【文章內(nèi)容簡介】 小電流的電機 。 第一章 直 流 電 機 任務(wù)四 直流電機的磁場 直流電機的勵磁方式 主磁極上勵磁繞組通以直流勵磁電流產(chǎn)生的磁動勢稱為勵磁磁動勢 。 勵磁磁動勢單獨產(chǎn)生的磁場是直流電機的主磁場 ， 又稱為勵磁磁場 。 勵磁繞組的供電方式稱為勵磁方式 。 直流電機按勵磁方式的不同可以分為他勵直流電機 、 并勵直流電機 、 串勵直流電機 、 復(fù)勵直流電機 4類 。 第一章 直 流 電 機 1. 他勵直流電機 他勵直流電機的勵磁繞組由其他直流電源供電 ， 與電樞繞組之間沒有電的聯(lián)系 ， 如圖 (a)所示 。 永磁直流電機也屬于他勵直流電機 ， 其勵磁磁場與電樞電流無關(guān) 。 圖 電流正方向是以電動機為例設(shè)定的 。 第一章 直 流 電 機 圖 (a) 他勵； (b) 并勵； (c) 串勵； (d) 復(fù)勵 第一章 直 流 電 機 2. 并勵直流電機 并勵直流電機的勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián) ， 如圖 （ b）所示 ， 勵磁電壓等于電樞繞組端電壓 。 他勵直流電機和并勵直流電機的勵磁電流只有電機額定電流的 1％ ～ 5％ ， 因此勵磁繞組的導(dǎo)線細而匝數(shù)多 。 3. 串勵直流電機 串勵直流電機的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián) ， 如圖 （ c）所示 ， 勵磁電流等于電樞電流 ， 因此勵磁繞組的導(dǎo)線粗而匝數(shù)較少 。 第一章 直 流 電 機 4. 復(fù)勵直流電機 復(fù)勵直流電機的每個主磁極上套有兩個勵磁繞組：一個與電樞繞組并聯(lián) ， 稱為并勵繞組；另一個與電樞繞組串聯(lián) ， 稱為串勵繞組 ， 如圖 (d)所示 。 兩個繞組產(chǎn)生的磁動勢方向相同時稱為積復(fù)勵 ， 磁動勢方向相反時稱為差復(fù)勵 ， 通常采用積復(fù)勵方式 。 直流電機的勵磁方式不同 ， 運行特性和適用場合也不同 。 第一章 直 流 電 機 直流電機不帶負載 (即不輸出功率 )時的運行狀態(tài)稱為空載運行 。 空載運行時電樞電流為零或近似等于零 ， 因此空載磁場是指主磁極勵磁磁動勢單獨產(chǎn)生的勵磁磁場 ， 亦稱為主磁場 。 一臺四極直流電機空載磁場的分布示意圖如圖 ， 圖中只畫了一半 。 第一章 直 流 電 機 圖 直流電機的空載磁場分布示意圖 第一章 直 流 電 機 1． 主磁通和漏碰通 圖 ， 當(dāng)勵磁繞組通以勵磁電流時 ， 產(chǎn)生的磁通大部分由 N極出來 ， 經(jīng)氣隙進入電摳齒 ， 通過電樞鐵心的磁軛 (電摳磁軛 )到 Ｓ 極下的電樞齒 ， 又通過氣隙回到定子的 S極 ， 再經(jīng)機座 (定于磁軛 )形成閉合回路 。 這部分同時與勵磁繞組和電摳繞組相匝鏈的磁通稱為主磁通 ， 用 Φ0表示 。 主磁通經(jīng)過的路徑稱為主磁路 。 主磁路由主磁極 、 氣隙 、 電樞齒 、 電樞磁軛和定子磁軛五部分組成 。 另有一部分磁通不通過氣隙 ， 直接經(jīng)過相鄰磁極或定子磁軛形成閉合回路 ， 這部分磁通不進入電樞鐵心 ，僅與勵磁繞組匝鏈 ， 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 ， 稱為漏磁通 。 以表示 。 漏磁通路徑主要為空氣 ， 磁阻很大 ， 所以漏磁通的數(shù)量只有主磁通的 20％ 左右 。 第一章 直 流 電 機 2． 直流電機的空載磁化特性 直流電機運行時 ， 要求氣隙磁場每個極下有一定數(shù)量的主磁通 ， 叫每極磁通 Φ， 當(dāng)勵磁繞組的匝數(shù) Nf一定時 ， 每極磁通Φ的大小主要決定于勵磁電流 。 空載時 Φ與空載勵磁電流 (或空載勵磁磁動勢 F?＝ N?)的關(guān)系稱為電機的空載磁化特性 。 由于構(gòu)成主磁路的五部分當(dāng)中有四部分是鐵磁性材料 ， 鐵磁性材料磁化時的 B—H曲線有飽和現(xiàn)象 ， 磁阻是非線性的 ， 所以空載磁化特性在較大時也出現(xiàn)飽和 ， 如圖 。 由于空載時的每極磁通是隨磁動勢或勵磁電流的變化而變化 。 在額定狀態(tài)下 ，電機往往工作在飽和點附近 ， 這樣即可以獲得較大的磁通 ， 又不致需要太大的勵磁磁動勢 ， 從而可以節(jié)省鐵心和勵磁繞組的材料 。 所以電機的工作點一般選在磁化特性開始轉(zhuǎn)彎 ， 亦即磁路開始飽和的部分 。 第一章 直 流 電 機 圖 空載磁化特性曲線 第一章 直 流 電 機 3. 空載磁場氣隙磁通密度分布曲線 主磁極的勵磁磁動勢主要消耗在氣隙上 ， 當(dāng)近似地忽略主磁路中鐵磁性材料的磁阻時 ， 主磁極下氣隙磁密的分布就取決于氣隙 δ的分布情況 。 一般情況下 ， 磁極極靴寬度約為極距的75％ 左右 ， 如圖 。 磁極中心及其附近 ， 氣隙 δ較小且均勻不變 ， 磁通密度較大且基本為常數(shù)；靠近兩邊極尖處 ， 氣隙逐漸變大 ， 磁通密度減??；超出極尖以外 ， 氣隙明顯增大 ， 磁通密度顯著減??；在磁極之間的幾何中性線處 ， 氣隙磁通密度為零 。 因此 ， 空載氣隙磁通密度分布為一禮帽形的平頂波 。 第一章 直 流 電 機 圖 空載時氣隙磁通密度分布 第一章 直 流 電 機 直流電機的負載磁場與電樞反應(yīng) 直流電機空載時勵磁磁動勢單獨產(chǎn)生的氣隙磁通密度分布為一平頂波 ， 如圖 。 直流電機帶負載時 ， 電樞繞組流過電樞電流 Ｉ ， 產(chǎn)生電樞磁動勢 Ｆ a， 與勵磁磁動勢 Ff共同建立負載時的氣隙合成磁通密度 ， 必然會使原來的氣隙磁通密度的分布發(fā)生變化 。 通常把電樞磁動勢對氣隙磁通密度分布的影響稱為電樞反應(yīng) （ armature reaction） 。 第一章 直 流 電 機 1. 直流電機的電樞磁場 圖 的電樞磁場分布情況 。 圖中沒有畫出換向器 ， 所以把電刷直接畫在幾何中性線處 ， 以表示電刷是通過換向器與處在幾何中性線上的元件邊相接觸的 。 電刷軸線上部所有元件構(gòu)成一條支路 ， 下部所有元件構(gòu)成另一條支路 。 電樞元件邊中電流的方向以電刷軸線為界 ， 圖例中設(shè)上部元件邊中電流為流出 ， 下部元件邊電流為流進 。 由右手螺旋定則可知 ， 電樞磁動勢的方向由左向右 ， 電樞磁場軸線與電刷軸線重合在幾何中性線上 ， 亦即與磁極軸線相垂直 ， 如圖 (a)所示 。 第一章 直 流 電 機 圖 (a) 電樞磁場； (b) 電樞磁勢與磁場分布 第一章 直 流 電 機 下面進一步分析電樞磁動勢和電樞磁場氣隙磁通密度的分布情況 。 如果設(shè)元件導(dǎo)體數(shù)為 N， 元件中電流為 ia， 將此電機從幾何中性線處切開展平 ， 如圖 (b)所示 。 圖中磁極軸線上的 O為圓點 ， 距圓點 177。 x處作一閉合磁路 。 根據(jù)全電流定律可知 ， 作用在這一閉合磁路的磁動勢等于它所包圍的全電流 ， 即 xADNix 2π2 a ?（ ） 第一章 直 流 電 機 式中： D為電樞直徑； A為電樞線負載時電樞圓周單位長度上的安培數(shù) 。 忽略鐵磁性材料的磁阻并認為電機的氣隙是均勻的 ， 則每個氣隙所消耗的磁動勢為 Fax=2xA/2=Ax。 一般取磁力線自電樞出 、 進入定子時的磁動勢為正 ， 反之為負 ， 這樣可得整個繞組元件產(chǎn)生的磁動勢的分布情況 ， 如圖 (b)中的曲線 Fax所示 。 電樞磁動勢空間分布為一三角形波 ， 三角形波磁動勢的最大值在幾何中性線位置 ， 磁極中心線處為零 。 如果忽略鐵心中的磁阻 ， 認為電樞磁動勢全部消耗在氣隙上 ， 則根據(jù)磁路的歐姆定律 ， 可得電樞磁場磁密的表達式為 ?? xxFB a0a ? () 式中： Fax為氣隙中 x處的磁動勢； Ｂ ax為氣隙中 x處的磁密。 第一章 直 流 電 機 2. （ 1） 當(dāng)磁路不飽和或不考慮磁路飽和現(xiàn)象時 ， 可以利用疊加原理 ， 將空載時氣隙合成磁場的磁通密度分布曲線 B0x和電樞磁場的氣隙磁密分布曲線 Bax相加 ， 即得負載氣隙合成磁場的磁通密度分布曲線 ， 如圖 (b)中的曲線 Bδx所示 。 第一章 直 流 電 機 圖 直流電機的電樞反應(yīng) (a) 電樞磁場； (b) 電樞磁勢與磁場分布 第一章 直 流 電 機 對照曲線 B0x和 Bδx 可見：電樞反應(yīng)的影響是使氣隙磁場發(fā)生畸變 ， 使半個磁極下的磁場加強 ， 磁通增加 ， 另半個磁極下的磁場減弱 ， 磁通減少 。 由于增加和減少的磁通量相等 ， 因而每極總磁通 Φ維持不變 。 磁場發(fā)生畸變 ， 使電樞表面磁通密度等于零的物理中性線偏離了幾何中性線 ， 如圖 (a)所示 。 對發(fā)電機 ， 物理中性線順著旋轉(zhuǎn)方向 (發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)方向 )偏離幾何中性線；而對電動機 ， 則逆著旋轉(zhuǎn)方向 （ 電動機的旋轉(zhuǎn)方向 )偏離幾何中性線 。 第一章 直 流 電 機 (2) 當(dāng)考慮磁路飽和的影響時 ， 半個極下磁場相加 ， 由于飽和程度增加 ， 磁阻增大 ， 因而氣隙磁通密度的實際值低于不考慮飽和時的直接相加值；另半個極下磁場減弱 ， 飽和程度降低 ， 磁阻減小 ， 氣隙磁通密度的實際值略大于不考慮飽和時的直接相加值 。 實際的氣隙合成磁場磁通密度分布曲線如圖(b)中的曲線 Bδx所示 。 由于鐵磁性材料的非線性 ， 因而減少的面積 （ S3） 大于增加的面積 （ S4） ， 即半個極下減少的磁通大于另半個極下增加的磁通 ， 使每極總磁通有所減小 。 由以上分析可以得知 ， 電刷放在幾何中性線上時電樞反應(yīng)的影響為： ① 使氣隙磁場發(fā)生畸變 ， 半個極下磁場削弱 ， 半個極下磁場加強； ② 磁路飽和時有去磁作用 ， 使每個極下部總的磁通有所減小 。 第一章 直 流 電 機 任務(wù)五 直流電機的電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩 直流電機的電樞電動勢 電樞繞組的電動勢是指直流電機正負電刷之間的感應(yīng)電動勢 ， 也就是電樞繞組一條并聯(lián)支路的電動勢 。 電樞繞組元件邊內(nèi)的導(dǎo)體切割氣隙合成磁場 ， 產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 ， 由于氣隙合成磁通密度在一個極下的分布不均勻 ， 如圖 ， 因而導(dǎo)體中感應(yīng)電動勢的大小是變化的 。 為分析方便起見 ， 可把磁通密度看成均勻分布的 ， 取一個極下氣隙磁通密度的平均值 Bav， 從而可得一根導(dǎo)體在一個極距范圍內(nèi)切割氣隙磁通密度產(chǎn)生的電動勢的平均值 eav， 其表達式為 lvBe avav ? （ ） 第一章 直 流 電 機 圖 氣隙磁通密度分布與平均磁通密度 第一章 直 流 電 機 式中： Bav為一個極下氣隙磁通密度的平均值 ， 稱平均磁通密度； l為電樞導(dǎo)體的有效長度 (槽內(nèi)部分 )； v為電樞表面的線速度 。 由于 ?lΦBav ??Pnv 260?（ ） （ ） 因而一根導(dǎo)體感應(yīng)電動勢的平均值 nPPnlle av ????602260??（ ） 第一章 直 流 電 機 設(shè)電樞繞組總的導(dǎo)體數(shù)為 N， 則每一條并聯(lián)支路總的串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)為 N／ 2a， 因此電樞繞組的感應(yīng)電動勢 nCnaPNnPaNeaNE eava ????????? 6060222（ ） 式中： Ce=PN/60a， 對已經(jīng)制造好的電機是一常數(shù) ， 稱為直流電機的電動勢常數(shù) 。 當(dāng)每極磁通 Φ的單位用 Wb（ 韋伯 ） ， 轉(zhuǎn)速單位用 r/min時 ， 電動勢 Ea的單位為 V。 式 （ ） 表明：對已制成的電機 ， 電樞電動勢 Ea與每極磁通 Φ和轉(zhuǎn)速 n的乘積成正比 ， 式中的 Φ一般是指負載時氣隙合成磁場的每極磁通 。 第一章 直 流 電 機 1． 5． 2 直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩 電樞繞組中流過電樞電流 Ia 時，元件的導(dǎo)體中流過支路電流 ?a成為載流導(dǎo)體，在磁場中受到電磁力的作用。電磁力 ?的方向按左手定則確定，如圖 。一根導(dǎo)體所受電磁力的大小為 axx liBf ?（ ） 如果仍把氣隙合成磁場看成是均勻的，氣隙磁密用平均值Bav表示，成為載流導(dǎo)體，則每根導(dǎo)體所受電磁力的平均值為 aavav liBf ?（ ） 第一章 直 流 電 機 一根導(dǎo)體所受電磁力形成的電磁轉(zhuǎn)矩，其大小為 2DfTavav ?? （ ） 式中： D為電樞外徑。 第一章 直 流 電 機 不同極性磁極下的電樞導(dǎo)體中電流的方向也不同，所以電樞所有導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向都是一致的，因而電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩等于一根