5 直流电机的磁场

null电机学 Electrical Machinery电机学 Electrical Machinery自动化系温志明2011本节内容本节内容空载时直流电机的气隙磁场 负载时的电枢磁动势和电枢反应 分析思路 基本概念 交轴电枢磁动势 交轴电枢反应（重点＋难点） 直轴电枢磁动势 直轴电枢反应空载时直流电机的气隙磁场空载时直流电机的气隙磁场空载磁场：当电枢电流为零或很小时，由励磁电流单独建立的磁场。空载磁通用Φm示。Φm＝Φ0＋Φfσ主磁通：经过气隙，同时交链励磁绕组和电枢绕组的磁通，用Φ0表示，它是机电能量转换的桥梁 。 漏磁通：不经过气隙，仅与励磁绕组交链的磁通，用Φfσ表示。它不参与机电能量转换。 主磁场分布：气隙磁密在一个极下按平顶波规律分布。空载时直流电机的气隙磁场空载时直流电机的气隙磁场磁化曲线：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。直线，不饱和部分膝点饱和部分(约1.1~1.35)If负载时的电枢磁动势和电枢反应 ▲分析思路负载时的电枢磁动势和电枢反应 ▲分析思路电枢电流ia负载时的电枢磁动势和电枢反应 ▲分析思路负载时的电枢磁动势和电枢反应 ▲分析思路直流电机负载后，电枢绕组有电流通过，该电流建立的磁场简称电枢磁场，电枢磁场对主磁场的影响就称为电枢反应。 当电机带上负载后，电机的气隙磁场由主磁场和电枢两个磁场共同决定。电枢磁动势的出现，使气隙磁场发生畸变，即电枢反应。 各支路电流都是通过电刷引入获引出，因此电刷是电枢表面上电流分布的分界线。电枢磁势的轴线总是与电刷轴线相重合。 负载时的电枢磁动势和电枢反应 ▲分析思路（图解）负载时的电枢磁动势和电枢反应 ▲分析思路（图解）＋＝负载时的电枢磁动势和电枢反应 ▲几个基本概念负载时的电枢磁动势和电枢反应 ▲几个基本概念电枢磁动势：电枢电流产生的磁动势。 电枢反应：电枢磁动势对主磁场的影响。 直轴（d轴）：主极轴线。交轴（q轴）：与直轴正交的轴线。 几何中性线：相邻两主极之间的中心线，也就是交轴。物理中性线：电枢圆周上通过圆心和磁通密度为0点的直线。Direct Axis Quadrature Axis交轴电枢磁动势交轴电枢磁动势结论： 电枢磁动势是一个三角形波，其轴线位置与电刷的轴线位置重合。 电枢磁动势波形的位置在空间保持不变。 当电刷位于几何中性线上时，电枢磁动势为交轴电枢磁动势。 交轴电枢磁密是一个马鞍形波。交轴电枢反应 Quadrature Axis Armature Reaction交轴电枢反应 Quadrature Axis Armature Reaction交轴电枢反应 交轴电枢磁动势对主磁场的影响交轴电枢反应（2） Q-Axis Armature Reaction交轴电枢反应（2） Q-Axis Armature Reaction结论2：对发电机，物理中性线顺着电机的旋转方向偏离几何中性线一个α角度；对电动机，物理中性线逆着电机的旋转方向偏离几何中性线一个α角度。结论3：不计铁心饱和时，主磁场一半被削弱、另一半被加强，去磁作用与助磁作用恰好相等，使得每极总磁通量不变，Φδ＝Φ0。结论4：考虑铁心饱和时，交轴电枢反应的去磁作用大于助磁作用，使得每极总磁通量略有减小，Φδ<Φ0。直轴电枢磁动势直轴电枢磁动势＝＋直轴电枢反应 Direct Axis Armature Reaction直轴电枢反应 Direct Axis Armature Reaction当电刷不在几何中性线上时，电枢反应不仅有交轴分量，还有直轴分量。 直轴电枢反应：直轴电枢磁动势对主磁场的影响。 直轴电枢反应的作用为：本节内容本节内容电枢绕组的感应电动势 直流电机的电磁转矩直流电机的感应电动势 Induced E.M.F.思路： 1、感应电动势是指正、负电刷间的感应电动势，即：电枢 绕组每条支路的电动势； 2、元件旋转，一会在这条支路，一会在另一条支路，其电 动势的大小、方向都在变化； 3、每条支路所含元件数量相等，各支路电动势相等且方向 不变； 4、先求一根导体的感应电动势，再求一条支路的电动势； 5、推导方法 一个磁极极距范围内，平均磁密 极距 电枢的 轴向有效长度为 每极磁通为Ф，则 16.4.1 电枢绕组的感应电动势的推导 直流电机的感应电动势 Induced E.M.F.直流电机的感应电动势 Induced E.M.F.直流电机的感应电动势 Induced E.M.F.要点2：电枢绕组电动势Ea 　　　 ＝电刷两端的电动势 　　　 ＝一条并联支路的合成电动势直流电机的感应电动势 Induced E.M.F.一根导体的平均电动势为：又因为：所以：直流电机的感应电动势 Induced E.M.F.直流电机的感应电动势 Induced E.M.F.因为一条支路里的串联总导体数 （N 为电枢总导 体数， ），于是，电枢电动势为： 是一个常数，称为电动势常数。直流电机的感应电动势 Induced E.M.F.直流电机的感应电动势 Induced E.M.F.对感应电动势公式的说明： 1、上述公式是在整距且电刷放在极轴线下时推 导的公式； 2、如果绕组为短距或电刷不在极轴线下时，电 动势的值略小； 3、电刷间电动势为直流，但电枢导体的感应 电动势是交变的，其频率为：直流电机的感应电动势 Induced E.M.F.直流电机的电磁转矩 Electromagnetic Torque直流电机的电磁转矩 Electromagnetic Torque直流电机的电磁转矩 Electromagnetic Torque 如果电动势和发电机相关，那么，电磁转矩和电动机可以联系在一起，求解电磁转矩的过程和求解电动势是一样的：1）先求一个导体的平均电磁力：2）平均电磁力乘以电枢的半径，即得到一根导体所受 的平均转矩：直流电机的电磁转矩 Electromagnetic Torque直流电机的电磁转矩 Electromagnetic Torque3）电机总的电磁转矩则为：是一个常数，称为转矩常数，直流电机的电磁转矩 Electromagnetic Torque直流电机的电磁转矩 Electromagnetic Torque直流电机的电磁转矩 Electromagnetic TorqueTe：N.m 当Ia＝C1时：Te∝Φ 当Φ＝C2时：Te∝Ia直流电机的电磁转矩 Electromagnetic Torque 是电枢总电流，从表达式可以看出，电磁转矩的大小正比与每极磁通和电枢电流。 Ce和CT对于一个具体的电机而言，是一个常数，并且通过换算，两者之间有一固定的关系： 或 注意：绕组不是整距、电刷位置发生偏移以及磁场变化时，其值也要发生变化。直流电机的电磁转矩 Electromagnetic Torque结论结论以上公式既适用于直流发电机，也适用于直流电动机。 主磁通Φ是产生感应电动势和电磁转矩的必要条件； 当直流电机空载时：Φ＝Φ0 ； 当直流电机负载时：Φ＝Φδ。例题例题例：一台直流发电机，PN=10KW，P=2，nN=2850r/min，单波绕组，总导体数N=372，求当Ea=250V时，Φ应为多少？ 例：一台直流电动机，PN=100KW，UN=330V，nN=730r/min，单波绕组，总导体数N=186，求当Φ=6.98*10-2WB时，T应为多少？null