直流电机空载和负载的磁场
直流电机的磁场和电枢反应
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
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
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。
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）
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：
第05讲直流电机的磁场分析
8
1 ——主磁极
1
S
7
2 ——空气隙 3 ——电枢齿 4 5 6 7 8 ——电枢轭 ——电枢齿 ——空气隙 ——主磁极 ——定子轭
N 2
3
4
5
6
直流电机磁路的几点说明
主磁路的主体部分由导磁材料构成，同时与定子绕组（励磁 绕组）和转子绕组（电枢绕组）交链。
漏磁路经过相邻两极间的空间闭合，其主体部分为空气，只
和励磁绕组本身交链。 主磁通穿越空气隙，被电枢绕组切割，是产生感应电动势和 电磁转矩的主角。 漏磁通不穿越空气隙，不被电枢绕组切割，不参与能量转换，
只会增加磁路的饱和度。
漏磁通大约是主磁通的20%。
二、空载气隙磁通密度的分布波形
2 Ff 2 Rmd + RmFe Ff Rmd Ff 1 d m0 lD
三、补偿绕组
电枢磁势会产生电枢反应，电枢反应会对电机的 性能产生不利影响。 装设补偿绕组是克服电枢反应的基本方案。 补偿绕组安装在磁极表面的槽中，它与电枢绕组 串联，但产生的磁势与电枢绕组磁势相反。 补偿绕组提高了电机的成本，只有在对电机要求 较高时，才加装补偿绕组。
N
S
n性线
几何中性线
几何中性线
Bd
t
3 负载磁场分析(电枢反应）
一、电枢磁动势及电枢磁场的分布
空载运行时，电枢绕组中的电流为0，气隙磁场是由励磁 绕组单独产生的，称为励磁磁场或者主磁场，其波形为帽形。 负载后，电枢绕组有会流过电枢电流,在主磁路上产生电 枢磁动势(磁通势),在气隙中形成电枢磁场。 电枢磁场的轴线与电刷连线重合，与主磁场相互垂直。
D
Ff = I f N f
F ¢=
永磁直流电机空载电流大的原因
永磁直流电机空载电流大的原因
永磁直流电机空载电流大的原因如下：
1.磁场饱和：在永磁同步电机的空载运行过程中，由于磁场未被负载完全吸收，磁场可能
会饱和，导致电机产生额外的磁通和电流消耗。
2.铁心损耗：永磁同步电机的铁心材料在交变磁场的作用下会产生涡流损耗和剩余磁化损
耗，造成空载电流的产生。
3.控制策略：某些控制策略可能会引起永磁同步电机的空载电流增加，例如使用较低的电
机电压或过高的励磁电流。
为了降低永磁直流电机的空载电流，可以采取以下措施：
1.优化磁路设计：合理设计电机的磁路结构和材料，以减少磁场饱和现象的发生。
通过增
加磁路断面积、改进磁路导磁材料等方式，提高电机的磁路饱和磁感应强度。
2.选择合适的铁心材料：选择具有低涡流损耗和剩余磁化损耗的铁心材料，减少铁心损耗
对空载电流的影响。
常用的铁心材料包括硅钢片和铁氧体材料。
3.优化控制策略：优化永磁同步电机的控制策略，例如采用合适的电压控制和励磁电流控
制方式，使得电机在空载运行时能够更加高效地工作，减少无效的电流消耗。
直流电机的磁场
磁化曲线的纵坐标有时不用F0，而用If表示，它们之间只差一个与励磁绕组匝数有关的比例系数，此外，纵坐标也可以用空载时的电枢电压U代替，当电机转速恒定时，U与Φ0，之间也只相差一个与电枢绕组匝数有关的比例系数。因此，磁化曲线可表示为U＝f(If)和Φ0=f(If)或U=f(F0)等多种形式，只需变换一下有关比例系数即可。
3.2 直流电机的电枢磁动势和磁场
电刷放在几何中性线上时的电枢磁动势和磁场
电刷不在几何中性线上时的电枢磁动势
直流电机空载时的气隙磁场仅由主极的励磁磁动势所建立。当电机有负载时，电枢绕组中有电流通过，产生的磁动势称为电枢磁动势。此时，气隙磁场就由主极磁动势与电枢磁动势两者的合成磁动势所建立。正是由于这两个磁动势的互相作用，直流电机才能进行机电能量转换。
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
两个齿，计算高度为2hz，磁场强度为Hz。
两个主极，计算高度为2hm，磁场强度为Hm。
一个定子轭，平均长度为Lj，磁场强度为Hj。
一个转子(电枢)轭，平均长度为La，磁场强度为Ha，用磁路计算方法求得磁动势F0，以及相应的励磁电流If。
两个气隙，计算长度为2δ，磁场强度为Hδ。
当电刷放在几何中性线上时，电枢磁势全部为交轴分量，直轴分量为零。因此这时只有交轴电枢反应。此时电机中的磁场应由主极磁势和交轴电枢磁势共同建立，如图a所示。由图可见磁场发生了畸变，电枢圆周上连接电刷的几何中性线处出现了磁通，而实际的磁密为零之点偏移了一个α角。我们将电枢圆周上通过圆心和磁密为零之点的直线称为物理中性线。
直流电机有负载时，由于电枢反应的去磁作用和电枢回路的电阻压降，使发电机端电压比空载时低。为了保持发电机的端电压不变，负载时必须增加主极的励磁电流， 以补偿电枢反应和电阻压降。
直流电机的磁场要点
场越强，电枢反应的影响就越大，正是电枢磁场与主极 磁场的相互作用而产生电磁转矩，从而实现了机电能量 的转换。
1.2.3 电枢反应
所谓电枢反应是指电枢磁场对主磁场的影响，电 枢反应对电机的运行性能有很大的影响。如图1.18（c） 所示为主极磁场和电枢磁场合在一起而产生的合成磁 场。与图1.18（a）比较可见由于带负载后出现的电枢 磁场，对主极磁场的分布有明显的影响，这种影响称 为电枢反应，对磁场的影响如下；
一点，励磁电流If 增加的 很快，如图所示。未饱和 和饱和的转折点称为膝点。
o直流电动机的磁化曲线F0 (If)
同时交链励磁绕组和电枢绕组的这部分磁通，是
直流电机进行电磁感应和能量转换所必须的，称为主
磁通。另一小部分磁通从N极出来后并不进入电枢
绕组，而是经过气隙直接进入相邻的磁极或磁轭，它 对电机的能量转换工作不起作用，相反，使电机的损 耗加大，效率降低，增大了磁路的饱和程度，这部分
磁通称为漏磁通，一般=（15～20）％。
图1.18（a）为主磁场在电机中的分布情况。按照 图中所示的励磁电流方向，应用右手螺旋定则，便可 确定主极磁场的方向。在电枢表面上磁感应强度为零 的地方是物理中性线m-m，它与磁极的几何中性线n-n 重合。几何中性线与极磁轴线互差90电角度,即正交.
1.2 直流电机的磁场
直流电机的磁场是由主磁极产生的励磁磁场和电 枢绕组电流产生的电枢磁场合成的一个合成磁场，它 对直流电机产生的电动势和电磁转矩都有直接的影响， 而且直流电机的运行特性在很大程度上也取决于磁场 特性。因此，研究直流电机的磁场是十分必要的。
1.2.1 直流电机的空载磁场 直流电机空载（发电机与外电路断开，没有电流
第二十四章 直流电机的磁势、电势和基本方程式分析
➢直流电机空载时电机内部电磁关系 ➢直流电机负载时电机内部电磁关系 ➢稳态运行时直流电机的基本方程式 ➢直流电机的可逆性
1
24-1 直流电机空载时磁路及磁势
一、空载时的磁路
➢空载：发电机出线端没有电流输出，电动机轴 上不带机械负载，即电枢电流为零的状态 ➢空载时的磁场：这时的气隙磁场，只由主极的 励磁电流所建立，所以直流电机空载时的气隙磁 场，又称励磁磁场。由于励磁电流是直流，所以 气隙磁场是一不随时间变化的恒定磁场。
F
2 B
0
K
1.6B K
10 6
B ----气隙磁密，（特）
----气隙长度，（米）
K ----气隙系数，又叫卡特系数，是计及电枢有齿槽后
使气隙磁势增大的系数
7
直流电机空载磁化曲线
磁化曲线：表示空载主磁通Φ0与主极磁动势Ff之间 的关系曲线， Φ0＝f（ Ff）。通过实验或计算得到。
饱和部分
气隙磁场
励磁电流所建立的磁场 电枢电流所建立的磁场 12
一、电刷在几何中线上时的电枢磁势
电流是由电刷引入的、 电刷两边是不同支路， 电流方向不同，电刷是 电流的分界线。
电枢绕组中的电流产生 的磁场。
主磁极的中心线称为直 轴，相邻N极和S极的分 界线称为交轴。
一般情况下，直流电机 电枢磁场方向总是对准 交轴，称为交轴电枢反 应。
顺着发电机方向移
22
二、电刷不在几何中性线上
电刷逆着发电机旋转方向移
交轴电枢磁势产生的电枢反应与 前面相同，直轴电枢反应起去磁 作用 Faq：畸变 Fad：增磁 发电机：电枢逆n旋转方向偏移 电动机：电枢顺n旋转方向偏移
逆着发电机方向移
直流电机的磁场电动势及转矩
表征机械大小的转速n在磁场能力大小为Φ的转化下， 通过电机结构大小为Ce的载体，转换成电的大小为电动势 Ea。
1.4.3 直流电机的电磁转矩
电枢电流 i 磁 场Φ
Байду номын сангаас
F→T
1.一根导体所受平均电磁力的大小为
B
Ia
fap= Bap l ia Ia 而 ia= 2a
则 fap= Bap l 2a
电流为零，即电枢绕组不产生磁场。 1、空载磁场：是指主磁极单独产生的磁场,也称为主磁。 2、空载磁化曲线：空载时，每极磁通Φ0与空载励磁电流I0的关 系。
1.4.1 直流电机的磁场
1.直流电机的空载磁场 空载运行：就是直流电机
不带负载(即不输出功率)时 的运行状态。
空载磁场：是指主磁极单 独产生的磁场,也称为主磁场。
3.直流电机感应电动势(一条并联支路的电动势)
N pN Ea= eap 2a = 60a Φn=CeΦn
单位：Wb
Ea = CeΦ n (V)
单位：r/min
4.电动势常数Ce
pN Ce = 60a
5.方向：由Φ 和 n 共同决定。
1.4.2 直流电机电枢绕组的感应电动势
6.性质 发电机为电源电动势；电动机为反电动势。
=(1.5～2)IN 。
7.转矩的物理意义
表征大小的电流Ia，在磁场大小为Φ的转化下，通过电机
结构大小为CT的载体，转换成机械大小的为电磁转矩T。
8.CT与Ce的关系
则 CT = 9.55 Ce
CT =
pN 2a
Ce =
pN 60a
CT Ce
=
60 2
= 9.55
电机学第五版课件汤蕴璆编著 第3章2直流电机的磁场.
d
q
7
电机学
线负荷 Line Load
设：电刷位于几何中性线， 电枢绕组流过电流ia， 则：电枢磁动势只有交轴分量。 线负荷：电枢圆周表面单位长 度上的安培导体数。
Z a ia A （A / m） Ia＝2a=ia D Z a：电枢绕组总导体数 ia：导体电流， D：电枢直径
电机学 3.3
直流电机的磁场
Magnetic Fields of D.C. Machine
电机学
本节内容
空载时直流电机的气隙磁场 负载时的电枢磁动势和电枢反应
–
– –
–
– –
分析思路 基本概念 交轴电枢磁动势 交轴电枢反应（重点＋难点） 直轴电枢时直流电机的气隙磁场
发电机
电动机
去磁效应
助磁效应
助磁效应
去磁效应
13
δ
δ
0
δ
0
b0
ba(x)
O
bδ(x)
α
11
电机学
直轴电枢磁动势
· ··· · · · · + · F β + a · + · + · + ++ + + + ++
Faq A b （安 / 极） 2 Fad Ab （安/ 极）
· ··· · · ·
＝
++
bβ
Faq
+ + ++ +
＋
bβ
· · · · ·
Fad
+ bβ + + + b β +
第四节 直流电机的励磁方式及磁场
S
N
励磁绕组通直流电产生的磁场； 空载时电机中的磁场分布是对称的; 主磁通；漏磁通。
主磁通Φ0 同时交链励磁绕组和电枢绕组，在电枢绕组中感 应电动势，实现机电能量转换，称为主磁通； 漏磁通Φ σ
不通过气隙，仅交链励磁绕组本身，不进入电枢铁 心，不和电枢绕组相交链，不参与机电能量转换， 称为漏磁通
气隙中主磁通的分布应
当电机带上负载以后，电 枢绕组内流过电流，在电 机磁路中，又形成一个磁 动势，这个磁动势称为电 枢磁动势。 S
负载时，电机中的气隙磁 场是由励磁磁动势和电枢 磁动势共同建立的。
电枢反应 电枢磁场对励磁磁场的作 用称为电枢反应 N
直轴和交轴 主磁极的中心线称为直 轴，相邻N极和S极的分 界线称为交轴。 交轴电枢反应 一般情况下，直流电机 电枢磁场方向总是对准 交轴，称为交轴电枢反 应。
S
N
电枢磁动势
Faxy
2
0
2
1 ia N y 2
每极下有4个元件边，其 磁动势为4个矩形波叠加 起来，可得一个每级高 度为iaNy安培，阶梯数为 2的阶梯形波。
第四节 直流电机的励磁方式及磁场
一、直流电机的励磁方式
磁场是电机实现机电能量转换的媒介。 主极磁场由永久磁铁或励磁绕组通入直流电流产生。
•励磁方式是指励磁绕组的供电方式。
•直流电机按供电方式可分为四类，
•1 ．他励直流电机
•2．并励直流电机
•3．串励直流电机 •4 ．复励直流电机
2
二、直流电机的空载磁场
若每极下有S/p个元件边， 则阶梯数为S/（2p） 当元件边数很多时阶梯 波变为三角波其幅值为
S Fax i a N y 2p Nia τ Aτ (单位为A） πDa 2 2
电机与拖动基础电子教案——第五篇第十八章 直流电机的磁场、电枢反应和电枢绕组
2）直轴电枢反映：当电刷不在几何中性 线上，出现了直轴电枢反应，从图上可 以看出：
A:若为发电机，电刷顺着旋转的方向移动 一个夹角，对主极磁场而言，直轴起去 磁反应，若电刷逆着旋转方向移动一个 夹角，则直轴电枢反应将是增磁的，
其中， 为气 隙计算长度，可见，磁密的
分布和气息的大小是成反比关系的，这就刚 好验证了上一节的磁密分布的曲线形式。
二、电刷不在几何中性线上的电枢磁动势：
看图：引出了直轴电枢磁动势，
直轴电枢磁动势：电枢磁动势的轴线与主磁极 轴线重合，称为直轴电枢磁动势。
三、交轴、直轴电枢反应：
1）交轴电枢反应：交轴电枢磁动势对主极磁场 的影响。
在这里，我们为了分析问题的简单，
假定（1）磁场是不饱和的，（2）发电机电 枢转向是逆时针，电动机为顺时针。这样， 我们就可以对上图进行叠加，可知
A:交轴电枢磁场在半个极内对主极磁场起去磁 作用，在另半个极内则起增磁作用，引起气 隙磁场畸变，使电枢表面磁通密度等于零的 位置偏移几何中性线，新的等于零的我们称 之为物理中性线。
2.单叠绕组电路图：
为了进一步说明单叠绕组各个元件的联接
次序及其电动势分布情况，按图18-7各元
件的联接顺序，可得到如图18-8所示的绕
组电路图。从图18-8可以看出，每个极下
的元件组成 一条支路，这就是说，单叠绕
组的并联支路数正好等于电机的极数，即
（ 为并联
支路2a对数2 p）。a这是单叠
绕组的重要特点之一。
是一个常数，称为电动势常数。
二、电磁转矩：
如果电动势和发电机相关，那么，电磁 转矩和电动机可以联系在一起，求解电 磁转矩的过程和求解电动势是一样的：
直流电机负载时的电枢磁动势
直流电机负载时的电枢磁动势空载时的气隙磁场仅由主磁极上的励磁磁势所树立。
当电机带上负载后，电枢绕组中流过电流，然后发作了电枢磁动势。
因而负载是电机中的气隙磁场是由励磁磁动势和电枢磁动势一同树立。
电枢磁动势的呈现是气隙磁场发作畸变，并发作电磁转矩，完毕了机电能量的改换。
下面临电枢磁动势进行研讨：首要看一下电枢磁场的散布状况，为简略计，绕组为整距，电刷放在几许中性线上。
在一极下元件中电枢电流的方向相同，依据右手螺旋规则判定了电枢磁场磁力线的方向如下图所示。
图1电刷放在几许中性线电枢电流的散布1．交轴电枢磁动势当电刷放在几许中性线上时，点数磁动势的轴线与主极轴线正交，固称为交轴电枢磁动势。
与主极轴线正交的轴称为交轴，重合的轴称为直轴。
下面剖析电枢磁势波形，首要从一个元件下手，将下图从几许中性线处切开拉直。
图2电刷放在几许中性线电枢磁动势的散布一个元件时，磁势波形为一个矩形波，三个元件时其磁势波形为三个矩形波的叠加变成一个三个阶梯的阶梯波，若元件再增多，则其波形为多个阶梯构成的阶梯波，其波形近似为一三角波，如上图fa（x）所示。
设主极基地取为原点O，取一通过距原点+x及-x的闭合回路，设Za为电枢绕组总导体数，D为电枢直径，依据安培环路规则，此回路所含的安培导体数为：在X处气隙的磁势为（1）电枢外表单位长度上的安培导体数称为线负荷。
在几许中性线处，即处，交轴电枢磁势抵达最大值2．直轴电枢磁势若电刷从几许中性线移过β角（相应的电枢外表弧长b β）将电枢磁动势分为两有些，即交轴重量和直轴重量为交轴重量的最大值为直轴重量的最大值当电枢旋转时，构成各支路的元件在改动，因为换向器的效果，每极下元件中电流方向不变，所以电枢磁势在空间固定不动，即它与主磁场的散布波形是相对间断的。
图3电刷违背几许中性线的电枢磁场（a）电枢磁动势（b）交轴重量（c）直轴重量图4电刷违背几许中性线上时的电枢磁动势散布。
直流电机的电枢反应及负载时的磁场
直流电机的电枢反应及负载时的磁场1、电枢反应：电机负载时，电枢绕组中有电流流过，产生一磁动势，称为电枢磁动势。
此时，气隙磁场有主极磁势和电枢磁势二者合成磁势建立，电枢磁势的消失必定对空载时的主极磁场有影响，使气隙磁密的分布发生变化，这种电枢磁势对主极所建立气隙磁场的影响称为电枢反应。
由于这两个磁动势的相互作用，直流电机才能进行机电能量的转换。
电枢反应对电机运行特性影响很大：对电动机：影响转速。
对发电机：影响感应电势。
2、电枢磁场的分布：同极性下电流方向相同，异极性下电流方向相反。
电刷是电枢表面电流分布的分界线。
特点：电枢磁场与主极磁场分布是相对静止的。
3、电枢磁动势沿电枢表面分布：a、以一个元件为例：线圈匝数，电流安。
元件边产生磁动势安匝。
每根磁力线仅与一个元件边相交链，磁场对称于电刷轴线，反向对称于磁极轴线。
将电枢从几何中性线处切开。
每个磁回路的磁势均为安匝。
规定磁动势方向与磁力线的方向全都，不计铁磁材料的磁压降，则全部降落在两气隙上，于是，每通过一次气隙消耗磁动势为，可得一个元件所耗于气隙的磁动势的空间分布关系为：一矩形波。
每极下有一个元件边的磁动势波形b、若每极下有四个元件边匀称分布：据上分析，应有四个矩形波，它们相互之间位移一个槽距，将它们迭加起来可得一阶梯数为2的阶梯波。
c、若每极下元件边的数目许多，且匀称分布在电枢表面，则经上述方法迭加后总的电枢磁动势会接近于三角波形。
4、电枢磁场的磁密沿电枢表面分布：（推导B与F的关系）设电枢绕组的总匝数为N，元件数为S，极对数为p，极距为，电枢直径为，每元件匝数为Wy，则N＝2SWy，阶梯数为S/2p ，阶梯波幅值为：，为电枢表面单位周长上的安匝数，称为线负荷。
若忽视铁磁材料中的磁压降，则电枢磁场沿电枢表面的分布曲线为：上式表明：与成正比，与成反比。
即：极靴下，气隙变化小，变化小；极尖处，气隙大，大大减弱，曲线呈马鞍形。
5、直流电机负载时磁场的电枢反应6、直流电机负载时磁场特点（呈去磁作用）：a、磁场发生了畸变。
直流电机空载和负载的磁场
使气隙磁场分布发生畸变，一半极加强，一半极削弱；（发前弱）
使物理中性线位移（空载时，电机物理中性线与几何中性线重合；负载时，物理中性线发生偏转）
呈去磁作用（饱和度变化的影响）
2） 直轴电枢反应
”
增磁与去磁与电刷的旋转方向有关。
若电机为发电机时，电刷顺转向移动β角。 ★直流发电机的电刷是顺转向偏移一个小角度时，直轴电枢反应对主极磁场的作用将是去磁的。 发电机的电刷若是逆转向偏移一个小角度时，直轴电枢反应对主极磁场的作用将是增磁的。
空载磁化曲线
磁化曲线：表示空载主磁通Φ0与主极磁动势Ff之间的关系曲线， Φ0＝f（ Ff）。通过实验或计算得到。
Φ0
Ff
直线，不饱和部分
膝点
饱和部分
F0’
Fδ’
(约1.1~1.35)
直流电机负载后，电枢绕组有电流通过,并产生电枢磁场。
1
电枢磁场会对主磁场产生一定的影响，这一影响称为电枢反应。
3
n：电枢旋转速度（r/min)
：每极磁通
支路电势：
Ce：电势常数
N：总导体数
电枢电势的认识
对电枢电势的认识：
一台制造好的电机， 它的电枢电势(V)正比于每极磁通φ（韦伯)和转速n（r/min), 与磁密分布无关。
A
D
B
C
作用在电枢上的总电磁力：
电磁转矩：
CT: 转矩常数
一根导体的平均电磁力：
2.4.2 电磁转矩
三、电磁功率
（发顺去）
感应电动势和电磁转矩
2.4.1 电枢绕组的感应电动势 电枢电势：直流机正、负电刷之间的感应电势， 即每个支路里的感应电势。 计算：求出一根导体在一个极距范围内切割气隙磁密的平均感应电势，乘上一个支路里总的导体数。
第5章 直流电机的运行分析
第5章直流电机的运行分析本章主要介绍直流电机的空载和负载磁场分布、直流电机的电枢绕组、电枢绕组的感应电动势和电磁转矩、直流电机的换向问题和电机稳态运行时的基本方程。
5.1直流电机的磁场磁场是电机感应电动势和产生电磁转矩，从而实现机电能量转换的重要因素之一。
电机的运行性能很大程度决定于电机的磁场特性。
因此，要掌握电机的运行原理必须了解电机的磁场，了解电机空载和负载运行时磁场的建立过程和磁场波形特点。
5.1.1空载时直流电机的磁场在直流电机空载运行时，电枢电流为零，直流电机的气隙磁场由主磁极绕组的励磁磁动势F f建立，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。
这一磁场在一个极面下的空间分布如图5-1（a）所示，磁极面下气隙小且较均匀，故磁通密度较高，幅值为Bδ，而两极之间的气隙增加，磁通密度显著降低，从磁极边缘至几何中心线处，磁通密度沿曲线快速下降。
电机主磁极产生的磁通分成两部分，主磁通Φ通过气隙，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，它只与励磁绕组交链，不与电枢绕组交链，故称磁极漏磁通Φσ。
（a）（b）图5-1直流电机的磁路（a）空载时极面下的磁通密度；（b）四极直流电机两极下的磁路直流电机的主磁路包括以下部分：气隙、电枢齿、电枢磁轭、主磁极和定子磁轭。
除气隙外，其它部分均由铁磁材料组成。
主磁路和漏磁路如图5-1（b）所示。
5.1.2负载时电枢电流的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。
为了分析方便，认为电枢表面光滑（无齿槽），磁场分析略去换向器只画主磁极、电枢绕组和电刷。
电机空载磁场、电枢反应磁场和两者的合成磁场分布图如图5-2（a）、（b）、（c）所示，图5-2（c）的扭曲磁通清楚地表明了电枢反应磁场对磁通分布的影响。
直流电机的磁场
17
§1-3 直流电机的磁场
电刷偏离几何中线β角时的电枢反应
18
刷逆旋转方向偏离β角，产生的电枢磁势为Fa， 将Fa分解成交轴电枢磁势Faq和直轴电枢磁势Fad， 交轴电枢磁势Faq对主磁场的影响与上面分析的
电刷位于几何中性线的电枢反应情况一样，而
直轴电枢磁势Fad与主磁极轴线重合，方向相反，
故有去磁作用；同理，当电刷顺电动机旋转方
向偏离β角时，产生的直轴电枢磁势Fad有助磁
If=（0.01~0.05）IN，而电压约等 于UN，所以他励或并励绕组匝数
多，导线细。反之，串励绕组中电
流Is=IN，其励绕组匝数少，导线
粗。
6
§1-3 直流电机的磁场
二、直流电机空载时的磁场
1.空载磁场的分布 由于空载时电机电枢电流近似等于零，这时的气隙
磁场由主磁极的励磁电流产生，称励磁磁场。
Bδx应等于励磁磁密Box与电枢磁密的Bax合 成，如图曲线Bδx=ƒ(x)所示。
14
§1-3 直流电机的磁场
5、直流电机负载时气隙磁密
15
§1-3 直流电机的磁场
四、直流电机的电枢反应☆ 1.当电刷位于几何中心线时，电枢反应表现为：
（1）使气隙磁场发生畸变，对电动机而言，前极尖磁场被加强， 后极尖磁场被削弱；发动机则相反。 （2）使物理中心线偏移。物理中心线指气隙中各点磁密为零的 连线，空载时物理中心线与几何中心线重合，负载时电动机物理 中心线逆转向离开几何中心线角。
（3）对每极磁通的影响。当磁路不饱和时，负载磁通与空载0
相等。当磁路饱和时，具有去磁作用。 由于电枢磁场与主磁场轴线正交，我们常称电枢磁势为交轴磁
势。
16
§1-3 直流电机的磁场
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
直流电机负载后，电枢绕组有电流通过,并产生电 枢磁场。
负载时气隙磁场由主磁场和电枢磁场共同决定 电枢磁场会对主磁场产生一定的影响，这一影响
称为电枢反应。 电枢反应会使得每极磁通发生变化，也会使气隙
磁场发生畸变，从而影响电机的性能。
2.3.2 负载时直流电机的磁场
两个重要的轴线概念
与主极轴线正交的轴线通 常称为交轴 主极轴线重合的轴线称为 直轴；
•呈去磁作用（饱和度变化的影响）
2） 直轴电枢反应
增磁与去磁与电刷的旋转方向有关。
若电机为发电机时，电刷顺转向移动β角。 ★★直流发电机的电刷是顺转向偏移一个小 角度时，直轴电枢反应对主极磁场的作用将 是去磁的。
★★而直流发电机的电刷若是逆转向偏移 一个小角度时，直轴电枢反应对主极磁场的 作用将是增磁的。
引进极弧系数bp’和气隙卡氏系数： 主磁场磁密的分布 气隙磁密平均值Bav与最大值Bδ之比
空载磁化曲线
磁化曲线：表示空载主磁通Φ0与主极磁动势Ff之间 的关系曲线， Φ0＝f（ Ff）。通过实验或计算得到。
Φ0
膝点
饱和部分
直线，不 饱和部分
F0’Fδ’
Ff
k
F0' F'
(约1.1~1.35)
2.3.2 负载时直流电机的磁场
1. 电枢产生的磁动势
电枢磁势的分布与电枢电流的分布有关。 电枢电流的方向由电刷来界定。图中电
刷以下电流为流入纸里，电刷以上为流 出纸面。 这样的电流分布所产的磁力线如图所示。 （右手定则） 可见，电枢磁势的轴线总是与和电刷接 触的导体的连线重合。或者说电刷位置 决定了电枢磁势的轴线。 当电刷与处于几何中性线上的导体相接 触时，电枢磁势的轴线在交轴方向。并 把这一磁势称为交轴电枢反应磁势。
电刷偏离几何中性线时的电枢磁势中除了交轴磁势外， 还含有直轴磁势。
电刷不在几何中心线上， 电枢磁势分为交轴和直轴分量
2. 电枢反应
直流电机负载后，电枢绕组有电流通过，该电 流建立的磁场简称电枢磁场，电枢磁场对主磁 场的影响就称为电枢反应。
当电机带上负载后，电机的气隙磁场由主磁 场和电枢两个磁场共同决定。电枢磁动势的出 现，使气隙磁场发生畸变，即电枢反应。
直流电机空载时的磁场分布
磁通、磁路
主磁通、主磁路：由N极出 发， 经气隙进入电枢齿部， 经电枢铁心的磁轭到另外的 电枢齿，通过气隙进入S极， 再经定子轭回到原来N极。
漏磁通、漏磁路：不进入 电枢铁心，直接经过相邻 的磁极或定子轭。
主磁通交链励磁 绕组和电枢绕组， 在电枢绕组中感 应电势，产生电
磁转矩。
磁势： F H x Lx
每极励磁磁动势Ff=IfNf 产生Φ0所需磁动势
n
2Ff H k lk 2H 2H tlt H ala 2H mlm H jl j
l
气隙磁场
在一个磁极的范围内，励磁磁势大小一样， Bδ大小完全与气隙长度成反比。
在主极直轴附近的气隙较小，并且气隙均 匀，磁阻小，即此位置的主磁场较强，在 此位置以外，气隙逐渐增大，主磁场也逐 渐减弱，到两极之间的几何中线处时，磁 密等于0。
2-3 直流电机空载和负载的磁场
直流电机的磁场概述 直流电机磁场可由永久磁铁或励磁绕组通以直流电
励磁产生。永久磁铁的磁场较弱；通常由励磁绕组 建立主磁场。 直流电机的磁场由电机中各绕组，包括励磁绕组、 电枢绕组、换向极绕组共同产生。 励磁绕组起主 要作用。
2.3.1 直流电机的空载磁场
空载：励磁绕组通有励磁电流，其它绕组无电流的状况
影响饱和 程度
主磁通和漏磁通
主磁通φ0和漏磁通φσ由同一磁动势建立； φ0所走的路径气隙小，磁阻小； 漏磁通所走的路径气隙大，磁阻大；
励磁磁势的分析
磁路计算常用公式：
H dl I
n
H klk IW
1
B
S
HB
励磁磁势的分析
磁路： 两个气隙、两个电枢齿、一段电枢轭、两个 主极铁心和一个定子轭。
v 2 p n
60
Bav：平均磁密；li：导体长度； v：电枢旋转线速度 n：电枢旋转速度（r/min)
Bav li
：每极磁通
支路电势：
Ea
N 2a
eav
N 2a
li
li
2 pn 60Fra bibliotekpN 60a
n
Ce
n
N：总导体数 Ce：电势常数
电枢电势的认识
Ea
pN 60a
n
Ce
n
1. 电枢产生的磁动势
设直轴线与电枢外圆的交点为0点，在距0
点为x处作一闭合磁力线回路。该闭路包
围的电流数即为总磁势Fa。
电枢表面单位长度上的电流数A称为电机
的线负荷。
A
Nia
Da
x处闭路上的总磁势
Fa (x)总 A 2x
忽略铁心磁阻，则每个气隙消耗的磁势为
Fa
(x)
Ax(
2
x
)
2
上式为一个极距的电枢磁势分布，将一对极的电枢
各支路电流都是通过电刷引入或引出，因此电 刷是电枢表面上电流分布的分界线。电枢磁势 的轴线总是与电刷轴线相重合。
1）交轴电枢反应
N
S
主极产生磁场的磁密波形
电枢绕组产生磁场的磁密波形 合成磁场的磁密波形
•使气隙磁场分布发生畸变，一半极加强，一半极削弱；（发前弱）
•使物理中性线位移（空载时，电机物理中性线与几何中性线重合；负载时， 物理中性线发生偏转）
对电枢电势的认识：
一台制造好的电机， 它的电枢电势(V)正比于 每极磁通φ（韦伯)和转速n（r/min), 与磁密分 布无关。
2.4.2 电磁转矩
一根导体的平均电磁力：
fav Bav li ia
ia
Ia 2a
作用在电枢上的总电磁力：
f fav N Bav li ia N
（发顺去）
2.4 感应电动势和电磁转矩
2.4.1 电枢绕组的感应电动势
电枢电势：直流机正、负电刷之间的感应电势， 即每个支路里的感应电势。
计算：求出一根导体在一个极距范围内切割气隙磁 密的平均感应电势，乘上一个支路里总的导体数。
直流电机的感应电势
具体计算：
一根导体： eav Bav li v
磁势波形画出，将得到三角波。
1. 电枢产生的磁动势
电枢磁势单独产生的磁感应强度的分布：
•
该磁密由磁势和气隙共同决定。 · 极面下气隙基本不变，磁密正比于磁势； · 两极之间的区域内，气隙变大，磁密迅速 减小。一个周期的磁密波形呈马鞍形。
交轴磁势
电刷位于几何中性线上时的电枢磁势为交轴磁势
直轴磁势