《电机与电器控制 教学课件 ppt 作者 冯晓 刘仲恕编 第三节》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电机与电器控制 教学课件 ppt 作者 冯晓 刘仲恕编 第三节（21页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第二章第三节 磁场及感应电动势和电磁转矩,由直流电机基本工作原理可知。直流电机无论是作发电机运行还是作电动机运行，都必须具有一定强度的磁场，所以磁场是直流电机进行能量转换的媒介。为此，在分析直流电机的运行原理以前，必须先对直流电机中磁场的大小及分布规律等有所了解。,第二章第三节（续1）直流电机励磁方式,磁极上励磁绕组通以直流励磁电流产生的磁动势称为励磁磁动势，励磁磁动势单独产生的磁场是直流电机的主磁场，又称为励磁磁场。励磁绕组的供电方式称为励磁方式。按励磁方式的不同。直流电机可以分为以下四类。,第二章第三节（续1）直流电机励磁方式,第二章第三节（续1）直流电机励磁方式,第二章第三节（续2）直流
2、电机空载磁场,直流电机不带负载(即不输出功率)时的运行状态称为空载运行。空载运行时电枢电流为零或近似等于零，所以空载磁场是指主磁极励磁磁动势单独产生的励磁磁场，亦称主磁场。,主磁通和漏磁通 当励磁绕组通以励磁电流时，产生的磁通大部分由N极出来，经气隙进入电枢齿，通过电枢铁心的磁扼(电枢磁扼)到S极下的电枢齿，又通过气隙回到定子的S极，再经机座(定子磁扼)形成闭合回路。这部分同时与励磁绕组和电枢绕组相匝链的磁通称为主磁通，用0表示。,1极靴；2极身；3定子磁轭； 4励磁线圈；5气隙；6电枢齿；7电枢磁轭,第二章第三节（续2）直流电机空载磁场,主磁通经过的路径称为主磁路。显然，主磁路由主磁极、气隙
3、、电枢齿、电枢磁轭和定子磁轭五部分组成另有一部分磁通不通过气隙，直接经过相邻磁极或定子磁轭形成闭合回路，这部分仅与励磁绕组匝链的磁通称为漏磁通，以s表示。漏磁通路径主要为空气，磁阻很大，所以漏磁通的数量只有主磁通的20左右。,直流电机的空载磁化特性 直流电机运行时，要求气隙磁场每个极下有一定数量的主磁通，叫每极磁通，当励磁绕组的匝数Wf一定时，每极磁通的大小主要决定于励磁电流If。空载时每极磁通0与空载励磁电流If0（或空载励磁磁动势Ff0WfIf0）的关系 0f（If0）或0f（Ff0）称为电机的空载磁化特性。,第二章第三节（续2）直流电机空载磁场,由于构成主磁路的五部分当中有四部分是铁磁性
4、材料，铁磁性材料磁化时的BH曲线有饱和现象，磁阻是非线性的，所以空载磁化特性0f（If0）在If0较大时也出现饱和，如图所示。为充分利用铁磁性材料，又不致于使磁阻太大，电机的工作点一般选在磁化特性开始转弯，亦即磁路开始饱和的部分(图中A点附近)。,空载磁场气隙磁密分布曲线 主磁极的励磁磁动势主要消耗在气隙上，当近似地忽略主磁路中铁磁性材料的磁阻时，主磁极下气隙磁密的分布就取决于气隙大小分布情况。一般情况下，磁极极靴宽度约为极距的75左右。,第二章第三节（续2）直流电机空载磁场,磁极中心及其附近，气隙a较小且均匀不变，磁通密度较大且基本为常数。靠近两边极尖处，气隙逐渐变大，磁通密度减小，超出极尖
5、以外，气隙明显增大，磁通密度显著减小，在磁极之间的几何中性线处，气隙磁通密度为零。为此，空载气隙磁通密度分布为一礼帽形的平顶波。,第二章第三节（续3）直流电机电枢反应和负载磁场,直流电机电枢反应 直流电机空载时励磁磁动势单独产生的气隙磁密分布为一平顶波。负载时，电枢绕组流过电枢电流Ia，产生电枢磁动势Fa，与励磁磁动势Ff共同建立负载时的气隙合成磁密，必然会使原来的气隙磁密的分布发生变化。通常把电枢磁动势对气隙磁密分布的影响称为电枢反应。 下面先分析电枢磁动势单独作用时在电机气隙中产生的电枢磁场，再将电枢磁场与空载气隙磁场合起来就可得到负载磁场，与空载气隙磁场相比较，可以了解电枢反应的影响。,
6、直流电机电枢磁场 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。由图可见电枢磁动势产生的气隙磁场在空间的分布情况，电枢磁动势为交轴磁动势。,第二章第三节（续3）直流电机电枢反应和负载磁场,下面进一步分析电枢磁动势和电枢磁场气隙磁密的分布情况。如果假设电机电枢绕组只有一个整距元件，其轴线与磁极轴线相垂直，如右图所示。该元件有Wc匝，元件中电流为ia，每个元件的磁动势iaWc安匝，由该元件建立的磁场的磁力线分布如右图所示。,第二章第三节（续3）直流电机电枢反应和负载磁场,如果假想将此电机从几何中性线处切开展平，如右图所示。以图中磁力线路径为闭合磁路，
7、根据全电流定律可知，作用在这一闭合磁路的磁动势等于它所包围的全电流iaWc，当忽略铁磁性材料的磁阻，并认为电机的气隙是均匀的，则每个气隙所消耗的磁动势为iaWc/2。,一般取磁力线自电枢出，进入定子时的磁动势为正，反之为负。这样可得一个整距绕组元件产生的磁动势的分布情况如右图所示。说明一个整距元件所产生的电枢磁动势在空间的分布为一个以两个极距2为周期、幅值为iaWc/2的矩形波。,第二章第三节（续3）直流电机电枢反应和负载磁场,当电枢绕组有许多整距元件均匀分布于电枢表面时。每一个元件产生的磁动势仍是幅值为iaWc/2的矩形波。把这许多个矩形波磁动势叠加起来，可得电枢磁动势在空间的分布为一个以两
8、个极距2为周期的多阶梯形波。,第二章第三节（续3）直流电机电枢反应和负载磁场,为分析简便起见，可以近似地认为电枢磁动势空间分布为一三角形波，三角形波磁动势的最大值在几何中性线位置，磁极中心线处为零。如右图曲线2所示。,如果忽略铁心中的磁阻，认为电枢磁动势全部消耗在气隙上，则根据磁路的欧姆定律，可得电枢磁场磁密的表达式为,第二章第三节（续3）直流电机电枢反应和负载磁场,式中：Fax为气隙中x处的磁动势；Bax为气隙中x处的磁密。,由式可知，在磁极极靴下，气隙较小且变化不大，所以气隙磁密Bax与电枢磁动势Fax成正比。而在两磁极间的几何中性线附近，气隙较大，超过Fax增加的程度，使Bax反而减小，
9、所以电枢磁场磁密分布波形为马鞍形，如图曲线3所示。,负载时气隙合成磁场 如果磁路不饱和或不考虑磁路饱和现象时，可以利用叠加原理，将空载磁场的气隙合成磁场的磁密分布曲线1和电枢磁场的气隙磁密分布曲线3相加，即得负载时气隙合成磁场的磁密分布曲线，如图曲线4所示。对照曲线1和4可见：,第二章第三节（续3）直流电机电枢反应和负载磁场,电枢反应的影响是使气隙磁场发生畸变，使半个磁极下的磁场加强，磁通增加，另半个极下的磁场减弱。磁通减少。由于增加和减少的磁通量相等，每极总磁通量维持不变。由于磁场发生畸变，使电枢表面磁密等于零的物理中性线偏离了几何中性线，,如图所示。分析可知，对发电机，物理中性线顺着旋转方
10、向(nF的方向)偏离几何中性线，而对电动机，则是逆着旋转方向(nD的方向)偏离几何中性线。,考虑磁路饱和影响时，半个极下磁场相加，由于饱和程度增加。磁阻增大。气隙磁密的实际值低于不考虑饱和时的直接相加值，另半个极下磁场减弱，饱和程度降低，磁阻减小，气隙磁密的实际值略大于不考虑饱和时的直接相加值，实际的气隙合成磁场磁密分布曲线如图曲线5所示。,由于铁磁性材料的非线性，曲线5与曲线4相比较，减少的面积大于增加的面积，亦即半个极下减少的磁通大于另半个极下增加的磁通，使每极总磁通有所减小。,第二章第三节（续3）直流电机电枢反应和负载磁场,第二章第三节（续3）直流电机电枢反应和负载磁场,由以上分析可以得
11、知电刷放在几何中性线上时电枢反应的影响为：使气隙磁场发生畸变。半个极下磁场削弱，半个极下磁场加强。对发电机，是前极端(电枢进大端)的磁场削弱，后极端(电枢离开端)的磁场加强；对电动机，则与此相反。气隙磁场的畸变使物理中性线偏离几何中性线。对发电机，是顺旋转方向偏离；对电动机，是逆旋转方向偏离。磁路饱和，时用去磁作用。因为磁路饱和时，半个极下增加磁通小于另半个极下减少的磁通，使每个极下部总的磁通有所减小。,为分析推导方便起见，可把磁密看成均匀分布的，取一个极下气隙磁密的平均值Bav，从而可得一根导体在一个极距范围内切割气隙磁密产生的电动势的平均值eav，其表达式为 式中：Bav为一个极下气隙磁密
12、的平均值，称平均磁通密度；l为电枢导体的有效长度（槽内部分）；v为电枢表面的线速度。,第二章第三节（续4）电枢绕组感应电动势,电枢绕组的感应电动势是指直流电机正负电刷之间的感应电动势，也就是电枢绕组一条并联支路的电动势。电枢绕组元件边内的导体切割气隙合成磁场，产生感应电动势。由于气隙合成磁密在一个极下的分布不均匀，如图所示，所以导体中感应电动势的大小是变化的。,第二章第三节（续4）电枢绕组感应电动势,由于 因而，一根导体感应电动势的平均值 设电枢绕组总的导体数为N，N=2SWc，则每一条并联支路总的串联导体数为N/2a，因而电枢绕组的感应电动势,式中：Ce=pN/60a，对已经制造好的电机，是一常数， 故称直流电机的电动势常数。,第二章第三节（续5）电枢绕组的电磁转矩,产生 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。 大小,第二章第三节（续5）电枢绕组的电磁转矩,对于同一台直流电机，电动势常数Ce和转矩常数CT之间具有确定的关系： 可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电流成正比。 性质 发电机制动(与转速方向相反)； 电动机驱动(与转速方向相同)。,
