3直流电机的磁场(精品)

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,*,页,第三章 直流电机的磁场,引言,3.1,直流电机的空载磁场,3.2,直流电机的电枢磁动势和磁场,3.3,直流电机的电枢反应,3.4,直流电机的感应电动势,3.5,直流电机的电磁转矩,小结,10/4/2024,1,引言,磁场是由电流产生的。直流电机负载运行时的磁场由励磁电流和电枢电流共同建立，情况比较复杂。,先将二者分开讨论，然后再在磁路不饱和假设条件下，运用叠加原理考察二者共同作用时的情况。,首先分析直流电机的空载磁场，即,I,a,0,时，仅由,I,f,建立的励磁磁场，也叫主磁场。,10/4/2024,2,3.1,直流电机的空载磁场,一、磁通与磁动势,二、主磁场分布,三、磁化曲线,10/4/2024,3,图示为一台四极直流电机在忽略端部效应时的空载磁场分布图示例，即只考虑二维分布。下面结合谈示例讨论直流电机空载磁场的基本特点。,10/4/2024,4,一、磁通与磁动势,其中绝大部分从主极铁心经气隙、电枢，再经过相邻主极下的气隙和主极铁心，最后经定子磁轭闭合，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,；每极主磁通记为,0,。,另一小部分不穿过气隙进入电枢，而是经主极间的空气或定子磁轭闭合，不参与机电能量转换，称为,漏磁通,。漏磁通记为,。,10/4/2024,5,则通过每个主极铁心中的总磁通为,m,=,0,=,0,(1,/,0,)=k,0,式中，,k,=(1,/,0,),。称为主极漏磁系数，其大小与磁路结构即磁场分布情况有关，通常,k,=1.15,1.25,。,10/4/2024,6,设产生主磁通,0,的每对极励磁磁动势为,F,0,，则由全电流定律有,要计算电机中的磁场，只须利用全电流定律。在磁场中沿任一路径环绕一周，均有如果列出足够的方程，就可解算出电机各处的磁场。实际上，这样计算是极为繁难的。所以，通常均作一些简化，其假定如下,(1),忽略电机中磁场在轴向分布的不同。把三维空间磁场的问题简化为二维空间的问题。,(2),将主磁通的磁路分为几段，各段的磁场均假定为一个均匀磁场。各段所消耗的磁动势为各均匀磁场强度,(,称为计算磁场强度,),与所取各段磁路长度,(,称为计算磁路长度,),的乘积，从而把问题又简化为一维空间的问题，使计算工作大为简化。,10/4/2024,7,(1),两个气隙，计算长度为,2,，磁场强度为,H,。,(2),两个齿，计算高度为,2h,z,，磁场强度为,H,z,。,(3),两个主极，计算高度为,2h,m,，磁场强度为,H,m,。,(4),一个定子轭，平均长度为,L,j,，磁场强度为,H,j,。,(5),一个转子,(,电枢,),轭，平均长度为,L,a,，磁场强度为,H,a,，用磁路计算方法求得磁动势,F,0,，以及相应的励磁电流,I,f,。,10/4/2024,8,在计算各部分的计算磁场强度,H,时，通常先算出该部分的计算平均磁通密度,B,av,/S,式中，,为该段磁路的计算磁通，,S,为该段磁路的计算截面积。,然后，根据磁路材料的,B,H,曲线，找出对应于某一磁通密度,B,下的,H,值。如果磁路是空气隙，则,H,B/,0,。,上述各段磁路中，气隙磁路所消耗的磁动势最大，是分析的重点。,10/4/2024,9,二、主磁场分布,电机空载时主极下气隙磁通,0,的大小正比于主极励磁磁动势,2F,f,，而反比于主磁路的总磁阻。气隙部分为空气，其磁导率近似为,0,很小，其磁阻很大，而其他各段磁路的材料都是铁磁材料。在磁路不太饱和的情况下，其磁导率比空气磁导率大得多，其磁阻也就比空气隙小得多，相应地消耗在各段铁磁材料中的磁动势也远比空气隙的要小，如忽略铁中消耗的磁动势。,10/4/2024,10,设电枢表面光滑无齿，气隙磁动势为，,x,处的气隙长度和气隙磁密分别为,(x,),和,B,0,(x),，则有,即,(x,),和,B,0,(x),成反比。由于主极下的气隙是不均匀的，且极靴宽度小于极距，故气隙磁密在一个极下的分布规律如图所示，通常为一平顶波。,10/4/2024,11,三、磁化曲线,磁化曲线的起始部分几乎是一条直线。这是因为主磁通很小时，磁路中的铁磁部分没有饱和，所需电动势,(,即磁压降,),远较气隙中的小得多，,0,与,F,0,的关系几乎也就是,0,与,F,的关系，而后者是线性关系，故显示为直线。把磁化曲线的起始直线延长，即为电机的气隙磁化曲线,0,f(F,),。简称,气隙线,。,直线段往后，随着,0,的增大，磁通密度不断增加，铁磁部分逐渐步入饱和，磁导率急剧下降，所需磁动势,F,Fe,显著增长，磁化曲线偏离气隙线面弯曲，最后进入深度饱和。,10/4/2024,12,电机磁路的饱和程度，以电机额定转速下空载运行时产生暂定电枢电压所需磁动势,F0,与同一磁通下气隙线上的磁动势,F,的比值来表示，即,称,k,为饱和系数，一般电机,k,=1.1,1.35,。饱和系数的大小对电机的运行性能和经济性有重要影响。因此，为了最经济地利用材料，电机的额定工作点一般设计在磁化曲线开始弯曲的所谓“,膝点,”附近。,10/4/2024,13,磁化曲线的纵坐标有时不用,F,0,，而用,I,f,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,0,，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(I,f,),和,0,=,f(I,f,),或,U=f(F,0,),等多种形式，只需变换一下有关比例系数即可。,10/4/2024,14,3.2,直流电机的电枢磁动势和磁场,一、电刷放在几何中性线上时的电枢磁动势和磁场,二、电刷不在几何中性线上时的电枢磁动势,10/4/2024,15,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。,10/4/2024,16,一、电刷放在几何中性线上时的电枢磁动势和磁场,由于电枢绕组各支路中的电流是由电刷引入或引出的，故,电刷是电枢表面电流分布的分界线。,从图可见，,电枢磁动势的轴线总是与电刷轴线重合,。,与主极轴线正交的轴线通常称为,交轴,。,与主极轴线重合的轴线称为,直轴,。,所以,当电刷位于几何中性线上时，电枢磁动势是交轴电枢磁动势,。,10/4/2024,17,设磁路为不饱和，并取,Fe,，因而可忽略铁心中的磁位降，则此电枢磁动势将全部消耗在二个气隙上，此时作用在,x,点处每个气隙的电枢磁动势,f,a,(x,),应为,A,为,电枢的线负荷,，它是沿电枢表面单位长度上的安培导体数。当,i,a,一定时，,A,是常数。,10/4/2024,18,在,/2x/2,之间应用上式，可画出电枢磁动势沿电枢表面的分布如图,b,下部的粗线所示。图中纵坐标为磁动势，当磁场方向从电枢到主极时，磁动势为正，当磁场方向由主极到电枢时，磁动势为负。由图可见，电枢磁动势沿空间的分布呈三角形，在正负两电刷之间的中心点处为零，而在电刷处达到,最大值,10/4/2024,19,可见，当电刷放在几何中性线上时，电枢磁动势轴线也在几何中性线上，电枢磁动势轴线恰与主极轴线正交（空间上相差,90,电角度）。这种电枢磁动势称为,交轴电枢磁动势,，其最大值记为,F,aq,，所以当电刷放在几何中性线上时，,10/4/2024,20,以上分析是基于电枢无槽而且导体均匀分布于电枢表面才会出现三角波,F,ax,。若电枢有槽，导体放在槽中，则,F,ax,的分布是一阶梯波，但其最大值仍在电枢表面的几何中性线上，电枢磁动势的基本特征与三角波一样。,已知电枢磁动势沿气隙的分布，即可求得电枢磁场沿气隙的磁通密度分布为,10/4/2024,21,如果极靴下的气隙是均匀的，,B,ax,则沿气隙的分布如图,b,中细线所示。从图可见，在极弧范围内电枢磁通密度的分布曲线,B,ax,是通过,o,点的直线，但在相邻两主极之间的空间内，由于气隙很大而磁阻急刷增大，故,B,ax,急速减小，磁通密度曲线变成了马鞍形。,10/4/2024,22,二、电刷不在几何中性线上时的电枢磁动势,实际电机中，由于装配误差或其他原因，电刷有时不能恰好在几何中性线上。,设电刷离开几何中性线的角度为,，相当于在电枢表面移过弧长为,b,的距离，见图。,由于电刷仍为电流分布的分界点，我们把电枢磁动势分为两部分来研究：一部分为,2,角以外的（,2b,）范围内的导体电流产生的与上述情况相似的交轴电枢磁动势，见图,b,，其最大值为,10/4/2024,23,另一部分由,2b,范围内的导体电流产生的磁动势，此磁动势的磁场轴线在主极轴线上，见图,c,，称为,直轴电枢磁动势,，其最大值为,10/4/2024,24,在图中画出了当电刷不在几何中性线上时的电枢磁动势分布曲线。此时电枢磁动势 仍为三角形波，只是波幅随电刷从电枢表面的几何中性线移动了一个,b,的距离，如图中曲线,1,所示。它的两个分量，交轴分量 和直轴分量 的分布曲线分别如图中曲线,2,和,3,所示。曲线,1,为曲线,2,和,3,之和。,10/4/2024,25,当电刷从几何中性线移过,角时，除交轴电枢磁动势外，还会产生直轴电枢磁动势。,无论电枢是静止或是旋转，都是正确的。电枢旋转时，组成各支路的元件虽然在不断旋转，但由于换向器的换向作用，每一支路中元件的电流方向总保持不变，从而使电枢磁动势总在空间固定不动。,10/4/2024,26,3.3,直流电机的电枢反应,一、交轴电枢反应,二、直轴电枢反应,10/4/2024,27,电枢反应理论是电机学的经典内容之一，也是运用叠加原理解决复杂工程问题的典型范例。,前面，已把电枢磁场从负载磁场中分出来单独进行了考察，认识了电枢磁场的性质和特点。在此基础上，还进一步考察了电枢磁场的交轴分量和直轴分量。,接下来要做的就是再分别考虑交轴分量和直轴分量对励磁磁场的作用与影响，前者称之为交轴电枢反应，后者称之为直轴电枢反应。,10/4/2024,28,一、交轴电枢反应,当电刷放在几何中性线上时，若忽略铁心的磁阻，可知电枢磁场,B,ax,沿电枢表面的分为,式中，,(x),为气隙长度。,10/4/2024,29,由于极靴下的气隙较小、且基本为均匀，所以极靴下的电枢磁场随电枢磁动势的增大而正比增大，由于极间气隙较大，所以极间部分的电枢磁场大为削弱；整个交轴电枢磁场的分布曲线呈马鞍形，如图,b,所示。不计饱和时，把主极磁场和电枢磁场叠加，即可得到负载时的气隙合成磁场。,10/4/2024,30,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,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,。,10/4/2024,31,当磁路不饱和时，磁路的磁阻为常值，此时可把主极磁势建立的磁场与交轴电枢磁势建立的磁场相叠加，如图,b,所示。图中曲线,B,0 x,。表示空载时由主极磁势所建立的磁场沿电枢表面的分布图形。曲线,B,ax,表示由交轴电枢磁势单独建立的电枢磁场沿电枢表面的分布图形。根据叠加原理，把曲线,B,0 x,与曲线,B,ax,叠加，便得负载后气隙合成磁场沿电枢表面的分布曲线,B,x,。由图看出交轴电枢反应对气隙磁场的影响如下：,10/4/2024,32,由图看出交轴电枢反应对气隙磁场的影响如下：,（,1,）,使气隙磁场发生畸变,。每个主极下的磁场，一半被削弱，另一半被加强。以发电机为例，前极尖,(,电枢转动时进入的极尖,),被削弱，后极尖,(,电枢离开的极尖,),被加强。对电