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1、第二十一章 直流电机的运行原理,第一节直流电机空载运行磁场 第二节直流电机负载运行时电枢磁场 第三节 直流电机的电枢反应 第四节 电枢绕组的感应电动势和直流电机的电磁转矩 第五节 稳态运行时直流电机的基本方程式,第一节 直流电机空载运行磁场,直流电机空载是指电机对外没有功率输出、不带负载时的空转状态。 直流电机空载时，励磁绕组内通直流励磁电流，电动机电枢电流很小可忽略，而发电机电枢电流为零，此时电机气隙磁场是由励磁绕组通直流电流产生的磁动势决定。,图21-1 直流电机主磁极磁路,一.磁通与磁动势,励磁绕组通电流，形成主磁极N、S交替分布。从一对极来看，如图21-1所示，其中绝大部分磁通经主磁极
2、（N极）、气隙、电枢齿、电枢铁心、电枢齿、气隙、另一主磁极（S极）、定子磁轭回到主磁极（N极），形成闭合通路，这部分磁通同时交链励磁绕组和电枢绕组，称主磁通0。主磁通随电枢旋转产生感应电动势和电磁转矩，参与机电能量转换，是工作磁通。,还有一小部分磁通不交链电枢绕组，仅与励磁绕组自身链绕，称漏磁通，漏磁通不穿过电枢表面，不参加机电能量转换。 主磁通通过的磁路称主磁路，主磁路中气隙较小，故磁阻较小；漏磁通通过的磁路称漏磁路，漏磁路中空气隙较大，磁阻大，所以，漏磁通比主磁通小得多，约占主磁通的1520%左右。,设产生主磁通的每对极的励磁磁动势为Ff，由全电流定律有 式中Nf为励磁绕组匝数。 根据图2
3、1-1所示主磁通路径，可以考虑主磁通分作五段，每一段看着匀强磁场，所以式（21-1）积分为,五段分别为: 两个气隙，计算长度为2，气隙磁动势为F，气隙磁场强度为H； 两个电枢齿，计算长度为2Lta，磁动势为Fta，磁场强度为Hta； 一个电枢磁轭，计算长度为Lja，磁动势为Fja，磁场强度为Hja； 两个磁极，计算长度为Lm，磁动势为Fm，磁场强度为Hm； 一个定子磁轭，计算长度为2Lj，磁动势为Fj，磁场强度为Hj。,二. 主磁场的分布,如果不考虑电枢表面齿槽效应，假设电枢表面是光滑的，气隙磁动势为F，x处的气隙长度为（x），空载时的磁密用函数B0(x)表示，根据磁路定律有,显然 ， 由于主
4、磁极范围内的气隙小，而且均匀，0小且为常数，气隙磁密分布均匀；在主磁极极靴尖，气隙增大，磁密下降；在极靴尖外，气隙迅速增大，气隙磁密急剧下降，在相邻两极的空间分界线上，磁密降为零，我们称气隙磁密沿电枢表面空间分布的波形为平顶波，也可称之为钟形曲线，如图21-2所以。,图21-2 不计电枢齿槽影响的主磁场磁密分部曲线,三.磁化曲线,直流电机的磁化曲线是指电机的主磁通与励磁磁动势的关系曲线，即0=f(Ff)，空载曲线可以通过磁路的计算方法求得。如图21-3所示，曲线的起始部分，由于主磁通较小，磁路中铁心部分没有饱和，磁化特性呈直线，0与Ff关系就是0与F的关系。 根据磁化起始直线延长曲线，简称为气
5、隙线0=f(F)，可用于非饱和分析。直线段往后，由于磁路逐渐饱和，铁磁部分逐渐进入饱和，所需磁动势FFe显著增加，磁化曲线偏离气隙线而弯曲，最后进入深度饱和。,为了合理地利用材料，空载额定电压一般设计在空载特性的刚好弯曲处，如图21-3中的c点。,图21-3 电机的磁化曲线,第二节 直流电机负载运行时电枢磁场,直流电机空载运行时，气隙中仅有主极磁场，其磁力线分布如图21-4。 负载运行时，电枢绕组中有电流流过，就会产生电枢磁动势，建立电枢磁场。 主磁动势和电枢磁动势共同作用建立负载时的气隙磁场。,图21-4 主磁场的分布,在直流电机中，不论电枢绕组是哪种型式，各支路电流都是通过电刷引入或引出，
6、因此电刷是电枢表面电流的分界线，电枢磁动势的轴线总是与电刷轴线相重合。 下面分析电刷在几何中性线和不几何中性线的电枢磁动势两种情况。,一.电刷在几何中性线上时的电枢磁动势,假设电刷位于几何中性线上，若电枢上半周的电流为流出，下半周为流入，根据右手螺旋定则，该电枢磁动势建立的磁场如如图21-5a虚线所示。可见，电枢磁动势的轴线与电刷轴线重合。与主极轴线正交的轴线通常称为交轴，与主极轴线重合的轴线称为直轴，所以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。 图21-5a是直流电机电流方向和电枢磁场情况示意图，为便于分析让其展开成图21-5b图。,图21-5 电刷在几何中性线的电枢磁动势与电
7、动势磁场,以单叠绕组为例，电枢绕组的每一个线圈大小和匝数相同，流过的电流是直流，大小相等，所以每个线圈产生的磁动势在展开图中都是幅值相同的矩形波，如图21-6a所示为其中一个线圈产生的磁动势矩形波，图21-6b为其中三个线圈产生的磁动势分布波，图21-6c为三个线圈产生的磁动势波的合成阶梯分布波，图21-6d所示为电枢绕组的合成磁动势。如果组成电枢绕组的线圈无线的增多，则电枢合成磁动势就如图21-6e所示。,图21-6 电枢磁势的叠加过程,可见电刷在几何中线上时，直流电机的电枢磁动势是幅值固定的空间分布波，只是空间的函数，如沿电枢分布的线圈无限增多，则阶梯形波将趋近于三角波，三角波的幅值在电刷
8、所在的交轴上，所以又称交轴电枢磁动势Faq(x)，如图21-5b中三角形为Fa(x)分布形状。,二.电刷不在几何中性线上电枢磁动势,由于电机装配或其他原因使电刷不在几何中性线时，假设移过一个小角度，除了交轴电枢磁动势外，还会产生直轴电枢磁动势。 因电刷是电枢表面上电流分布的分界线，电枢磁动势的轴线总是与电刷轴线相重合，故电枢磁动势轴线也随之移动了角度，如图21-7a所示。为了分析的方便，可以划分为两个分量，如图21-7b和21-7c所示，在角度2范围内的导体所产生的磁动势固定作用在直轴，称为直轴电枢Fad，其方向与主磁极极性相反。,图21-7 电刷不在几何中性线上电枢磁势,在角度2范围以外的导
9、体所产生的磁动势作用在交轴，为交轴电枢Faq。 所以电刷在几何中性性线上，只有交轴电枢磁动势Faq。电枢磁势电刷不在几何中性线上电枢磁势，除了交轴电枢磁动势Faq外，还有直轴电枢磁动势Fad。,第三节 直流电机的电枢反应,当电机带负载后，电枢绕组流过电流，产生电枢磁势。 从上面分析可知：电枢磁势对主磁极产生的磁场有影响，故对电机的运行性能也会产生一定的影响。 我们把电枢磁势对励磁磁势产生的影响称为电枢反应。,一.电刷在几何中性线上的电枢反应,对同一台直流电机而言，若主磁极的极性不变，导体中的电流方向相同，作发电机或电动机运行时，电枢磁场对主磁场的影响相同，因而可用同一图来进行分析，如图21-8
10、a所示，作发电机或电动机运行，电枢绕组中导体电流方向相同，所不同的只是旋转方向相反而已。 因电刷在几何中性线上，所以只有交轴电枢磁动势。若磁路不饱和，就可以利用叠加原理求出气隙磁场。,（a） （b） 图21-8 电刷在几何中性线的交轴电枢反应 （a）气隙合成磁场；（b）展开图,图21-8b为磁场分布的展开图，图中B0(x)表示空载时的主磁场（平顶波），Ba(x)为交轴电枢磁场（马鞍形），将两磁场逐点叠加，便得到负载时的气隙合成磁场的分布曲线B(x)。可见交轴电枢反应的性质有 1使气隙磁场发生畸变 假设电枢旋转时先进入磁极的那个磁极尖称为前极尖，电枢离开磁极的那个磁极尖称为后极尖。电枢反应使气隙
11、磁场发生畸变，对发电机而言是前极尖磁场被削弱，后极尖磁场被加强；对电动机而言是前极尖磁场被加强后极尖磁场被削弱。,2.使物理中性线偏移 我们把气隙中各点磁通密度为零的点的连线称为物理中性线。直流电机空载时，几何中性线与物理中性线重合。负载时，物理中性线偏离几何中性线 ，对发电机而言是顺转向偏离；对电动机而言是逆转向偏离。 3.当磁路饱和时有去磁作用 磁路未饱和时，气隙里的磁通密度B(x)由励磁磁密B0(x)与电枢磁密的Ba(x)叠加得到。磁路饱和时，要利用磁化曲线才能得到负载时的气隙磁通密度分布曲线，显然由于磁化曲线进入饱和点后具有饱和性，使负载时的气隙磁场比空载时的磁场要弱，如图21-8（b
12、）虚线所示。,二.电刷偏离几何中性线时的电枢反应,由于装配或换相的需要等原因，有时电刷会偏离几何中性线。 从上面分析得到，当电刷位于几何中性线时，电枢电流只产生交轴电枢磁势。而电刷偏离几何中性线时，设以电动机为例电刷逆旋转方向偏离角，如图21-7，产生的电枢磁势为Fa，将Fa分解成交轴电枢磁势Faq和直轴电枢磁势Fad。,交轴电枢磁势Faq对主磁场的影响与上面分析的电刷位于几何中性线的电枢反应情况一样，而直轴电枢磁势Fad与主磁极轴线重合，方向相反，故有去磁作用； 同理，当电刷顺电动机旋转方向偏离角时，产生的直轴电枢磁势Fad有助磁作用。而发电机与电动机情况相反。,三.电枢反应对直流电机的影响
13、,电枢反应的去磁作用使每极磁通减小：因为直流电机的电刷总是位于交轴，电枢反应则只有交轴分量没有直轴分量，实际电机额定运行时，磁路处于刚好饱和区域，由于磁路的饱和，电枢反应的去磁作用将使每极磁通略有减小。电机转速和励磁电流一定时，由于交轴电枢反应的去磁作用，使负载时感应电动势比空载时略小。要保持感应电动势不变，需增加励磁电流，以补偿交轴电枢反应的去磁作用。,电枢反应使主磁场的分布发生畸变：极面下磁密分布不均匀，从而使各换向片间电动势也分布不均，当电机过载特别是冲击性负载下，可能导致环火的产生。 在交轴处的电枢磁场将妨碍线圈中的电流换向，将在二十四章介绍。,第四节 电枢绕组的感应电势和直流电机的电
14、磁转矩,一.直流电机电枢绕组的感应电动势 直流电机电枢绕组的感应电势是指从一对正负电刷之间引出的电势，也称为电枢电势，记作Ea。 如果设N为电枢绕组的总导体数，a为并联支路对数，Bav为一个磁极内的平均磁密，l为导体的有效长度，v为导体切割磁场的速度，则电枢电势为：,Ean，改变或n的大小，可使Ea大小发生变化，当磁通单位为Wb，转速n单位为r/min，则电枢电势Ea单位为V； Ea方向取决于和n的方向，改变的方向（即改变励磁电流If的方向），就可改变Ea的方向。,称为电势常数，与电机结构有关的参数。,电势表达式,可见：,二.直流电机的电磁转矩,直流电机的电磁转矩是指电枢上所有载流导体在磁场中
15、受力所形成的转矩的总和。设D为电枢直径，N为电枢总导体数，fav每根导体平均所受的力，则电磁转矩为：,称为转矩常数，它也是与电机结构有关的参数。,从电磁转矩表达式,可见：,TIa，改变或Ia的大小，可使T大小发生变化，当磁通单位为Wb，电枢电流Ia单位为A，则电磁转矩T单位为Nm； T方向取决于和Ia的方向，改变的方向（即改变励磁电流If的方向），就可改变T的方向。,根据,和,电势常数与转矩常数之间的关系式：,可得到电势常数与转矩常数之间的关系式,所以有CT=9.55Ce。 又由于=2n/60=n/30， 这表明，若电枢绕组电动势公式中采用机械角速度表示，则Ea与电磁转矩计算中使用同一常数，即
16、转矩常数CT，也可改称为电机常数。,第五节 稳态运行时直流电机的基本方程式,一.直流发电机的基本方程式 直流发电机是将原动机输入的机械能转变为直流电能的电气设备。直流发电机的基本方程式与励磁方式有关，励磁方式不同，基本方程式略有差别。下面以他励直流发电机为例，介绍其基本方程式。,1.电压方程式 我们以发电机惯例，规定直流发电机各物理量正方向如21-9图所示。,图21-9 他励直流发电机的稳态等效电路图,式中Rf为励磁回路总电阻，它包括励磁回路外串电阻和励磁绕组内阻。,式中Ra为电枢回路总电阻，它包括电刷接触电阻和电枢绕组内阻。 励磁回路方程为,电枢回路方程为,电压基本方程式可见： 电枢电势Ea必须大于电枢端电压U，这也是判断电机是否处于发电运行状态的依据。,2.转矩方程式,式中T1原动机的拖动转矩 T发电机中产生的电磁转矩，其性质为制动转矩 T0空载转矩，它是由电机的机械摩擦和铁损引起 的转矩。,发电机的转向由原
