直流电机的磁场和电枢反应课件

16.3 直流电机的磁场和电枢反应直流电机的磁场和电枢反应直流直流电机工作机工作时的磁的磁场:是是由由电机机中中各各个个绕组（包包括括励励磁磁绕组、电枢枢绕组、附附加加极极绕组、补偿绕组等等）的的总磁磁动势所所共共同同产生生的的，其其中中励励磁磁绕组的磁的磁动势起着最主要的作用。起着最主要的作用。16.3.1 16.3.1 空载时直流电机的磁场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直流，所以气隙磁场是一个不随时间变化的恒定磁场。场。空载空载:无负载无负载P2=0，I=0 空载时的磁场在空间分布，即一个极面下磁场分空载时的磁场在空间分布，即一个极面下磁场分布，如图布，如图16-14所示，磁极面下磁阻较小且较均匀，所示，磁极面下磁阻较小且较均匀，故磁通密度较高为故磁通密度较高为 而两极之间的气隙处，磁通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。度沿曲线平滑下降，称边缘磁通。空载时直流电机的磁场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。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，故称磁极漏磁通组交链，故称磁极漏磁通 。设磁极产生的总磁通为设磁极产生的总磁通为 则则式中：式中：场漏磁通，一般可取场漏磁通，一般可取1.151.251.151.25（一）主磁通和漏磁通（一）主磁通和漏磁通 1.主磁通：经过主磁路的磁通，分别和主磁通：经过主磁路的磁通，分别和 定子，转子绕组匝链定子，转子绕组匝链2.漏磁通：不与电枢绕组匝链磁通漏磁通：不与电枢绕组匝链磁通主磁通和漏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：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。气隙、电枢齿、电枢磁轭、主磁极和定子磁轭。除气隙外，其他部分均由铁磁材料组成。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主磁路和漏磁路示意图如图16-14（b）（二）磁化特性曲线（二）磁化特性曲线线性段线性段:膝部膝部:(:(弯曲部弯曲部)饱和饱和段：段：直流电机的工作点一般直流电机的工作点一般在弯曲部分在弯曲部分UNINfIfU()0（三）空载磁场气隙磁密分布曲线（三）空载磁场气隙磁密分布曲线16.3.2 16.3.2 直流电机的负载磁场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，称作电枢磁流流过，电枢电流也将产生磁场，称作电枢磁场。场。首先讨论首先讨论电枢磁场电枢磁场然后讨论由然后讨论由主极磁动势主极磁动势和和电枢磁动势电枢磁动势共同作用的共同作用的合成合成磁场磁场。实际电机中实际电机中，电刷放在磁极中心线上的换向片上，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。（交轴线）附近。直流电机的负载磁场直流电机的负载磁场 图图16-15（a）中电刷位置恰在交轴处，即电枢）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成，每个线圈跨距近似为极距 ，一个线圈，一个线圈有有 匝流过电流匝流过电流 产生气隙磁动势为矩形波，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。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，如图磁势波趋于三角波，如图16-15所示。所示。电枢磁动势的计算见教材电枢磁动势的计算见教材P306（了解）。（了解）。16.3.3 16.3.3 交轴电枢反应交轴电枢反应 当直流电机带有负载时，就有主磁极磁动势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。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。电枢磁动势的存在使空载磁场分布情况改变。电枢反应电枢反应：负载时电枢磁动势对主极磁场的影响。：负载时电枢磁动势对主极磁场的影响。交轴电枢反应交轴电枢反应：通常电刷处于交轴处，由于电枢磁：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，故称为交轴电动势的轴线总是与电刷轴线重合，故称为交轴电枢反应。枢反应。图图16-16（a）表示主磁极产生的气隙磁场分布；）表示主磁极产生的气隙磁场分布；图图16-16（b）表示电枢磁动势为三角波；）表示电枢磁动势为三角波；图图16-16（c）表示电枢磁通密度波呈马鞍形；）表示电枢磁通密度波呈马鞍形；图图16-16（d）表示合成磁通密度波。）表示合成磁通密度波。交轴电枢反应交轴电枢反应交轴电枢反应对电机运行的影响：交轴电枢反应对电机运行的影响：（1 1）电枢反应的去磁作用将使每极磁通略有减小。）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。产生去磁作用。（2 2）电枢反应使极面下的磁通密度分布不均匀。）电枢反应使极面下的磁通密度分布不均匀。图图16-1616-16（d d）可知交轴电枢反应使一般磁极面的磁通）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。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。如图线圈中的电流换向。如图16-1816-18所示。所示。16.3.4 16.3.4 直轴电枢反应直轴电枢反应 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的旋转方向或逆着电动机的旋转方向移动一个角度度 ，则电枢电流的分布也随之变化，电枢磁动，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。势的轴线也随着电刷移动。此时的电枢磁势此时的电枢磁势 有两个分量：直轴电枢磁有两个分量：直轴电枢磁势势 和交轴电枢磁势和交轴电枢磁势 。直轴电枢反应磁动势直轴电枢反应磁动势方向与主磁极极性方向与主磁极极性相反相反时，是时，是直轴去磁作用直轴去磁作用；直轴电枢反应磁动势方向与主磁极极性直轴电枢反应磁动势方向与主磁极极性相同相同时，是时，是直轴增磁作用直轴增磁作用。电枢反应磁势大小计算（了解）电枢反应磁势大小计算（了解）直流电机的负载磁场直流电机的负载磁场 电枢磁场分布直流电机的励磁磁场直流电机的励磁磁场:主主磁磁通通路路径径：所所有有那那些些由由N极极经过气气隙隙到到转子子再再由由另另一一个个气气隙隙返返回回S极极的的磁磁通通是是直直流流电机机中中起起有有效效作作用用的的磁磁通通，称称为主主磁磁通通。主主磁磁通通的的作作用用：它它能能在在旋旋转的的电枢枢绕组中中感感应出出电动势，并并和和电枢枢绕组的的磁磁动势相互作用相互作用产生生电磁磁转矩。矩。漏漏磁磁通通路路径径和和作作用用：不不经过转子子的的磁磁通通统称称为漏漏磁磁通通。漏漏磁磁通通只只增增加加磁磁极极和和定定子子磁磁轭的的饱和程度，不和程度，不产生生电动势和和转矩。矩。16.4 电枢绕组的感应电动势电枢绕组的感应电动势和电压、功率及转矩平衡式和电压、功率及转矩平衡式 本本节将将分分析析电动势大大小小与与每每极极磁磁通通、电机机转速速、绕组型型式式、电刷刷位位置置的的关关系系。为了了便便于于理解，分析理解，分析时作以下假定：作以下假定：(1)电枢表面光滑无槽；枢表面光滑无槽；(2)电枢枢绕组导线数数目目极极多多，在在电枢枢表表面面均均匀匀连续分布；分布；(3)绕组为整距元件；整距元件；(4)电刷位置在磁极的中心刷位置在磁极的中心线上。上。16.4.1 电枢绕组的感应电动势电枢绕组的感应电动势1.导体中的感体中的感应电动势 整个整个电枢枢绕组共有共有有效有效导体数体数为2 电枢绕组的感应电动势电枢绕组的感应电动势 电枢枢绕组的感的感应电动势一个支路有一个支路有N/2a根根导体均匀体均匀连续分布于一个分布于一个磁极下磁极下式中，式中，、分分别是每极平均磁通密度与最是每极平均磁通密度与最大磁通密度；大磁通密度；是平均磁通密度与最大是平均磁通密度与最大磁通密度之比。磁通密度之比。电枢绕组的感应电动势电枢绕组的感应电动势因因为线速度速度又又每极磁通每极磁通 式中，式中，的的单位是位是韦伯伯(Wb)；是常数，是常数，电枢绕组的感应电动势电枢绕组的感应电动势电枢枢绕组的感的感应电动势上式是上式是电刷在交刷在交轴且且绕组为整距整距时，直流，直流电机感机感应电动势的的计算公式。算公式。（1）如果）如果绕组短距或短距或电刷不在交刷不在交轴处，使支路中，使支路中一部分一部分导体的感体的感应电动势因磁因磁场方向相反而反相，方向相反而反相，相互抵消，相互抵消，导致致电刷刷间电动势的减小。的减小。（2）负载时交交轴电枢反枢反应使极面下磁通密度的分使极面下磁通密度的分布布发生畸生畸变，又由于磁，又由于磁饱和影响，和影响，产生交生交轴电枢反枢反应去磁作用，去磁作用，电刷刷间的感的感应电动势与极面下磁通密与极面下磁通密度的分布情况无关，但是与极面下度的分布情况无关，但是与极面下总磁通量成正比，磁通量成正比，这样负载的感的感应电动势比空比空载时略小略小。电枢绕组的感应电动势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势的计算公式电刷间电动势为直流，但是电枢导体的感应电动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：势是交变的，其频率为：16.4.2 电压平衡式电压平衡式1.直流发电机电压平衡式直流发电机电压平衡式并励直流发电机电路图如图并励直流发电机电路图如图16-22（a）所示）所示并励发电机的电枢电流为并励发电机的电枢电流为式中：式中：负载电流，负载电流，励磁电流励磁电流发电机向负载供电，绕组的感应电动势应大于端发电机向负载供电，绕组的感应电动势应大于端电压，即电压，即 ，则，则 每一电刷的接触压降，通常可以认为每一电刷的接触压降，通常可以认为 为常为常数，一般对石墨电刷的压降数，一般对石墨电刷的压降 电压平衡式电压平衡式发电机中感应电动势与电流方向一致，电机输出发电机中感应电动势与电流方向一致，电机输出电功率。电功率。绕组感应电动势绕组感应电动势 ，发电机的转速取决于，发电机的转速取决于原动机，通常保持不变。原动机，通常保持不变。电压平衡式电压平衡式2.电动机电压平衡式电动机电压平衡式并励直流电动机电路如图并励直流电动机电路如图16-22（b）所示。）所示。电源流入电动机的电流为：电源流入电动机的电流为：在电动机中感应电动势的方向与电枢电流的方向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，即相反，称反电动势，反电势较端电压小，即则则16.4.3 功率平衡式功率平衡式1.直流发电机功率平衡式直流发电机功率平衡式把式（把式（16-26）和式（）和式（16-27）相乘，可得并励直）相乘，可得并励直流发电机的电磁功率流发电机的电磁功率 ，实现机械能到电能的，实现机械能到电能的转换，电能为：转换，电能为：发电机输入的是机械功率，外施机械功率不能全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：部转化为电磁功率，因此，输入功率为：功率平衡式功率平衡式 附加损耗，又称杂散损耗，附加损耗，又称杂散损耗，把式（把式（16-30）代入式（）代入式（16-31）得）得式中：式中：总损耗，总损耗，上式是并励发电机的功率平衡方程式，由此可画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，如图出并励直流发电机功率流程图，如图16-23所示所示功率平衡式功率平衡式不变损耗不变损耗：图中机械损耗图中机械损耗 和铁芯损耗和铁芯损耗 空载时就存在，空载时就存在，总称空载损耗总称空载损耗 ，当负载变化时，它们的数值，当负载变化时，它们的数值基本不变，故称为不变损耗。基本不变，故称为不变损耗。可变损耗可变损耗：电枢绕组的铜损耗电枢绕组的铜损耗 和电刷接触压降损耗和电刷接触压降损耗 是是由负载电流所引起的，称负载损耗由负载电流所引起的，称负载损耗，受负载电流，受负载电流大小而变化，故又称可变损耗。大小而变化，故又称可变损耗。功率平衡式功率平衡式空载时空载时电枢电流很小，电枢电流很小，所引起的，所引起的 和和 可忽略不计。可忽略不计。励磁损耗励磁损耗 消耗的功率很小，一般仅为消耗的功率很小，一般仅为 并励发电机的励磁损耗与负载电流大小无关，可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。认为是不变损耗。效率效率:输出功率输出功率 与输入功率与输入功率 之比之比功率平衡式功率平衡式2.直流电动机功率平衡式直流电动机功率平衡式并励直流电动机并励直流电动机由电网供给的电功率为输入功率，即由电网供给的电功率为输入功率，即直流电动机的输入功率扣除电枢铜损耗、电刷的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电损耗及励磁损耗后才是电枢绕组吸收的电磁功率率 ，即电功率转换成机械功率，但是它并不，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是电动机的轴上输出有效的机械功率 ：功率平衡式功率平衡式 附加损耗，附加损耗，计及附加损耗的，直流电动机的功率平衡方程式：计及附加损耗的，直流电动机的功率平衡方程式：上式是并励电动机的功率平衡方程式，由此可画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，如图出并励直流电动机功率流程图，如图16-24所示所示16.5电枢绕组的电磁转矩和电枢绕组的电磁转矩和转矩平衡方程式转矩平衡方程式 电枢枢绕组中流中流过电流，它与流，它与电机磁机磁场相互相互作用，将作用，将产生生电磁力，磁力，电枢受到一个枢受到一个电磁磁转矩。矩。1 一根一根导体受的体受的电磁力磁力产生的生的电磁磁转矩矩2 电枢绕组的电磁转矩电枢绕组的电磁转矩 电枢枢绕组的的电磁磁转矩矩式中，式中，是第是第j根根导体体产生的生的转矩矩一根一根导体受的平均体受的平均电磁磁转矩矩电枢枢绕组的的电磁磁转矩矩又又 N.m 电枢绕组的电磁转矩电枢绕组的电磁转矩转矩常数矩常数 与与电势常数常数 的关系的关系 电磁磁转矩也可由矩也可由电磁功率求得。磁功率求得。绕组不是整距、不是整距、电刷位置位移以及气隙磁刷位置位移以及气隙磁场变化等也会化等也会对电磁磁转矩矩产生影响。生影响。转矩平衡方程式转矩平衡方程式1.直流发电机转矩平衡式直流发电机转矩平衡式由原动机供给的外施机械转矩为由原动机供给的外施机械转矩为直流发电机的电磁转矩直流发电机的电磁转矩T是电磁作用使发电机转是电磁作用使发电机转子受到制动的阻力转矩，即反转距（制动转矩）子受到制动的阻力转矩，即反转距（制动转矩）空载损耗空载损耗 所引起的空载制动转矩为所引起的空载制动转矩为直流发电机的转矩平衡方程式为直流发电机的转矩平衡方程式为转矩平衡式转矩平衡式2.直流电动机转矩平衡式直流电动机转矩平衡式直流电动机的电磁转矩是用以带动机械负债的驱直流电动机的电磁转矩是用以带动机械负债的驱动转矩。动转矩。电动机的转矩平衡方程式：电动机的转矩平衡方程式：式中：电磁转矩式中：电磁转矩 轴上输出转矩轴上输出转矩 空载制动转矩空载制动转矩转矩平衡式转矩平衡式任何直流电机既可以作为发电机，又可以作为电任何直流电机既可以作为发电机，又可以作为电动机。动机。（1）若电机由原动机驱动，且电枢的感应电势）若电机由原动机驱动，且电枢的感应电势 则电枢向电网输出电流，此时电磁转矩是则电枢向电网输出电流，此时电磁转矩是起制动作用的制动转矩，电机为发电机状态；起制动作用的制动转矩，电机为发电机状态；（2）若电枢的感应电势）若电枢的感应电势 则电枢电流和相则电枢电流和相应的的电磁转矩将变为零，电机为理想空载状态；应的的电磁转矩将变为零，电机为理想空载状态；（3）若电枢的感应电势）若电枢的感应电势 ，则电网向电枢，则电网向电枢输入电流，此时电磁转矩是起拖动作用的驱动转输入电流，此时电磁转矩是起拖动作用的驱动转矩，电机为电动机状态。矩，电机为电动机状态。直流电机的电枢电动直流电机的电枢电动势和电磁转矩势和电磁转矩Armature electromotive force and electromagnetic torque电枢电动势 armature electromotive force产生产生:电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电枢电动势.大小:性质性质:发电机:电源电势(与电枢电流同方向);电动机:反电势(与电枢电流反方向).电磁转矩electromagnetic torque产生产生:电枢绕组中有电枢电流流过时电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁在磁场内受电磁力的作用场内受电磁力的作用,该力与电枢铁心半该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩径之积称为电磁转矩.大小:性质性质:发电机:制动(与转速方向相反);电动机:驱动(与转速方向相同).本章小结本章小结1.掌握直流掌握直流电机机电枢枢绕组的基本知的基本知识：实槽槽数、虚槽数、元件数、数、虚槽数、元件数、换向片数等的关系，向片数等的关系，知道知道单波波绕组和和单叠叠绕组并并联支路数的特点支路数的特点和并和并联支路支路图的的联结；2.掌握直流掌握直流单叠叠绕组的的绕组展开展开图的的绘制；制；3.掌握直流掌握直流电机机电枢枢电动势和和电磁磁转矩的矩的计算算;4.了解了解单波波绕组和其它和其它绕组形式。形式。重点：重点：电枢枢电动势和和电磁磁转矩的矩的计算算本章小结本章小结5.理解直流理解直流电机的磁路分布特点机的磁路分布特点;6.理解直流理解直流电机励磁磁机励磁磁动势和磁化特性和磁化特性曲曲线；7.掌握直流掌握直流电机的机的电压平衡方程式和平衡方程式和转矩平衡方程式；矩平衡方程式；8.掌握如何判断直流掌握如何判断直流电机的工作状机的工作状态。