电机及拖动基础教学课件

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电气一次设备2008-02-07 16:13:10 阅读200 评论0 字号：大中小

1.4 直流电机的磁场1.4.1 直流电机的空载磁场

1.4.2 直流电机负载时的磁场和电枢反应1.4.3 直流电机的励磁方式

1.5 直流电机的换向1.5.1 直流电机的换向问题和换向极绕组1.5.2．直流电机的补偿绕组

小结思考题

习题参考文献

第1章直流电机原理

摘要：本章分析直流电机的工作原理、结构、电路、磁路及换向等问题，为电力拖动自动控制系统提供元件的基本知识。

1.4 直流电机的磁场（返回顶部）

直流电机中除主极磁场外，当电枢绕组中有电流流过时，还将会产生电枢磁场。电枢磁场与主磁场的合成形成了电机中的气隙磁场，它是直接影响电枢电动势和电磁转矩大小的。要了解气隙磁场的情况，就要先分析清楚主磁场和电枢磁场的特性。

1.4.1 直流电机的空载磁场（返回顶部）

直流电机的空载是指电枢电流等于零或者很小，且可以不计其影响的一种运行状态，此时电机无负载，即无功率输出。所以直流电机空载时的气隙磁场可以看作就是主磁场，即由励磁磁通势单独建立的磁场。

当励磁绕组通入励磁电流，各主磁极极性依次呈现为极和极，由于电机磁路结构对称，不论极数多少，每对极的磁路是相同的，因此只要分析一对极的磁路情况就可以了。图1.16是一台四极直流电机空载时的磁场分布示意图（一对极的情形）。从图中看出，由

极出来的磁通，大部分经过气隙进入电枢齿部，再经过电枢磁轭到另一部分的电枢齿，又通

过气隙进入极，再经过定子磁轭回到原来出发的极，成为闭合回路。这部分磁通同

时匝链着励磁绕组和电枢绕组，电枢旋转时，能在电枢绕组中感应电动势，或者产生电磁转矩，把这部分磁通称为主磁通，用φ0表示。此外还有一小部分磁通不进入电枢而直接经过相邻的磁极或者定子磁轭形成闭合回路，这部分磁通仅与励磁绕组相匝链，称为漏磁通，用

φ表示。由于主磁通磁路的气隙较小，磁导较大，漏磁通磁路的气隙较大，磁导较小，而作用在这两条磁路的磁通势是相同的，所以漏磁通在数量上比主磁通要小得多，大约是主磁通的20%左右。

图1.16 直流电机空载时的磁场分布示意图

1—极靴；2—极身；3—元子磁轭；4—励磁绕组；5—气隙；6—电枢齿；7—电枢磁轭

由于主磁极极靴宽度总是比一个极距要小，在极靴下的气隙又往往是不均匀的，所以主磁通的每条磁力线所通过的磁回路不尽相同，在磁极轴线附近的磁回路中气隙较小；接近极尖处的磁回路中气隙较大。如果不计铁磁材料中的磁压降，则在气隙中各处所消耗的磁通势均为励磁磁通势。因此，在极靴下，气隙小，气隙中沿电枢表面上各点磁密较大；在极靴范围外，气隙增加很多，磁密显著减小，至两极间的几何中性线处磁密为零。不考虑齿槽影响时，直流电机空载磁场的磁密分布如图1.17所示。

图1.17 直流电机空载磁场的磁密分布

在直流电机中，为了感应电动势或产生电磁转矩，气隙里要有一定数量的主磁通φ0，也就是需要有一定的励磁磁通势，或者当励磁绕组匝数一定时，需要有一定的励磁电流。把空载时主磁通φ0与空载励磁磁通势或空载励磁电流的关系，即φ0=

或φ0= ，称为直流电机的磁化曲线，它表明了电机磁路的特性。电机的磁化曲线可通过电机磁路计算来得到。

直流电机磁路计算内容是：已知气隙每极磁通为φ0，求出直流电机主磁路各段中的磁压降，各段磁压降的总和便是励磁磁通势。对于给定的不同大小的φ0用同一方法计算，得

到与φ0相应的不同，经多次计算，便得到了空载磁化曲线φ0 。

直流电机主磁通的磁回路从图1.16中可看出主要包括这样几段：两段主磁极、两段气隙、两段电枢齿部、电枢磁轭、定子磁轭。对于每一段磁路，都是根据已知的φ0，算出磁密B，再找出相应的磁场强度H，分别乘以各段磁路长度后便得到磁压降。气隙部分的磁导率是常数，不随φ0而变，或者说气隙磁压降与φ0成正比。但其它各段磁路，都是铁磁材料构成，它们的B与H之间是非线性关系，具有磁饱和的特点，也就是说它们的磁压降与φ0不成正比，也具有饱和现象，当φ0大到一定程度后，出现饱和，φ0再增大，H或磁压降就急

剧增大。因此，造成了直流电机φ0大到一定程度后，磁路总磁压降即励磁磁通势急剧增大，电机的磁化曲线具有饱和现象，如图2.18所示。

图1.18 电机的磁化曲线

考虑到电机的运行性能和经济性，直流电机额定运行的磁通额定值的大小取在磁化曲线开始弯曲的地方（称为膝部），如图1.18中的a点（称为膝点），对应的φN系指在空载额定电压时的每极磁通，对应的励磁磁通势为FfN。

1.4.2 直流电机负载时的磁场和电枢反应（返回顶部）

当电机带上负载后，电枢绕组中就有电流流过，在电机磁路中，又形成一个磁通势，这个磁通势称为电枢磁通势。因此，负载时的气隙磁场将由励磁磁通势和电枢磁通势共同作用所建立。电枢磁通势的出现，必然会影响空载时只有励磁磁通势单独建立的磁场，有可能改变气隙磁密分布及每极磁通量的大小。通常把负载时电枢磁通势对主磁场的这种影响称为电枢反应，电枢反应对直流电机的运行性能影响很大。

电枢磁通势如何影响电机中的主磁场呢？

下面先分析清楚电枢磁通势和电枢磁场的特性，然后把两种磁场合成起来，再考虑到饱和问

题，就可以看清楚电枢磁通势对主磁场的影响了。

1．电枢磁通势和电枢磁场

电枢磁通势是由电枢电流所产生的，从对电枢绕组的分析可知，不论什么型式的绕组，其各支路中的电流是通过电刷引入或引出的。在一个极下元件边中电流方向是相同的，相邻的不同极性的磁极下元件边中电流方向总是相反的。因此，电刷是电枢表面电流分布的分界线。在电枢磁通势的作用下，电刷在几何中性线上时的电枢磁场分布如图1.19所示。

图1.19 电刷在几何中性线上时的电枢磁场分布

由于电刷和换向器的作用，尽管电枢是旋转的，但是每极下元件边中的电流方向是不变的，因此电枢磁通势以及由它建立的电枢磁场是不动的。电枢磁场的轴线总是与电刷轴线重合，并与励磁磁通势产生的主磁场轴线相互垂直。

现在研究电枢磁通势的大小和电枢磁场的磁密沿电枢表面分布的情况。首先讨论一个元件所产生的电枢磁通势。

设电枢槽内仅嵌放一个元件，该元件轴线（即元件的中心线）与磁极轴线垂直，即元件边位于磁极轴线上，如图 1.20（a）所示。元件有匝，元件中的电流为，则元件边所产生的磁通势为安培导线数。由该元件所建立的磁场的磁力线的路径如图1.20（a）所示。设想将电机从处切开，展平如图1.20（b）所示。根据全电流定律可知，每个

磁回路的磁通势均为。每根磁力线通过两次气隙，若不计铁磁材料中的磁压降，则磁通势全部消耗在气隙中。在直流电机中，与磁极轴线等距离处的气隙大小相等，所以磁力线通过一次气隙所消耗的磁通势则为磁力线所包围的全电流的一半，即1/2 。若以几何

中性线为纵轴，电枢周长为横轴，但规定磁通势方向与磁力线方向一致，即正磁通势表示由它产生的磁通方向从电枢到主磁极，负磁通势则为从主磁极到电枢。作这些规定后，一个元件所消耗于气隙的磁通势的空间分布为