第二十四章-直流电机的磁势、电势和基本方程式

1第二十四章直流电机的磁势、电势和基本方程式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2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。24-1直流电机空载时磁路及磁势一、空载时的磁路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。3在主极绕组（匝数为Wf）中通入电流产生磁场N极及S极主磁通所经过的路径：N极—气隙—电枢齿—电枢轭（分两路）—电枢齿—气隙—S极—定子轭—回N极一、空载时的磁路4空载时的磁通、磁路主磁通交链励磁绕组和电枢绕组，电枢旋转时，切割主磁通，在电枢绕组中感应电势，产生电磁转矩。漏磁通只是增加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通比主磁通小得多，大约是主磁通的20%。5主磁通和漏磁通主磁通Φ和漏磁通Φσ由同一磁动势建立；Φ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；漏磁通比主磁通小得多，大约是主磁通的20%。全电流定律全电流定律：闭合路径包围的总磁势=沿任一闭合回路磁场强度的线积分ldHWIff6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计算方法：1先求经过某一段的磁通2根据该段的截面积S计算该段的磁密B3由B在磁化曲线上查HfffIWF2jjmmjajatataflHlHlHlHlHHlF222以上分别为气隙，电枢齿，电枢轭，主极铁心和磁轭中磁场强度平均值以及相应段磁路平均长度（If：励磁电流，Wf：每极励磁绕组匝数）二空载时的磁势7二空载时的磁势60106.12KBKBF两个空气隙所需的磁势为各部分平均磁场强度的计算BHSBS----通过该部分气隙磁通----该部分的截面积----该部分材料的导磁率BK----气隙磁密，（特）----气隙长度，（米）----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8当转速一定时，所以磁化曲线有代表0E()0c120If(Ff)FfNFab直流电机空载磁化曲线00E)(0fFfNE气隙线磁化曲线：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。直流电机空载磁化曲线直线，不饱和部分膝点饱和部分)(0fIfE9主极磁场磁密分布气隙某处磁通或磁密的大小取决于该处的磁势和磁阻的大小忽略铁磁材料消耗的磁势，励磁绕组通过励磁电流后建立的总磁势全部消耗于气隙中。均匀气隙电机中，极弧范围内的气隙大小相等，各点磁阻相同，所以各点磁密大小相等；极弧范围外磁路气隙长度增大，磁密减小，到两极间几何中性线上，磁密为零。整个磁极下磁密分布为接近于矩形的平顶波10空载时直流电机的磁场由磁极的直流励磁电流产生，空气隙磁场不随时间变化，是恒定磁场；空间上，忽略极面下的齿槽效应，沿极面均匀分布。边缘磁通空间上，非正弦分布，在导体中感应电势将包括有高次谐波。11NSBax主极磁场磁密分布曲线1224-2直流电机负载时电枢磁势及磁场空载时：气隙中仅有主极磁场，其分布对称于主极轴线负载时：电枢绕组中有电流，产生电枢磁势，建立电枢磁场。主磁势和电枢磁势共同作用建立负载时的气隙磁场，电枢磁势对主极磁场的影响称为电枢反应fF励磁电流所建立的磁场电枢电流所建立的磁场气隙磁场13一、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。14电刷在几何中线上时的电枢磁势波形从几何中性线处，将电枢外圆展开时，电枢磁势、磁密的分布NSB为马鞍形15直流电机的电枢磁势是幅值固定的空间分布波，只是空间的函数交流电机的电枢磁势是幅值随时间按正弦规律脉动的空间分布波如沿电枢分布的线圈无限增多，则级形波将趋近于三角形波16BaxFaxxA/20NSBaxFaxxA/20B为马鞍形17二、电刷不在几何中性线上电枢磁势交轴电枢磁势Faq直轴电枢磁势Fad1824-3直流电机的电枢反应负载时电枢磁势对主磁场的影响叫电枢反应交轴电枢磁势对主磁场的影响为交轴电枢反应直轴电枢磁势对主磁场的影响为直轴电枢反应NSBax主极磁场磁密分布曲线19空载磁场电枢磁场一、电刷在几何中性线上的电枢反应发电机电动机NSS4S3S1S2BxBaxxB0空载时几何中性线与物理中性线一、电刷在几何中性线上的电枢反应发电机电动机NSS4S3S1S2BxBaxxB0空载时几何中性线与物理中性线一、电刷在几何中性线上的电枢反应①使磁场的零点偏移；②不饱和时，每极磁通量不变；③饱和时，每极磁通量会减少。④使气隙磁场畸变，每一极下主磁场的一半被加强，一半被削弱。22顺着发电机方向移二、电刷不在几何中性线上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：去磁发电机：电枢顺n旋转方向偏移电动机：电枢逆n旋转方向偏移电刷顺着发电机旋转方向移23二、电刷不在几何中性线上逆着发电机方向移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24电枢反应：负载时电枢磁动势对主极磁场的影响1、交轴电枢磁动势和交轴电枢反应影响：1）、引起气隙磁场畸变，使电枢表面磁密等于零的位置（物理中性线）偏离几何中性线，2）、不计饱和时，交轴电枢反应既无增磁、亦无去磁用;计及饱和时，交轴电枢反应具有一定的去磁作用。2、直轴电枢磁动势和直轴电枢反应发电机：电刷顺电枢旋转方向移动，电枢反应为去磁；电刷逆电枢旋转方向移动，电枢反应为增磁。电动机：与发电机的情况相反。25三电枢反应对直流电机的影响电刷总是位于交轴，电枢反应则只有交轴分量没有直轴分量。交轴磁势对气隙磁场的影响是一半极面下磁通增加，一半下减小，不考虑饱和时，总磁通不变。1．电枢反应的去磁作用将使每极略有减小E0Ff0FfFf00如果负载时励磁电流与空载时相等，则负载时每极磁通也与空载时相同。电刷间感应电势只与每极磁通成正比，与极面下磁通分布无关，所以负载和空载时电刷感应电势数值相同。IfE026三电枢反应对直流电机的影响由于磁路饱和作用的影响，使极面下增加的磁通小于减小的磁通，交轴电枢磁势Faq将使每极磁通略有减少，Faq存在交磁作用和去磁作用1．电枢反应的去磁作用将使每极略有减小E0Ff0FfFf0Faqd0可用等效直轴去磁磁势Faqd表示这种去磁影响，Faqd的大小随电枢电流变化，也取决于磁路饱和程度。为简便起见，近似认为（电枢电流），这时同样大小的If产生的E0↓IFdaq27E0Ff0FfFf0Faqd0E0if0ifif0if0ffffaqdfIIIFFF00Ff为磁极磁势，Ff0为用以产生磁通的有效磁势。可见要保持E0不变必须增加励磁电流If，以弥补交轴磁势Faq的去磁作用。三电枢反应对直流电机的影响结论：电机转速和励磁电流一定，由于交轴电枢反应去磁作用，使负载时感应电势比空载略小。要保持感应电势不变，需增加励磁电流，以补偿交轴电枢反应的去磁作用28(二)电枢反应使极面下磁密分布不均匀，从而使各换向片间电势也分布不均，当电机过载特别是冲击性负载下，可能导致环火的产生碳刷不在几何中性线上应计入Fad的影响（三）在交轴处的电枢磁场将妨碍线圈中的电流换相三电枢反应对直流电机的影响29例24-1一台四极直流发电机，额定电压为230V，额定电枢电流为84.8A,额定转速为1450r/min.电枢回路总电阻为0.147Ω.励磁绕组匝数为880匝。在额定运行情况下的励磁电流为2.85A.当转速为1450r/min时,测得电机空载特性曲线如下:E0(V)44104160210240258275If0(A)0.370.911.452.002.382.743.28试求当该机在额定运行情况下,电枢反应的等效去磁安匝Faqd30解:已知在额定运行情况下电枢感应电势为利用插入法,求得对应于时有效励磁电流为额定情况下实际励磁电流为用于补偿电枢反应去磁作用的等效励磁电流为电枢反应的去磁安匝为电枢反应的去磁安匝约为总励磁磁势的15%147.0,8.84,230aaNNRAIVU)(5.242147.08.84230VRIUEaaNNaNVEaN5.242)(43.22402582405.242)38.274.2(38.20AIfAIfN85.2)(42.042.285.20AIIIffNf37088042.0ffaqdIF3124-4电枢绕组的感应电势电枢绕组电势指正负电刷间的电势，它等于支路电势，即一条支路中各导体电势总和;电枢电势的计算：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。设总导体数为N，共有2a条并联支路，每条支路导体数为N/2a，则电枢绕组电势:（为N/2a条导体电势之和）32一根导体的平均电势：LvBeavavavBLBav：主极气隙磁场的平均磁密（）v：电枢表面线速度NSτaxl若电枢铁心直径为Da，主极数为2P，电枢表面周长电枢转速为n，则电枢表面线速度602nPvPDa2L：导体有效长度nCnaPnnPLLaNeaNEeava606022260PNCe：电势常数33（1）对一直流电机，不计饱和时，若不计磁饱和，则得到电势的另一种表达式其中fefaICE260;nIKIfffnEEaa;afaEIE;结论：（2）Ea仅与磁通的大小有关，与的具体分布无关，如的分布变化而总量不变，则变化的是各元件电势大小，而Ea不变feefKCC2603424-5直流电机的电磁转矩一根导体的平均电磁力：总导体数为NaiavavilBfaIiaa2作用在电枢上的总电磁力：NilBNffaiavav电磁转矩：aTaaiiICIapNpNaIllT2222CT:转矩常数22DNiLBDfTaav35aTICTeTCaNPaPNC55.9602602afTfaffTfffIICIIKCTIKI，,若不计磁饱和:CT：转矩常数xBavB气隙磁场和载流导体的分布fTTfKCC一台制造好的电机，它的电磁转矩正比于每极磁通和电枢电流，与磁密分布无关。3624-6直流电机的基本方程式电势平衡方程式转矩平衡方程式3724-6直流电机的基本方程式电势平衡方程式转矩平衡方程式nCEea一电势平衡方程式无论发电机，电动机，电枢旋转时，都有感应电势381．他励直流电机励磁电流由其它电源单独供电,电枢电流为线路电流：Ia=I励磁回路：Uf=RfIfIaIfUf+-EaU发电机IaIfUf+-EaU电动机电枢回路39IaIfUf+-EaU发电机IaIfUf+-EaU电动机电动机：相当于反电势，aaaaaRIEuRIEU2发电机：uRIUEaa2（u：电刷上接触压降）或aaaRIUERa：电枢回路总电阻电枢回路40IaIfUfEaU发电机电动机IIaIfUfEaUI2.并励直流电机发电机：励磁电流由电枢供电电动机：励磁和电枢电流均由电源供电UUffaIIIfaIII励磁回路和电枢回路电压方程与他励时相同,但需满足下列条件励磁绕组与电枢绕组并联41IaIfEaU发电机电