第二十四章直流電機的磁勢、電勢和基本方程式直流電機空載時電機內部電磁關系直流電機負載時電機內部電磁關系穩(wěn)態(tài)運行時直流電機的基本方程式直流電機的可逆性1空載：發(fā)電機出線端沒有電流輸出，電動機軸上不帶機械負載，即電樞電流為零的狀態(tài)空載時的磁場：這時的氣隙磁場，只由主極的勵磁電流所建立，所以直流電機空載時的氣隙磁場，又稱勵磁磁場。由于勵磁電流是直流，所以氣隙磁場是一不隨時間變化的恒定磁場。24-1直流電機空載時磁路及磁勢一、空載時的磁路磁場是電機實現(xiàn)機電能量轉換的媒介。主極磁場由永久磁鐵或勵磁繞組通入直流電流產生。2在主極繞組（匝數為Wf）中通入電流產生磁場N極及S極主磁通所經過的路徑：N極—氣隙—電樞齒—電樞軛（分兩路）—電樞齒—氣隙—S極—定子軛—回N極一、空載時的磁路3空載時的磁通、磁路主磁通交鏈勵磁繞組和電樞繞組，電樞旋轉時，切割主磁通，在電樞繞組中感應電勢，產生電磁轉矩。漏磁通只是增加主磁極磁路的飽和程度。在數量上，漏磁通比主磁通小得多，大約是主磁通的20%。4主磁通和漏磁通主磁通Φ和漏磁通Φσ由同一磁動勢建立；Φ所走的路徑氣隙小，磁阻?。宦┐磐ㄋ叩穆窂綒庀洞?，磁阻大；漏磁通比主磁通小得多，大約是主磁通的20%。全電流定律全電流定律：閉合路徑包圍的總磁勢=沿任一閉合回路磁場強度的線積分5磁路：兩個氣隙、兩個電樞齒、一段電樞軛、兩個主極鐵心和一個定子軛計算方法：1先求經過某一段的磁通

2根據該段的截面積S計算該段的磁密B3由B在磁化曲線上查H以上分別為氣隙，電樞齒，電樞軛，主極鐵心和磁軛中磁場強度平均值以及相應段磁路平均長度（If：勵磁電流，Wf：每極勵磁繞組匝數）二空載時的磁勢6二空載時的磁勢兩個空氣隙所需的磁勢為各部分平均磁場強度的計算----通過該部分氣隙磁通----該部分的截面積----該部分材料的導磁率----氣隙磁密，（特）----氣隙長度，（米）----氣隙系數，又叫卡特系數，是計及電樞有齒槽后使氣隙磁勢增大的系數7當轉速一定時，所以磁化曲線有代表()c120If(Ff)FfNFab直流電機空載磁化曲線氣隙線磁化曲線：表示空載主磁通Φ0與主極磁動勢Ff之間的關系曲線，Φ0＝f（Ff）。通過實驗或計算得到。直流電機空載磁化曲線直線，不飽和部分膝點飽和部分8主極磁場磁密分布氣隙某處磁通或磁密的大小取決于該處的磁勢和磁阻的大小忽略鐵磁材料消耗的磁勢，勵磁繞組通過勵磁電流后建立的總磁勢全部消耗于氣隙中。均勻氣隙電機中，極弧范圍內的氣隙大小相等，各點磁阻相同，所以各點磁密大小相等；極弧范圍外磁路氣隙長度增大，磁密減小，到兩極間幾何中性線上，磁密為零。整個磁極下磁密分布為接近于矩形的平頂波9空載時直流電機的磁場由磁極的直流勵磁電流產生，空氣隙磁場不隨時間變化，是恒定磁場；空間上，忽略極面下的齒槽效應，沿極面均勻分布。邊緣磁通空間上，非正弦分布，在導體中感應電勢將包括有高次諧波。10NSBax主極磁場磁密分布曲線1124-2直流電機負載時電樞磁勢及磁場空載時：氣隙中僅有主極磁場，其分布對稱于主極軸線負載時：電樞繞組中有電流，產生電樞磁勢，建立電樞磁場。主磁勢和電樞磁勢共同作用建立負載時的氣隙磁場，電樞磁勢對主極磁場的影響稱為電樞反應12一、電刷在幾何中線上時的電樞磁勢電流是由電刷引入的、電刷兩邊是不同支路，電流方向不同，電刷是電流的分界線。電樞繞組中的電流產生的磁場。主磁極的中心線稱為直軸，相鄰N極和S極的分界線稱為交軸。一般情況下，直流電機電樞磁場方向總是對準交軸，稱為交軸電樞反應。13電刷在幾何中線上時的電樞磁勢波形從幾何中性線處，將電樞外圓展開時，電樞磁勢、磁密的分布NSB為馬鞍形14直流電機的電樞磁勢是幅值固定的空間分布波，只是空間的函數

交流電機的電樞磁勢是幅值隨時間按正弦規(guī)律脈動的空間分布波如沿電樞分布的線圈無限增多，則級形波將趨近于三角形波

15BaxFaxxA/20NSBaxFaxxA/20B為馬鞍形16二、電刷不在幾何中性線上電樞磁勢交軸電樞磁勢Faq直軸電樞磁勢Fad1724-3直流電機的電樞反應負載時電樞磁勢對主磁場的影響叫電樞反應交軸電樞磁勢對主磁場的影響為交軸電樞反應直軸電樞磁勢對主磁場的影響為直軸電樞反應NSBax主極磁場磁密分布曲線18空載磁場電樞磁場一、電刷在幾何中性線上的電樞反應19發(fā)電機電動機NSS4S3S1S2BxBax空載時幾何中性線與物理中性線一、電刷在幾何中性線上的電樞反應20發(fā)電機電動機NSS4S3S1S2BxBax空載時幾何中性線與物理中性線一、電刷在幾何中性線上的電樞反應使磁場的零點偏移；不飽和時，每極磁通量不變；飽和時，每極磁通量會減少。使氣隙磁場畸變，每一極下主磁場的一半被加強，一半被削弱。21順著發(fā)電機方向移二、電刷不在幾何中性線上交軸電樞磁勢產生的電樞反應與前面相同，直軸電樞反應起去磁作用Faq：畸變

Fad：去磁

發(fā)電機：電樞順n旋轉方向偏移電動機：電樞逆n旋轉方向偏移電刷順著發(fā)電機旋轉方向移22二、電刷不在幾何中性線上逆著發(fā)電機方向移電刷逆著發(fā)電機旋轉方向移交軸電樞磁勢產生的電樞反應與前面相同，直軸電樞反應起去磁作用Faq：畸變

Fad：增磁

發(fā)電機：電樞逆n旋轉方向偏移電動機：電樞順n旋轉方向偏移23電樞反應：負載時電樞磁動勢對主極磁場的影響1、交軸電樞磁動勢和交軸電樞反應影響：1）、引起氣隙磁場畸變，使電樞表面磁密等于零的位置（物理中性線）偏離幾何中性線，2）、不計飽和時，交軸電樞反應既無增磁、亦無去磁用;計及飽和時，交軸電樞反應具有一定的去磁作用。2、直軸電樞磁動勢和直軸電樞反應發(fā)電機：電刷順電樞旋轉方向移動，電樞反應為去磁；電刷逆電樞旋轉方向移動，電樞反應為增磁。電動機：與發(fā)電機的情況相反。24三電樞反應對直流電機的影響電刷總是位于交軸，電樞反應則只有交軸分量沒有直軸分量。交軸磁勢對氣隙磁場的影響是一半極面下磁通增加，一半下減小，不考慮飽和時，總磁通不變。1．電樞反應的去磁作用將使每極略有減小E0Ff0FfFf00如果負載時勵磁電流與空載時相等，則負載時每極磁通也與空載時相同。電刷間感應電勢只與每極磁通成正比，與極面下磁通分布無關，所以負載和空載時電刷感應電勢數值相同。IfE025三電樞反應對直流電機的影響由于磁路飽和作用的影響，使極面下增加的磁通小于減小的磁通，交軸電樞磁勢Faq

將使每極磁通略有減少，F(xiàn)aq存在交磁作用和去磁作用 1．電樞反應的去磁作用將使每極略有減小E0Ff0FfFf0Faqd0可用等效直軸去磁磁勢Faqd表示這種去磁影響，F(xiàn)aqd的大小隨電樞電流變化，也取決于磁路飽和程度。為簡便起見，近似認為（電樞電流），這時同樣大小的If

產生的E0↓26E0Ff0FfFf0Faqd0E0if0ifif0if0Ff為磁極磁勢，F(xiàn)f0為用以產生磁通的有效磁勢。可見要保持E0不變必須增加勵磁電流If，以彌補交軸磁勢Faq的去磁作用。三電樞反應對直流電機的影響結論：電機轉速和勵磁電流一定，由于交軸電樞反應去磁作用，使負載時感應電勢比空載略小。要保持感應電勢不變，需增加勵磁電流，以補償交軸電樞反應的去磁作用27(二)電樞反應使極面下磁密分布不均勻，從而使各換向片間電勢也分布不均，當電機過載特別是沖擊性負載下，可能導致環(huán)火的產生碳刷不在幾何中性線上應計入Fad的影響（三）在交軸處的電樞磁場將妨礙線圈中的電流換相三電樞反應對直流電機的影響28例24-1

一臺四極直流發(fā)電機，額定電壓為230V，額定電樞電流為84.8A,額定轉速為1450r/min.電樞回路總電阻為0.147Ω.勵磁繞組匝數為880匝。在額定運行情況下的勵磁電流為2.85A.當轉速為1450r/min時,測得電機空載特性曲線如下:

E0(V)44104160210240258275

If0(A)0.370.911.452.002.382.743.28試求當該機在額定運行情況下,電樞反應的等效去磁安匝Faqd29解:已知在額定運行情況下電樞感應電勢為利用插入法,求得對應于時有效勵磁電流為額定情況下實際勵磁電流為

用于補償電樞反應去磁作用的等效勵磁電流為電樞反應的去磁安匝為電樞反應的去磁安匝約為總勵磁磁勢的15%3024-4電樞繞組的感應電勢電樞繞組電勢指正負電刷間的電勢，它等于支路電勢，即一條支路中各導體電勢總和;電樞電勢的計算：求出一根導體在一個極距范圍內切割氣隙磁密的平均感應電勢，乘上一個支路里總的導體數。設總導體數為N，共有2a條并聯(lián)支路，每條支路導體數為N/2a，則電樞繞組電勢:（為N/2a條導體電勢之和）31一根導體的平均電勢：：主極氣隙磁場的平均磁密（）v：電樞表面線速度

N

S

τaxl若電樞鐵心直徑為Da，主極數為2P，電樞表面周長電樞轉速為n，則電樞表面線速度L：導體有效長度：電勢常數32（1）對一直流電機，不計飽和時，若不計磁飽和，則得到電勢的另一種表達式

其中結論：（2）Ea僅與磁通的大小有關，與的具體分布無關，如的分布變化而總量不變，則變化的是各元件電勢大小，而Ea

不變3324-5直流電機的電磁轉矩一根導體的平均電磁力：總導體數為N作用在電樞上的總電磁力：電磁轉矩：CT:轉矩常數34若不計磁飽和:CT：轉矩常數氣隙磁場和載流導體的分布一臺制造好的電機，它的電磁轉矩正比于每極磁通和電樞電流，與磁密分布無關。3524-6直流電機的基本方程式電勢平衡方程式轉矩平衡方程式3624-6直流電機的基本方程式電勢平衡方程式轉矩平衡方程式一電勢平衡方程式無論發(fā)電機，電動機，電樞旋轉時，都有感應電勢371．他勵直流電機勵磁電流由其它電源單獨供電,電樞電流為線路電流：

Ia

=I勵磁回路：Uf=RfIfIaIfUf+-EaU發(fā)電機IaIfUf+-EaU電動機電樞回路38IaIfUf+-EaU發(fā)電機IaIfUf+-EaU電動機電動機：相當于反電勢，發(fā)電機：（u：電刷上接觸壓降）或Ra：電樞回路總電阻電樞回路39IaIfUfEaU發(fā)電機電動機IIaIfUfEaUI2.并勵直流電機發(fā)電機：勵磁電流由電樞供電電動機：勵磁和電樞電流均由電源供電勵磁回路和電樞回路電壓方程與他勵時相同,但需滿足下列條件勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)40IaIfEaU發(fā)電機電動機I