图中机械损耗 pmec和铁芯损耗 pFe空载时就存在， 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 p b 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。
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）
（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
U()
UN
0
INf
If
（三）空载磁场气隙磁密分布曲线
τ
B

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。
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 Fax 有两个分量：直轴电枢 磁势 Fadx 和交轴电枢磁势 Faqx 。 直轴电枢反应磁动势方向与主磁极极性相反时，是 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）