直流电机磁场与磁路

简化分析，电刷不经换向片，直接与导体 接触，由于N、S极下导体电流方向不同，则 电刷引入引出电流，也就是电流的分界岭，电 刷画在几何中性线。
a : 电刷是电枢表面上电流方向的分界线
b:简化分析时电刷画在几何中性线上
N
⊙⊙
S

S
⊙⊙
N
三 、直流电机负载时的磁场及电枢反应
1 电刷放几何中性线上时电枢磁动势和磁场
4)、 电枢磁动势的计算及空间分布
在几何中性线处，将电枢外圈切开，展开成一
直线，以主极轴线与电枢表面的交点O为坐标的原
点。
d
q
几
N
S
何
中
性 ⊙⊙⊙⊙⊙⊙ 电枢
线
x·x F a x
x
B ax
电枢？ 几何中性线？ 电流方向？ 电刷？ 电枢分布绕组？ 主磁极轴线？ 直轴？ 交轴？
三 、直流电机负载时的磁场及电枢反应
直流电机的电枢磁动势和磁场
1 电刷放几何中性线上时电枢磁动势和磁场
怎么计算电枢磁动势Fax？
①计算电枢线负荷A
又称电枢表面单位周长上的电流。
A Nia Da
当i a（支路电流）一定时，A是常数。 N为电枢绕组总导体数。
三 、直流电机负载时的磁场及电枢反应
1 电刷放几何中性线上时电枢磁动势和磁场
Φ0值
下消
耗在
气隙
段
的
磁
例如： ac ab 的比例关系。
Φ0
b c 气隙线 芯开始随饱着和磁，通μΦ减0 少的，增铁大芯，部铁
a
分所需的总磁动势F F e 将很
快增加，进入饱和状态。
总磁动势 F0与气隙段所需的磁
F0′
动势Fδ之比表示电机磁路的饱
0
Fδ ′ F0=∑ F k
和程度。 饱和系数 K μ= F0′/ Fδ ′
二、 直流电机的空载磁场 三 、直流电机负载时的磁场及电枢反应
教学目的和要求：
空载磁场的计算及磁密分布； 电枢电流磁通势计算及分布； 电枢磁密计算及分布； 电刷在几何中性线的电枢反应（交轴反应）；
重点难点：交轴和直轴电枢反应；
空载磁场与负载磁场的差别；
励磁绕组集中式产生的磁通势与电枢绕组（分 布式）产生的磁通势的不同之处。
②磁路饱和时 Fe不为常值，不能采用上述的叠加原理。
三 、直流电机负载时的磁场及电枢反应
3、交轴电枢反应
对发电机而言，后极尖磁场加强，饱和程度高, 铁芯磁阻增大，磁密并非象不饱和时那样，后极尖 略有削弱，对应S3。前极尖磁场被削弱，饱和程度 低 ， 磁 阻 略 减 少 ， 前 极 尖 磁 场 略 增 ， 对 应 S4 。 但 S3>S4，所以电枢反应是去磁的。 后极尖↑→饱和程度高→R mFe1↑→△ 1↓ 前极尖↓→饱和程度降低→R mFe2 → △ 2 ↑
②计算经过距原点±X处的闭合回路磁动势
根据安培环路定律， 忽略铁芯中的磁压降进行 计算，注意A是常数，X 是变量。
2x A 2x Nia Da
2H HFeL 2xA
2H 2xA
d
q
N
S
⊙⊙⊙⊙⊙⊙
x·x
x
B ax Fax
三 、直流电机负载时的磁场及电枢反应
△ 1> △ 2 直流发电机饱和时交轴电枢反应为去磁。
直流电机磁场小结
1、主磁极磁场分五段，其中气隙磁动势F占总磁动 势65%。
2、空载时气隙磁密与′成反比。
B F 0 2
3、电刷放在几何中性线上，电枢磁动势Fa x沿空间 的分布为三角波。
Fax AX
4、电枢磁沿电枢表面的分布呈马鞍形。 Bax 0 Fax
6、电枢线负荷A怎样计算？电枢磁动势怎样计 算？磁密B max怎样计算？
7、什么是电枢反应？什么是交轴电枢反应？ 什么是直轴电枢反应？
8、怎样才会产生直轴电枢反应？发电机和电动 机直轴电枢反应有何不同？怎样利用直轴电 枢反应？
二、 直流电机的空载磁场
一）、直流电机的空载磁场和磁路计算
wk.baidu.com
（1）总磁通Φp，主磁通Φo ，漏磁通Φσ
A为常数。x变化范围是： 0→/2，- /2→0
电枢磁动势沿空间呈三角 形分布（实际电枢有齿槽， 呈 阶梯形波）在正、负电 刷之间的中心处为零。电 刷处达 最大值F a
F a= A /2
d
q
N
S
⊙⊙⊙⊙⊙⊙ x·x
x
B ax Fax
1 电刷放几何中性线上时电枢磁动势和磁场
⑥ 电枢磁通密度的空间分布 d
q
Bax 0Hax
N
S
Hax • Fax Ax
Hax Ax
Bax 0 Ax 0 Fax

⊙⊙⊙⊙⊙⊙
x·x
x
B ax Fax
极靴下气隙均匀，′为常值，Bax随F a x变化线性变 化。极间范围内气隙增大， B a x削弱，呈下凹形。
（2）磁路计算
磁路计算的目的：对于每极主磁通Φo，求 出每对主极所需的磁动势F。
通常选取经过主极中心线底下的气隙和电 枢齿所构成的一条闭合回路计算。
二、 直流电机的空载磁场
Lj
齿高h z
整个闭合回路分为5段
ha
磁路计算的步骤：（略）
二、 直流电机的空载磁场
（3）电机的磁化曲线
电机的磁化曲线指主磁通Φ0与励磁动势F0之间 的关系。即Φ0=f(F0)。
1 电刷放几何中性线上时电枢磁动势和磁场
③每个气隙段磁动势计算 在一个极距范围内，距原点x处，
每个气隙段的电枢磁动势为:
Fax 1 (2Ax) Ax 2
④磁动势方向规定： 正磁动势方向从 电枢到主极，负磁动势方向从主极到 电枢。
1 电刷放几何中性线上时电枢磁动势和磁场
⑤计算F a x
F a x=A X
1）、磁场发生了畸变 发电机，负载时前极尖磁密削弱，后极尖磁密增强； 电动机，前极尖磁密增强，后极磁密尖削弱。 2）、物理中性线偏离几何中性线 发电机前移a角； 电动机后退a角。 3）、是否去磁？ 曲线3的面积是否还等于曲线1，要分两种情况分析。
三 、直流电机负载时的磁场及电枢反应
3、交轴电枢反应
（4）气隙磁场分布
N
S
S
Fδ ≈ F0
则Fδ 在 ~ 范围内是不变的 NIf
22
2B k F 0
N
B 0 F 与气隙成反比 2k
那么由电枢电流产生
的磁场 如何分布，气隙合成
Bδ
磁场如何？
-τ/2 0 +τ/2
二、 直流电机的空载磁场
（4）气隙磁场分布
根据：
三 、直流电机负载时的磁场及电枢反应
1 电刷放几何中性线上时电枢磁动势和磁场
N
S
′
′大
大
′
′
大
′常值
常值
B a x为马鞍形分布
在极弧范围内
B a x为过原点0的斜直线。
极间范围内
气隙增大， B a x削弱， B a x分布呈下凹状。
三 、直流电机负载时的磁场及电枢反应
3、交轴电枢反应
直流电机空载时I a=0
二、 直流电机的空载磁场
（3）电机的磁化曲线
Φ0
a
b c 气隙线
为了经济地利用材料，电 机额定电压运行于膝点C 附近，即磁化曲线开始弯 曲处，否则励磁电流或匝
数W要增大。
U E0 Ce 0n
F0′
即：膝点C处的磁通对应
0
Fδ ′ F0=∑ F k
额定转速和额定电压时的 磁通。
二、 直流电机的空载磁场
Φ0
当主磁通很小时，磁路中的铁磁
b c 气隙线 部分未饱和，磁路的总磁动势几
a
乎全部消耗在气隙中，Φ0与F0的
关系几乎就是 Φ0与Fδ 的关系。
F0′
0
F

与μ0成正比，是 一线性 关系。
0
Fδ ′ F0=∑ F k
0S
二、 直流电机的空载磁场
（3）电机的磁化曲线
气隙线 动势。
表示
不同
电机中的磁场仅由主极的励磁磁动势单独建立。
集中励磁绕组磁密： B F 0 2
F Ff
S
几何中性 线
几何中性线上磁密为零
（气隙磁阻大），此时，
B
物理中性 线
物理中性线（磁通密度 为零的点的直线）与几
何中性线重合。
空载主极励磁磁密分布
三 、直流电机负载时的磁场及电枢反应
3、交轴电枢反应
Φp 磁通
· Φσ

Φo
·
直流电机空载时的磁场分布
电机中磁场的分布是对称的，由励磁动势所建立的主 极磁通分两部分：主磁通Φo和漏磁通Φσ。
二、 直流电机的空载磁场
主磁通Φo：大部分磁通从主极经气隙到电枢而
同时与主极励磁绕组和电枢绕组相交链，这部分 磁通参与电机的机电能量转换。
漏磁通Φσ：一小部分磁通不经过电枢而仅通过
1 电刷放几何中性线上时电枢磁动势和磁场
问：两种磁通势共同作用产生
什么磁场?
N
合成磁场波形是怎样分布的？
怎样计算电机磁场 空载时， 单独由直轴磁通势产生 的磁 密。 直流电机带负载时，交、直轴 合成的磁通势是助磁？还是去 磁？
S
三 、直流电机负载时的磁场及电枢反应
1 电刷放几何中性线上时电枢磁动势和磁场
3、交轴电枢反应
几何 物理中性线
电刷在几何中性线
S
N
曲线1表示主极空载
磁密。
⊙⊙⊙⊙⊙
电动机
a
1
发电机
曲线2表示电枢磁密 马鞍形分布。
2
1曲线和2曲线合成3曲线，
可以看出电枢反应的影响。
3
注意： 叠加曲线时的几个特殊点及叠加后 的分布与曲线1比较。
三 、直流电机负载时的磁场及电枢反应
3、交轴电枢反应
N
S
N
S
直流电机磁场小结
4、 电枢交轴反应
S
相邻主极之间的空间或主极邻近铁磁材料零件 之间的空间而闭合，这部分磁通不会在电枢绕 组中感应电动势和参与电机的机电能量转换。
总磁通 p o o(1 ) k
k
o
称为主极漏磁系数，1.15～1.25
二、 直流电机的空载磁场
主磁路
一台电机有几条主磁路？磁路计算时对若干 条主磁路怎么？主极沿机座内圆按N、S交错排列， 一对磁极有两条闭合的主磁路。故直流电机有几 个主极就有几条闭合的主磁路。
1 电刷放几何中性线上时电枢磁动势和磁场
注意：
集中绕组 无论闭合磁路多大，穿过该
闭合路径所界定的面的电流的代数和不 变，则在范围内磁动势不变。
分布绕组 闭合磁路不同，穿过该闭合路
径所界定的面的电流的代数和也不同，磁 动势F a x 不同，所以电枢磁动势沿电枢表
面分布不同。
三 、直流电机负载时的磁场及电枢反应
直流电机的磁场和磁路预习
1、怎样计算磁通密度和磁动势？（指空载，主 磁极励磁电流产生的磁场）
2、空载时一对 磁极下主磁极磁密沿电枢怎样分 布？
3、负载时电枢电流产生的磁动势在一对磁极下 怎样的分布波形？
4、电枢磁密的分布？ 5、什么是几何中性线？物理中性线？交轴q？
直轴d？磁极轴线？
直流电机的磁场和磁路预习
注意：在实际电机中，电刷
通常放置在主极中性线下的
S
N
S
换向片上，被电刷短路的元
件边恰好位于几何中性上。
12
2)、 电枢磁动势和磁场在空间上固定不动
N
随着电枢转动，组成各支路
几 何
⊙⊙⊙⊙⊙
中 性
交轴
的元件在轮换，但从空间看， 以电刷为界的电枢表面电流 分布是不变的，由电枢分布 电流产生的电枢磁动势和磁 场在空间也是固定不动的。
电机带负载时，电枢绕组有电流流过产 生电枢磁动势。电机中的磁场则由主极励磁 磁动势和电枢磁动势共同建立，使负载时气 隙磁场与空载气隙磁场有所不同。
电枢反应：电枢磁动势对主极励磁磁动
势所建立的气隙磁场的影响。
1)什么是交轴电枢反应 当电刷放在几何中性线上时，只产生
交轴电枢磁动势，只有交轴电枢反应。
三 、直流电机负载时的磁场及电枢反应
B 0 F 2k
说明磁密与气隙成反比
由于主极下的气隙大小
Bδ
不均，磁极中心对应的磁通
密度为最大，在几何中性线
-τ/2
0 +τ/2 处降为零。
三 、直流电机负载时的磁场及电枢反应
(一） 直流电机的电枢磁动势和磁场
1、电刷放几何中性线上时电枢磁动势和磁场
1）、 简化分析时电刷所在的位置
d 发电机转速由N→S， 后极尖
逆时针转向,Ea与I a
的方向相同。
NN
电动机转速由S →N ， 逆时针转向，Ea与I a 方向相反。
⊙⊙⊙⊙⊙ ⊙⊙

前极尖 q
SS
三 、直流电机负载时的磁场及电枢反应
3、交轴电枢反应
①磁路不饱和 磁路不饱和时，Fe=为常值，可采用叠加原 理分析负载时的气隙磁场，认为B x与B ax 叠加。每一个主极下，主极磁场的一半被削 弱，另一半被加强。因此，负载时电枢反应 仅使 磁密波形畸变，但每极下的磁通量仍不 变。
线
S
三 、直流电机负载时的磁场及电枢反应
1 电刷放几何中性线上时电枢磁动势和磁场
3)、电枢磁动势为交轴电枢磁动势
电枢磁动势的轴线也在几何中性线 上，与主极轴线正交，所以称这种磁场 磁电动势为交轴电枢磁动势。
直轴磁场，磁通势由励磁电流产生。
N
交轴磁场，磁通势由电枢电流 产生。
S
三 、直流电机负载时的磁场及电枢反应