第一篇直流电机3

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1、第三章 直流电机的的运行原理第一节直流电机的空载运行直流电机的空载是指电枢电流等于零时的运行，即发电机出线端没有电流输出，也称 为理想空载；当电枢电流近似为零时称为理想空载，即电动机轴上不带机械负载，电枢电 流可忽略不计，电动机要达到理想空载需用一原动机拖动转子，使其电枢电流等于零。这 时电机内的磁场由励磁绕组的磁动势单独建立。四极直流电机空载时，由励磁电流单独建图1-3-1空载时直流电机的气隙磁场立的磁场分布如图A3-3a所示。空载时主磁极的磁通分成主磁通%和漏磁通%两 部分。漏磁通仅交链励磁绕组本身，不进入电枢铁心， 不参与能量转换。主磁通经过主磁极、气隙、电枢铁心 及机座构成磁回路，在气

2、隙中形成主磁场，亦称为气隙 磁场；它同时与励磁绕组及电枢绕组交链，能在电枢绕 组中感应电动势及产生电磁转矩。乳和岱虽是由同一 磁动势所建立，但是主磁通%0所走的路径（称为主磁 路）的气隙部分小，磁阻小；而漏磁通%f5所走的路径 （称为漏磁路）的气隙部分大，磁阻大，所以与要比也& 大得多（产20%）。由于主磁极极靴下气隙是不均匀的，在磁极轴线处 极靴下气隙最小，气隙磁通密度最大；极尖处气隙较大，靠近极尖处气隙磁通密度逐渐减 小；在极靴以外则气隙磁通密度减小得更明显，在两极之间的几何中性线处气隙磁通密度 为零。不计电枢齿、槽的影响时，直流电机的空载气隙磁场分布如图1-3-1所示。第二节直流电机的负

3、载运行电机负载时，如电动机拖动生产机械运行或发电机发出了电功率，电枢绕组中就有电 流通过，电枢绕组电流将产生磁动势，称为电枢磁动势。此时，气隙磁场就由主极磁动势 与电枢磁动势两者的合成磁动势所建立。正是这两个磁动势的相互作用，直流电机中才能 实现机电能量转换。一、负载时的电枢磁动势下面分析电枢磁动势的大小和性质。设电枢表面为光滑，电枢绕组为整距，各导体均匀地分布在电枢表面。交轴电枢磁动势 设电刷放在几何中性线上，如图1-3-2所示（实际电机中，电刷放 在磁极中心线的换向片上，画示意图时常省去换向器，而把电刷直接放在几何中性线的导 体上）。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

4、电刷引入或引出，因 此电刷是电枢表面上电流分布的分界线。在图1-3-2a中，若电枢上半周的电流为流出，则 下半周为流入，根据右手螺旋定则，该电枢磁动势所建立的磁场如虚线所示。从图可见， 电枢磁动势的轴线总是与电刷轴线重合。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，因此当电刷位于几何中性线上时，电枢磁动势是交轴电枢磁动势。把电枢外圆从几何中性线展开，并画出主极、所示。以主极轴线和电枢 表面的交点处为原点。根 据安培环路定律，在一个 极距范围内，取一经过距 原点为+x及一x的闭合 回路。设za为电枢绕组的 总导体数，ia为导体内的 电流，D为电枢外径，贝0 此回路所包含的总

5、电流为f = XZ （1-3-1）.兀D电刷和导体中电流的方向，如图1-3-2b的电枢磁动势。设磁路不饱和，并取作e凄，因而可以忽略铁心中的磁压降，加此电枢磁-也就是作用于该闭合回路 动势将全部消耗在两段气隙上；此时作用在x点处每段气隙的磁动势匕3）应为（1-3-2）f（x）=（）=Ax （安/极），_-x- 了a 2 兀 D22式中，A = 弟称为电负荷，它是兀D 一沿电枢表面单位长度上的安培导体 数。电枢磁动势沿电枢表面呈三角 形分布，在几何中性线处，即x= t/2，交轴电枢磁动势达到最大值Faa = 2 A（安/极）（1-3-3）jL图1-3-3电刷不在几何中性线上时的电枢磁动势 a）.

6、电枢磁动势b）交轴分量c）直轴分量直轴电枢磁动势若电刷从几何中性线移过P角（相应的电枢表面弧长为）,则电枢磁动势的三角形波亦随之移动P 角，如图1-3-3a。此时，可以把电枢磁动势分解为两部分：一部分为-2外范围内的导体电 流所产生的交轴电枢磁动势，如图1-3-3b，其最大值为Faq = A（；_ %）（安/极）（1-3-4）另一部分为由2外范围内导体电流所产生的直轴电枢磁动势，如图1-3-3c，其最大值为Fad =荣（安/极）（1-3-5）由此可见，当电刷从几何中性线移过月角时，除产生交轴电枢磁动势外，还产生直轴电枢 磁动势。无论电枢是静止或是旋转，上述分析结果都是正确的。电枢旋转时，组成各

7、支路的线 圈虽然在不断轮换，但由于换向器的换向作用，每一支路中线圈的电流方向总保持不变， 因此电枢磁动势总在空间静止不动。二、电枢反应负载时，电枢磁动势对主极磁场的影响称为电枢反应。如果电枢磁动势有交轴和直轴 分量，就有交轴电枢反应和直轴电枢反应。交轴电枢反应若忽略铁心的磁阻，则可得交轴电枢磁场沿电枢表面的分布为b （X） = u 3）（1-3-6）X） % &XT该式表明，baq（x）与匕/1）成正比，与气隙长度a（x）成反比。由于极靴下的气隙较小且基本为 均匀，所以极靴下的电枢磁场随电枢磁动势的增大而正比增大；而极间气隙较大，所以极 间部分的电枢磁场大为削弱，整个交轴电枢磁场的分布曲线呈马

8、鞍型，如图1-3-4b所示。 不计饱和时，可把主极磁场和电枢磁场叠加，即得到负载时的气隙合成磁场。图1-3-4交轴电枢反应a）负载时的合成磁场b）交轴电枢磁场和气隙合成磁场分布下面以直流发电机为例具体分析。由图1-3-4可见，电枢以逆时针方向旋转，由右手 定则可知，N极下导体中的感应电动势方向为从纸面出来。，S极下导体中的感应电动势 方向为进入纸面Q;在发电机中，电枢电流与感应电动势的方向一致，因此图中的。和Q亦 代表电枢导体中电流的方 向。再利用右手螺旋关系， 即可确定交轴电枢磁动势 和磁场的方向。例如，在 图1-3-4a中，交轴电枢磁 动势的方向应为自左至 右，在图1-3-4b的展开图 中

9、，X = 0T的范围内， 交轴电枢磁场的方向应为 自下向上，即自电枢表面 指向主极；在x=0-t/2和x=l3t/2的范围内，交轴电枢磁场的方向则为自上向下。把主极磁场b0和电枢磁场baq 沿电枢表面的分布曲线逐点相加，即可得到不计磁饱和时气隙内的合成磁场分布曲线b, 如图1-3-4b中实线所示。把bg和b0比较，可知：(1) 交轴电枢磁场在半个极内对主极磁场起去磁作用，在另半个极内则起增磁作用， 引起气隙磁场畸变，使电枢表面磁通密度等于零的位置偏离几何中性线。通常把通过电枢 . .表面磁场等于零处所连接的直线称为物理中性线。所以说，负载时物理中性线与几何中性 线不再重合。对发电机，物理中性线

10、顺着电机旋转方向移过了a角；对电动机，逆着旋转 方向移过了 a角。(2) 不计饱和时，交轴电枢磁场对主极磁场的去磁作用(图1-3-4b中用面积A表示) 和增磁作用(用面积a2表示)恰好相等。换言之，不计饱和时 交轴电枢反应既无增磁作 用，亦无去磁作用。若考虑磁饱和，则增磁边将使该部分铁心的饱和程度提高，磁阻增大，. .从而使实际的气隙磁场比不计饱和时略低，如图1-3-4b中虚线所示；去磁边的实际气隙磁 场则与不计饱和时基本一致；因此负载时每极下的磁通量将比空载时少。换言之，饱和时 交轴电枢反应具有一定的去磁作用。直轴电枢反应直轴电枢磁动势的轴线与主极轴线重合，直接影响主极下磁通的大 小。从图1

11、-3-3不难看出，当电机为发电机时，若电刷顺电枢的旋转方向从几何中性线移 开B角，对主极磁场而言，直轴电枢反应起去磁作用；若电刷逆旋转方向移动P角，则直 . 轴电枢反应起助磁作用。电动机的情况与发电机恰好相反。第三节 电枢绕组的感应电动势、电磁转矩和电磁功率本节推导直流电机电枢绕组的感应电动势和电磁转矩的计算公式，它们是建立基本方 程和分析运行性能的前提。一、电枢绕组的感应电动势图1-3-5气隙磁场的分布电动势、电磁力的计算直流电机的电枢旋转时，电枢导体“切割”气隙磁场，电枢绕组中就会感应电动势。 无论叠绕组还是波绕组，电机正、负电刷间的电动势就是其支路电动势，其值等于支路中 各串联导体电动势

12、的代数和。设气隙磁场的分布如图1-3-5所示，电刷置放 在几何中性线上，电枢导体的有效长度为/，导体“切 割”气隙磁场的速度为v，则每根导体的感应电动势 为e bv(1-3-7)式中，bg为导体所在处的气隙磁通密度。若电枢绕组的总导体数为Za，支路数为&_,则每一支路的串联导体数等于Za/2a_。电枢绕组的电动 势为一3 -Ea=宠 b lv = l (1_3-8)11该式中的b5(x)随X不同而变化，为简单计，引入平均气隙磁通密度Bav /歹“=b8 (x)(1-3-9)“ 2 a 1它等于电枢表面各点气隙磁通密度的平均值，则式(1-3-8)可改写成(1-3-10)一 Z =lv B2aav

13、n考虑到v=2pz, n为电机转速，诉 为电枢周长，将v代入式(1-3-10)，可得60E = 2PnZ(B tl) = ZnO = Cn(1-3-11)a 60 2aav60ae该式就是电枢绕组的电动势公式。式中，ABt表示每极的总磁通量；C =pZ/60a称 为电动势常数。不计饱和时，磁通也与励磁电流If成正比，即切=火占，而n = 60Q/2n，于是E = 60Ce K I Q= G I Q(1-3-12)a2丸f f af f该式是电动势公式的一种线性化表达式。式中，Gaf称为运动电动势系数。二、直流电机的电磁转矩3当电枢绕组内有电流时，载流导体与气隙磁场相互作用就会产生电磁转矩。设电

14、刷在几何中性线上，线圈为整距，则一个极下载流导体的电流方向均为相同。另 外，每个极下的气隙磁场，除极性不同外，其分布情况亦相同。因此只要计算一个极下载 流导体上所受到的电磁转矩，然后乘以2p，即可得到作用在整个电枢上的电磁转矩。设电枢表面任一点处的气隙磁通密度为bg (图1-3-5)，载流导体中的电流为七，则作 用在该处载流导体上的电磁转矩应为3T = b l (1-3-13)c 8 a 2式中，D为电枢外径。由于一个极下的载流导体数为Za/2p。因此作用在一个极下载流导体 上的电磁转矩应为T =苦bliD = li D苦b (1-3-14)P8 a 2 a 2811同样引入平均气隙磁通密度，

15、考虑的式(1-3-9)，式(1-3-14)可写成作用在整个电枢上的电磁转矩则为T = 2pT = Z B li e p a av a 2又由于nD=2pi, =Bvk,支路电流i=IJ2a=，式(1-3-16 )可改写为(B 口) I = C Iav a T a ZaBavl年该式就是直流电机的转矩公式。式中，2兀 a ）C = a称为直流电机的转矩常数。T 2兀 a(1-3-15)(1-3-16)(1-3-17)不计饱和时，磁通量XK/f，式（1-3-17）亦可写成T = C K I I = G II（1-3-18）e T f f a af f a这是转矩公式的一种线性化表达形式。式中，Gaf=CTKf0三、直流电机的电磁功率3电枢绕组的感应电动势和电流的乘积称 为电磁功率 P = E I =竺 Q。/ = T Q （1-3-19） e a a 2丸 aa e这说明直流电动机中，电磁功率就是电枢绕组吸取的电