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1、电机及拖动基础,直流电机磁场,主讲人：孔祥新,曲阜师范大学,电 气 信 息 与 自 动 化 学 院,直流电机的磁场,重点（1）励磁方式（2）气隙磁场的分布情况（3）影响气隙磁场的因素(电枢反应）（4）气隙磁场的分布波形,一、励磁方式,根据直流电机中励磁绕组和电枢绕组的联结方式区分的。,一、直流电机的励磁方式,他励 并励 串励 复励,一、直流电机的励磁方式,1.他励：,（1）要求电机控制的场合；,（2）控制微电机；,（3）永磁电机；,显然：主要用作电动机。,励磁绕组与电枢绕组之间无电的联系,2.并励,注意：可以转变为他励的形式。,基本概念：自励。,主要用作发电机。,一、直流电机的励磁方式,励磁绕
2、组与电枢绕组并联,Ia,3.串励,注意：很少用于调速控制上。,应用：电力机车、起重机等。,优点：过载能力强。,励磁绕组与电枢绕组串联起来,一、直流电机的励磁方式,4.复励,大型电机一般都做成复励。,一般一个为主、一个为辅。,综合了并励和串励的形式。,一、直流电机的励磁方式,空载的含义:,二、直流电机的空载磁场,作为发电机，电源输出端不接任何电负载；,作为电动机，机械输出端不接任何机械负载。,用电枢电流表示：电枢电流等于零或小得可以忽略不计的情况。,空载磁场：由主磁极的励磁磁势来建立。,四极直流电机空载时的磁路,二、直流电机的空载磁场,在数量上，漏磁通比主磁通小得多，大约是主磁通的20%。,主磁
3、通与漏磁通：,二、直流电机的空载磁场,主磁通：经过主磁极、气隙、电枢铁心及机座构成磁回路。它同时与励磁绕组及电枢绕组交链，能在电枢绕组中感应电动势和产生电磁转矩，称为主磁通。漏磁通：仅交链励磁绕组本身，不进入电枢铁心，不和电枢绕组相交链，不能在电枢绕组中感应电动势及产生电磁转矩，它只是增加主磁极磁路的饱和程度，称为漏磁通。,主磁极的特点：,1.磁极中心及附近的气隙小且均匀；,2.靠近极尖处，气隙逐渐变大；,3.极尖以外，气隙明显增大；,4.几何中性线，两个磁极中间位置。,二、直流电机的空载磁场,二、直流电机的空载磁场,空载主磁场的分布：,1.磁极中心及附近,2.靠近极尖处,3.极尖以外,4.几
4、何中性线,=大、常数,=减少,二、直流电机的空载磁场,空载主磁场的分布：,1.磁极中心及附近,2.靠近极尖处,3.极尖以外,4.几何中性线,=大、常数,=减少,=显著减少,二、直流电机的空载磁场,空载主磁场的分布：,1.磁极中心及附近,2.靠近极尖处,3.极尖以外,4.几何中性线,=大、常数,=减少,=显著减少,=为零,二、直流电机的空载磁场,空载主磁场的分布：,1.磁极中心及附近,2.靠近极尖处,3.极尖以外,4.几何中性线,=大、常数,=减少,=显著减少,=为零,二、直流电机的空载磁场,有一个假设条件：,忽略电枢齿槽的影响。,空载磁场气隙磁密分布曲线,二、直流电机的空载磁场,直流电机磁密分
5、布,空载磁化曲线,二、直流电机的空载磁场,或,A-膝点,电枢磁场,三、电枢反应,定义：电枢磁场对气隙磁场的影响称为电枢反应。,影响：,1使气隙磁场发生畸变；,2磁场等于零的点偏离几何中性线，到物理中性线；,三、电枢反应,2.关于饱和,(1)不考虑饱和，一个磁极下，增强的与削弱的相同，总量不变；,(2)考虑饱和时，一个磁极下，增强的少于削弱的，总量减少。,三、电枢反应,为了分析方便假定换向片的宽度等于电刷的宽度。,换向是指直流电机的电枢绕组元件从一条支路经过电刷进入另一条支路，该元件电流从一个方向变换为另一个方向。,电枢移到电刷与换向片2接触时，元件1被短路，电流被分流。如图所示。,电刷与换向片
6、1接触时，元件1中的电流方向如图所示，大小为,电刷仅与换向片2接触时，元件1 中的电流方向如图所示，大小为。,1、换向过程的基本概念,四、直流电机中的换向,直流电机电枢绕组元件的换向过程a)换向开始瞬间 b)正在换向瞬间 c)换向结束瞬间,四、直流电机中的换向,元件从开始换向到换向终了所经历的时间，称为换向周期。换向周期通常只有千分之几秒。直流电机在运行中，电枢绕组每个元件在经过电刷时都要经历换向过程。换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生火花。当火花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表面，使电机不能正常工作。产生火花的原因很多，除了电磁原因外，还有机械原因、化学原因。,四、直流电机
7、中的换向,换向元件与换向过程中产生的电动势分为两类：电抗电动势和电枢反应电动势。,1.电抗电动势 换向元件（线圈）在换向过程中电流改变，因此必有自感作用；同时进行换向的元件不止一个，换向元件与换向元件之间，又有互感作用。因此，换向元件中电流变化时，必然出现由自感与互感作用所引起的感应电动势，即(自感电动势和互感电动势)这个电动势称为电抗电动势。根据楞次定律，自感电动势、互感电动势总是阻碍电流变化的，也就是阻碍换向的。,2、换向元件中的电动势,四、直流电机中的换向,2.电枢反应电动势 虽然换向元件位于几何中性线处，主磁场的磁密等于零，但是电枢磁场的磁密不等于零。因此换向元件必然切割电枢磁场，而在
8、其中产生一种旋转电动势，称为电枢反应电动势。说明：电抗电动势和电枢反应电动势都在换向元件内产生阻碍换向的附加电流，在换向过程中，由于电流突变，使线圈内储存的磁场能以火花形式释放出来。,四、直流电机中的换向,3 改善换向的方法,从产生火花的电磁原因出发，减少换向元件的电抗电动势和电枢反应电动势，限制换向元件中的附加电流，就可以有效地改善换向。改善换向常用的方法有以下4种：(1)安装换向极 这是目前改善换向最有效的方法。一般容量为1kW以上的直流电机都装有换向极。换向极安装在主磁极之间，换向极极性确定的原则是换向极绕组产生的磁动势的方向是电枢反应磁动势的相反方向，大小比电枢反应磁动势略大。(见下图
9、),四、直流电机中的换向,为在负载变化时始终有效地改善换向，换向极绕组中应流过电枢电流，即换向极绕组与电枢绕组串联。,换向极电路及磁通,四、直流电机中的换向,(2)调整电刷的位置 在小容量无换向极的直流电机中，将电刷从电枢几何中性线移开一个适当角度，用主磁场来代替换向极磁场，也可改善换向。移动电刷的方向规定为：当电机运行于电动机状态时，电刷应逆着电枢旋转方向移动；而运行于发电机状态时，电刷则应顺着电枢旋转方向移动。若方向不正确将使电机换向更加恶化。,四、直流电机中的换向,(3)增加换向回路的电阻。电刷与换向器之间的接触电阻是换向回路中最重要的电阻，不同牌号的电刷具有不同的接触电阻，选择合适的电
10、刷能改善换向。,(4)装设防止环火的补偿绕组 所谓环火，是指电机正、负电刷之间出现电弧，电弧被拉长，直接从一种极性的电刷跨过换向器表面到达相邻的另一极性的电刷，使整个换向器表面布满环型电弧。出现环火，可在很短时间内损坏电机。为避免环火现象，采用补偿绕组是有效方法之一。补偿绕组嵌置在主磁极极靴上专门冲制的槽内。其中流过的是电枢电流，所以补偿绕组应与电枢绕组串联，其电流方向与对应极下电枢绕组的电流方向相反，显然它产生的磁动势与电枢反应磁动势方向相反，从而补偿了电枢反应的影响。,四、直流电机中的换向,一根导体的平均感应电动势:,五、直流电机感应电动势,每极下的平均磁密:,电机线速度为:,导体平均电动
11、势为：,当电刷放在几何中性线时，电枢感应电动势(每条支路的感应电动势),电动势系数,电磁转矩:电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作用,该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。,六、直流电机电磁转矩的计算,1.设电枢总电流Ia,则流过每一根导体的电流为：,2.每根导体产生的平均电磁力：,六、直流电机电磁转矩的计算,4.电枢表面N 根导体产生的电磁转矩：,3.一根导体所受到的平均电磁转矩,电枢直径,平均磁密,-转矩常数,（三）Ce与CT的关系,六、直流电机电磁转矩的计算,如图，把直流电机主磁路简化，两条虚线为主磁路的一个磁管，宽度为。该磁管所包围的电流总导体为2IfNf=2Ff,磁密公式推导,根据磁路欧姆定律可得该磁管里的磁通为：分别为气隙、电枢齿、电枢磁轭、主磁极以及定子磁轭的磁阻。磁路的磁阻与材料、长度以及磁导率有关，由于电机工作在不饱和的情况下，除了气隙以外，其它都是铁磁材料（磁导率比气隙大得多），因此在分析时仅考虑气息的磁阻，由此可得：,磁密公式推导,而气隙段磁阻为：所以可得磁通为：由磁通密度公式可得：,磁密公式推导,返回,
