1-5+直流电机的磁场

第五节直流电机的磁场直流电机的磁场，是电机实现机电能量转换必不可缺少的因素，而且直流电机的运行性能在很大程度也取决于磁场的特性，因此，研究直流电机磁场的形成、分布及特点是十分必要的。一、直流电机的空载磁场二、直流电机的电枢磁场三、直流电机的电枢反应四、直流电机电枢电势、电磁转矩、电磁功率的计算一、直流电机的空载磁场1．空载磁场的形成、分布及特点（1）空载磁场的形成直流电机空载（发电机与外电路断开，没有电流输出；电动机轴上不带机械负载）运行时，其电枢电流等于零或近似等于零。因而空载磁场可以认为仅仅是由励磁电流通过励磁绕组建立的。2、空载磁场的分布下面以四极电机为例，来分析空载磁场的分布。由于励磁绕组通入直流电流后，各主磁极应依次为N极和S极，由于电机磁场对称，不论极数多少，每对极下的磁场分布是相同的，因此，可以只讨论一对极下的情况。上图表示一台四极直流电机空载时，由励磁电流单独建立的空载磁场分布图。空载时磁通包括主磁通和主极漏磁通两部分。主磁通：磁通由一个N极出来，经过气隙进人电枢的齿，分左右两路经过电枢轭、电枢齿、空气隙和相邻S极，然后经过定子轭回到N极而构成闭合回路，这部分磁通称为主磁通。这部分磁通同时交链励磁绕组和电枢绕组，是电机进行能量转换的关键，用Φ0表示。主极漏磁通：磁通从N极出来后并不进入电枢，而是经过空气隙直接进入相邻的磁极或磁轭，这部分磁通称为主极漏磁通。这部分磁通只交链励磁绕组，用表示。主磁通所经路径的空气隙较小，磁阻较小，而主极漏磁通所经路径的空气隙较大，则磁阻较大，所以，在同样的磁势作用下，漏磁通要比主磁通小得多。一般电机的主极漏磁通约为主磁通的15～20%。（3）空载磁场的特点根据空载磁场的分布，其特点分析如下：①在空间静止不动；②以主极轴线为对称轴对称分布；③气隙中磁密的分布波形近似为梯形波。根据磁路欧姆定律，气隙某处磁密的大小，取决于该处的磁势和磁路磁阻的大小，忽略铁心材料的磁阻，可认为磁势全部降落在气隙中。直流电机的主极气隙是不均匀的，极下部分气隙大小相等而且数值很小，因此在极下部分磁密的大小相等且数值较大。靠近极尖处气隙逐渐增加，磁密明显减少，在两极之间的几何中心线上，磁密等于零。若不考虑电枢表面齿和槽的影响，在一个磁极极距范围内，气隙磁密分布近似为梯形波，如图1-36所示。空载时气隙磁密的分布空载时的气隙磁通密度为一平顶波，如下图(b)所示。空载时主磁极磁通的分布情况，如右图(c)所示。2、直流电机的磁化曲线直流电机的磁化曲线：是指主磁通Φ0与励磁磁势Ff之间的关系曲线即一定的励磁磁势产生一定的主磁通，改变励磁磁势则主磁通随之改变。励磁磁势Ff与相应主磁通Φ0的大小关系，仅和电机所用材料和几何尺寸有关，而和电机的励磁方式无关。主磁通Φ0与励磁磁势Ff之间的关系，可根据磁路计算得到。)(0fFf直流电机的磁化曲线有如下特点：（1）主磁通较小时，磁化曲线近似为线性。因为，当主磁通很小时，电机中铁磁材料部分的磁路没有饱和，磁阻很小，所需磁势很小，此时励磁磁势几乎全部降落在气隙中，因气隙磁阻是常数，所以Φ0与Ff成正比，近似为线性关系。（2）主磁通增加到一定时，磁化曲线开始弯曲，趋向水平。随着磁通的增加，电机中铁磁材料部分的磁路开始饱和，铁磁部分所需的磁势很快增加（因铁磁材料的磁阻增加很快），不能忽略，所以磁化曲线开始弯曲，趋向水平。也就是说，此时磁势Ff增大较快，主磁通Φ0却增加很少。磁路将饱和而未饱和的转折点称为膝点。电机在正常运行时，常将额定磁通值取在膝点附近，如图中N点。这样，可使磁势Ff不太大时获得较大的磁通Φ0，使电机的各种材料得到更合理的使用。二、直流电机的电枢磁场直流电机带上负载后，电枢绕组中有电流，电枢电流产生的磁动势称为电枢磁势。电枢磁势的出现使电机的磁场发生变化。电枢绕组中的电流建立的磁场称为电枢磁场。右图为一台电刷放在几何中性线的两极直流电机的电枢磁场分布情况。假设励磁电流为零，只有电枢电流。由图可见电枢磁场在空间的分布情况。注意：电枢磁场的分布情况与电枢电流的分布情况有关。在直流电机中，电枢电流的分界线是电刷，所以电枢磁场的分布情况与电刷的位置有关。电刷的正常位置，应在主极轴线下的换向片上，这时与电刷相连接的电枢线圈位于几何中心线上或附近。为分析方便，图中没有画出换向器，直接把电刷画在与之相连的线圈边上。所以在正常情况下，电刷直接画在几何中心线上。应注意，图上电刷的位置并不是实际电刷的位置。下面分两种情况来分析气隙中电枢磁场的分布。1．电刷在几何中心线上设电枢电流的分布如上图所示，由于电枢电流的分布以电刷所在轴线为对称轴对称分布，根据右手定则可判定电枢磁场的分布如图所示。电刷在几何中心线上时电枢磁场的特点分析如下：⑴在空间静止不动。因为只要电刷固定不动，电枢电流的分布就不变，因此，电枢磁场的方向不变，即电枢磁场是静止不动的。⑵以电刷的轴线为对称轴对称分布，此时是交轴电枢磁场。因电枢磁场的轴线与主极磁场的轴线（直轴即d轴）在空间垂直，所以电枢磁场为交轴（q轴）电枢磁场。⑶电枢磁密Ba在空间的分布为马鞍形。从几何中心线处将电枢展开成一直线，以主极轴线与电枢表面的交点作为坐标原点，在一极距范围内，以原点为中心取一闭合磁回路，该回路与电枢表面的交点距原点距离为±l。根据全电流定律，可知作用在这个闭合回路上的磁势为：ilFax2若忽略铁磁材料的磁阻，则上述磁势仅消耗在两段气隙上，距原点l处每个气隙段所消耗的电枢磁势为Fal的1/2。若规定电枢磁势由电枢指向主磁极为正，根据可得，沿电枢表面电枢磁势的分布曲线为三角波，如图1-39所示。当气隙均匀时（在极面下），磁密与磁势成正比；当气隙显著增大时（在几何中心线处），由于磁路磁阻的增大，磁密反而减小，使得电枢磁密沿电枢表面的分布呈马鞍形，如图1-39所示。ilFal21电枢磁势和电枢磁密的分布2．电刷不在几何中心线上由于电机装配误差或其他原因，电刷的位置常常偏离几何中心线一个角度，如图1-40所示，由于电枢导体中电流的分布仍以电刷为界，故电枢磁势的轴线也随之移动一个角度，此时电枢磁势既不在交轴上又不在直轴上。为分析方便，把电枢磁势分解为交轴电枢磁势和直轴电枢磁势两部分。此时电枢磁场也可看作由直轴电枢磁场和交轴电枢磁场两部分组成。由于直轴电枢磁势与主极磁势重合，所以直轴电枢磁势建立的直轴电枢磁场的分布及特点与主极磁势建立的主磁场相同。交轴电枢磁势建立的交轴电枢磁场的分布及特点也已在上面分析过。电刷从几何中性线偏移角，电枢磁动势轴线也随之移动角，如图(a)(b)所示。adFaqF电枢磁动势可以分解为两个垂直分量：交轴电枢磁动势和直轴电枢磁动势。电刷顺转向偏移电刷逆转向偏移发电机交轴和直轴去磁交轴和直轴助磁电动机交轴和直轴助磁交轴和直轴去磁三、直流电机的电枢反应电机在负载运行时，电枢电流产生电枢磁场，电枢磁场的出现，对主极磁场的分布有明显的影响。这种电枢磁场对主极磁场的影响称为电枢反应。交轴电枢磁势对主磁场的影响称为交轴电枢反应。直轴电枢磁势对主磁场的影响称为直轴电枢反应。1．交轴电枢反应直流电动机气隙磁场分布图以直流电动机为例，分析交轴电枢反应性质是：（1）电枢反应使磁极下的磁力线扭转，合成磁场发生畸变。（2）电枢反应使每一个磁极下的磁通量减小。在磁路不饱和时，因主磁场被削弱的磁通数量也恰好等于被增强的磁通数量。因此，负载时每极下的合成磁通量仍与空载时的主磁通量相同。不过在实际情况下，电机的磁路总是比较饱和，因此增强的磁通量小于减少的磁通量，故负载时每极合成磁通比空载时每极磁通量略小。我们称此为电枢反应的去磁作用。（3）由于气隙密度分布不均匀，使电枢绕组中每个线圈感应电势不等，造成换向片间电位差增大，增加换向困难。2．直轴电枢反应直轴电枢反应性质是：若直轴电枢磁势Fad与主极磁势Ff方向相同，增磁作用。若直轴电枢磁势Fad与主极磁势Ff方向相反，去磁作用。四、直流电机电枢电势、电磁转矩、电磁功率的计算1．电枢电势Ea电枢电势Ea是指电机正负电刷间的电势，即正负电刷之间每一并联支路的电势，等于支路中所有串联导体感应电势之总和。nCEea2．电磁转矩载流导体处于磁场中会受到电磁力的作用，所以当电枢绕组中有电流通过时，构成绕组的每根导体在气隙中将受到电磁力的作用从而形成电磁转矩。电磁转矩T是指电枢绕组中每根导体所受电磁转矩的和。aTICT3．电磁功率无论是发电机还是电动机，电磁功率均指电机通过电磁感应原理进行能量转换的这部分功率，可以表示为机械功率的形式，也可以表示为电功率的形式。无论是发电机还是电动机，电磁功率都可表示为：TIEPaaem在发电机中，表示发电机把转子获得的机械功率转变为电功率；在电动机中，表示电动机把转子获得的电功率转变为机械功率。