第三講 直流電機磁場

1、電機及拖動基礎(chǔ),直流電機磁場,主講人：孔祥新,曲阜師范大學(xué),電 氣 信 息 與 自 動 化 學(xué) 院,直流電機的磁場,重點 （1）勵磁方式 （2）氣隙磁場的分布情況 （3）影響氣隙磁場的因素(電樞反應(yīng)） （4）氣隙磁場的分布波形,一、勵磁方式,根據(jù)直流電機中勵磁繞組和電樞繞組的聯(lián)結(jié)方式區(qū)分的。,一、直流電機的勵磁方式,他勵 并勵 串勵

2、 復(fù)勵,一、直流電機的勵磁方式,1.他勵：,（1）要求電機控制的場合；,（2）控制微電機；,（3）永磁電機；,顯然：主要用作電動機。,勵磁繞組與電樞繞組之間無電的聯(lián)系,2.并勵,注意：可以轉(zhuǎn)變?yōu)樗麆畹男问健?基本概念：自勵。,主要用作發(fā)電機。,一、直流電機的勵磁方式,勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián),Ia,,3.串勵,注意：很少用于調(diào)速控制上。,應(yīng)用：電力機車、起重機等。,優(yōu)點：過載能力強。,勵磁繞組與電樞繞

3、組串聯(lián)起來,一、直流電機的勵磁方式,4.復(fù)勵,大型電機一般都做成復(fù)勵。,一般一個為主、一個為輔。,綜合了并勵和串勵的形式。,一、直流電機的勵磁方式,空載的含義:,二、直流電機的空載磁場,作為發(fā)電機，電源輸出端不接任何電負載；,作為電動機，機械輸出端不接任何機械負載。,用電樞電流表示：電樞電流等于零或小得可以忽略不計的情況。,空載磁場：由主磁極的勵磁磁勢來建立。,四極直流電機空載時的磁路,二、直流電機的空載磁場,在數(shù)量上，漏磁通比主磁通小

4、得多，大約是主磁通的20%。,主磁通與漏磁通：,二、直流電機的空載磁場,主磁通：經(jīng)過主磁極、氣隙、電樞鐵心及機座構(gòu)成磁回路。它同時與勵磁繞組及電樞繞組交鏈，能在電樞繞組中感應(yīng)電動勢和產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，稱為主磁通。 漏磁通：僅交鏈勵磁繞組本身，不進入電樞鐵心，不和電樞繞組相交鏈，不能在電樞繞組中感應(yīng)電動勢及產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，它只是增加主磁極磁路的飽和程度，稱為漏磁通。,主磁極的特點：,1.磁極中心及附近的氣隙小且均勻；,2.靠近極尖處，氣隙逐漸

5、變大；,3.極尖以外，氣隙明顯增大；,4.幾何中性線，兩個磁極中間位置。,二、直流電機的空載磁場,二、直流電機的空載磁場,空載主磁場的分布：,1.磁極中心及附近,2.靠近極尖處,3.極尖以外,4.幾何中性線,=>大、常數(shù),=>減少,二、直流電機的空載磁場,空載主磁場的分布：,1.磁極中心及附近,2.靠近極尖處,3.極尖以外,4.幾何中性線,=>大、常數(shù),=>減少,=>顯著減少,二、直流電機的空載磁場,空載主

6、磁場的分布：,1.磁極中心及附近,2.靠近極尖處,3.極尖以外,4.幾何中性線,=>大、常數(shù),=>減少,=>顯著減少,=>為零,二、直流電機的空載磁場,空載主磁場的分布：,1.磁極中心及附近,2.靠近極尖處,3.極尖以外,4.幾何中性線,=>大、常數(shù),=>減少,=>顯著減少,=>為零,二、直流電機的空載磁場,有一個假設(shè)條件：,忽略電樞齒槽的影響。,空載磁場氣隙磁密分布曲線,二、直流電機的空

7、載磁場,直流電機磁密分布,空載磁化曲線,二、直流電機的空載磁場,或,A-膝點,電樞磁場,三、電樞反應(yīng),定義： 電樞磁場對氣隙磁場的影響稱為電樞反應(yīng)。,影響：,1．使氣隙磁場發(fā)生畸變；,2．磁場等于零的點偏離幾何中性線，到物理中性線；,三、電樞反應(yīng),2.關(guān)于飽和,(1)不考慮飽和，一個磁極下，增強的與削弱的相同，總量不變；,(2)考慮飽和時，一個磁極下，增強的少于削弱的，總量減少。,三、電樞反應(yīng),為了分析方便假定換向片的寬度等于電

8、刷的寬度。,換向是指直流電機的電樞繞組元件從一條支路經(jīng)過電刷進入另一條支路，該元件電流從一個方向變換為另一個方向。,電樞移到電刷與換向片2接觸時，元件1被短路，電流被分流。如圖所示。,電刷與換向片1接觸時，元件1中的電流方向如圖所示，大小為,電刷僅與換向片2接觸時，元件1 中的電流方向如圖所示，大小為 。,1、換向過程的基本概念,四、直流電機中的換向,直流電機電樞繞組元件的換向過程a)換向開始瞬間 b)正在

9、換向瞬間 c)換向結(jié)束瞬間,四、直流電機中的換向,元件從開始換向到換向終了所經(jīng)歷的時間，稱為換向周期 。換向周期通常只有千分之幾秒。直流電機在運行中，電樞繞組每個元件在經(jīng)過電刷時都要經(jīng)歷換向過程。 換向問題很復(fù)雜，換向不良會在電刷與換向片之間產(chǎn)生火花。當火花大到一定程度，可能損壞電刷和換向器表面，使電機不能正常工作。 產(chǎn)生火花的原因很多，除了電磁原因外，還有機械原因、化學(xué)原因。,四、直流電機中

10、的換向,換向元件與換向過程中產(chǎn)生的電動勢分為兩類：電抗電動勢和電樞反應(yīng)電動勢。,1.電抗電動勢 換向元件（線圈）在換向過程中電流改變，因此必有自感作用；同時進行換向的元件不止一個，換向元件與換向元件之間，又有互感作用。因此，換向元件中電流變化時，必然出現(xiàn)由自感與互感作用所引起的感應(yīng)電動勢，即(自感電動勢和互感電動勢 )這個電動勢稱為電抗電動勢。 根據(jù)楞次定律，自感電動勢、互感電動勢總是阻礙電流變化的，也

11、就是阻礙換向的。,2 、換向元件中的電動勢,四、直流電機中的換向,2.電樞反應(yīng)電動勢 雖然換向元件位于幾何中性線處，主磁場的磁密等于零，但是電樞磁場的磁密不等于零。因此換向元件必然切割電樞磁場，而在其中產(chǎn)生一種旋轉(zhuǎn)電動勢，稱為電樞反應(yīng)電動勢。 說明： 電抗電動勢和電樞反應(yīng)電動勢都在換向元件內(nèi)產(chǎn)生阻礙換向的附加電流，在換向過程中，由于電流突變，使線圈內(nèi)儲存的磁場能以火花形式釋放出來。,四、直

12、流電機中的換向,3 改善換向的方法,從產(chǎn)生火花的電磁原因出發(fā)，減少換向元件的電抗電動勢和電樞反應(yīng)電動勢，限制換向元件中的附加電流，就可以有效地改善換向。 改善換向常用的方法有以下4種： (1)安裝換向極 這是目前改善換向最有效的方法。一般容量為1kW以上的直流電機都裝有換向極。 換向極安裝在主磁極之間，換向極極性確定的原則是換向極繞組產(chǎn)生的磁動勢的方向是電樞反應(yīng)磁動勢的相反方向，大

13、小比電樞反應(yīng)磁動勢略大。(見下圖),四、直流電機中的換向,為在負載變化時始終有效地改善換向，換向極繞組中應(yīng)流過電樞電流，即換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)。,換向極電路及磁通,四、直流電機中的換向,(2)調(diào)整電刷的位置 在小容量無換向極的直流電機中，將電刷從電樞幾何中性線移開一個適當角度，用主磁場來代替換向極磁場，也可改善換向。移動電刷的方向規(guī)定為：當電機運行于電動機狀態(tài)時，電刷應(yīng)逆著電樞旋轉(zhuǎn)方向移動；而運行于發(fā)電機狀態(tài)

14、時，電刷則應(yīng)順著電樞旋轉(zhuǎn)方向移動。若方向不正確將使電機換向更加惡化。,四、直流電機中的換向,(3)增加換向回路的電阻。 電刷與換向器之間的接觸電阻是換向回路中最重要的電阻，不同牌號的電刷具有不同的接觸電阻，選擇合適的電刷能改善換向。,(4)裝設(shè)防止環(huán)火的補償繞組 所謂環(huán)火，是指電機正、負電刷之間出現(xiàn)電弧，電弧被拉長，直接從一種極性的電刷跨過換向器表面到達相鄰的另一極性的電刷，使整個換向器表面布滿環(huán)型電弧。

15、 出現(xiàn)環(huán)火，可在很短時間內(nèi)損壞電機。為避免環(huán)火現(xiàn)象，采用補償繞組是有效方法之一。補償繞組嵌置在主磁極極靴上專門沖制的槽內(nèi)。其中流過的是電樞電流，所以補償繞組應(yīng)與電樞繞組串聯(lián)，其電流方向與對應(yīng)極下電樞繞組的電流方向相反，顯然它產(chǎn)生的磁動勢與電樞反應(yīng)磁動勢方向相反，從而補償了電樞反應(yīng)的影響。,四、直流電機中的換向,一根導(dǎo)體的平均感應(yīng)電動勢:,五、直流電機感應(yīng)電動勢,每極下的平均磁密:,電機線速度為:,導(dǎo)體平均電動勢為：,當電刷放在幾何中性線

16、時，電樞感應(yīng)電動勢(每條支路的感應(yīng)電動勢),—電動勢系數(shù),電磁轉(zhuǎn)矩:電樞繞組中有電樞電流流過時,在磁場內(nèi)受電磁力的作用,該力與電樞鐵心半徑之積稱為電磁轉(zhuǎn)矩。,六、直流電機電磁轉(zhuǎn)矩的計算,1.設(shè)電樞總電流Ia,則流過每一根導(dǎo)體的電流為：,2.每根導(dǎo)體產(chǎn)生的平均電磁力：,六、直流電機電磁轉(zhuǎn)矩的計算,4.電樞表面N 根導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩：,3.一根導(dǎo)體所受到的平均電磁轉(zhuǎn)矩,—電樞直徑,—平均磁密,--轉(zhuǎn)矩常數(shù),（三）Ce與CT的關(guān)系,六、直流

17、電機電磁轉(zhuǎn)矩的計算,如圖，把直流電機主磁路簡化，兩條虛線為主磁路的一個磁管，寬度為Δ。該磁管所包圍的電流總導(dǎo)體為2IfNf=2Ff,磁密公式推導(dǎo),根據(jù)磁路歐姆定律可得該磁管里的磁通為： 分別為氣隙、電樞齒、電樞磁軛、主磁極以及定子磁軛的磁阻。 磁路的磁阻與材料、長度以及磁導(dǎo)率有關(guān)，由于電機工作在不飽