【文章內(nèi)容簡介】 電樞齒，通過電樞鐵心的磁軛 (電樞磁軛 )到 S極下的電樞齒，又通過氣隙回到定子的 S極，再經(jīng)機(jī)座 (定子磁軛 )形成閉合回路。這部分同時(shí)與勵(lì)磁繞組和電樞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(jìn)入電樞鐵心，僅與勵(lì)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(dòng)勢及產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，稱為漏磁通。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。 l直流電機(jī)的空載磁化特性 直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)，要求氣隙磁場每個(gè)極下有一定數(shù)量的主磁通，叫每極磁通 Φ，當(dāng)勵(lì)磁繞組的匝數(shù) Nf一定時(shí)，每極磁通 Φ的大小主要決定于勵(lì)磁電流?？蛰d時(shí) Φ與空載勵(lì)磁電流 (或空載勵(lì)磁磁動(dòng)勢 F?＝ N?)的關(guān)系稱為電機(jī)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(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度 B— H（磁場強(qiáng)度）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(shí)也出現(xiàn)飽和，如圖 321所示。三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場圖 321空載磁化特性曲線由于空載時(shí)的每極磁通是隨磁動(dòng)勢或勵(lì)磁電流的變化而變化。在額定狀態(tài)下，電機(jī)往往工作在飽和點(diǎn)附近，這樣既可以獲得較大的磁通，又不致需要太大的勵(lì)磁磁動(dòng)勢，從而可以節(jié)省鐵心和勵(lì)磁繞組的材料。所以電機(jī)的工作點(diǎn)一般選在磁化特性開始轉(zhuǎn)彎，亦即磁路開始飽和的部分。 三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場l空載磁場氣隙磁通密度分布曲線 主磁極的勵(lì)磁磁動(dòng)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(shí)，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 322所示。三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場圖 322空載時(shí)氣隙磁通密度分布磁極中心及其附近，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。三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場直流電機(jī)空載時(shí)勵(lì)磁磁動(dòng)勢單獨(dú)產(chǎn)生的氣隙磁通密度分布為一平頂波，如圖 322所示。直流電機(jī)帶負(fù)載時(shí)，電樞繞組流過電樞電流 I，產(chǎn)生電樞磁動(dòng)勢 Fa，與勵(lì)磁磁動(dòng)勢 Ff共同建立負(fù)載時(shí)的氣隙合成磁通密度，必然會(huì)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(dòng)勢對氣隙磁通密度分布的影響稱為電樞反應(yīng)（ armaturereaction）。 216。 直流電機(jī)的負(fù)載磁場與電樞反應(yīng) 三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場圖 323電刷在幾何中性線時(shí)的電樞磁勢與磁場(a)電樞磁場 (b)電樞磁勢與磁場分布 l直流電機(jī)的電樞磁場 圖 323表示一臺(tái)兩極直流電機(jī)電樞磁動(dòng)勢單獨(dú)作用產(chǎn)生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(jìn)。由右手螺旋定則可知，電樞磁動(dòng)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323(a)所示。三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場下面進(jìn)一步分析電樞磁動(dòng)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(jī)從幾何中性線處切開展平，如圖所示。圖中磁極軸線上的 O為圓點(diǎn)，距圓點(diǎn) 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(dòng)勢等于它所包圍的全電流， 即 三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場式中： D為電樞直徑； A為沿電樞表面周長方向單位長度上的安培導(dǎo)體數(shù)。忽略鐵磁性材料的磁阻并認(rèn)為電機(jī)的氣隙是均勻的， 則每個(gè)氣隙所消耗的磁動(dòng)勢為 Fax=2xA/2=Ax。一般取磁力線自電樞出、進(jìn)入定子時(shí)的磁動(dòng)勢為正，反之為負(fù)，這樣可得整個(gè)繞組元件產(chǎn)生的磁動(dòng)勢的分布情況，如圖 323(b)中的曲線 Fax所示。電樞磁動(dòng)勢空間分布為一三角形波，三角形波磁動(dòng)勢的最大值在幾何中性線位置，磁極中心線處為零。 三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場如果忽略鐵心中的磁阻，認(rèn)為電樞磁動(dòng)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(dá)式為：式中： Fax為氣隙中 x處的磁動(dòng)勢； Bax為氣隙中 x處的磁密。三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場l負(fù)載時(shí)氣隙合成磁場 （ 1）當(dāng)磁路不飽和或不考慮磁路飽和現(xiàn)象時(shí)，可以利用疊加原理，將空載時(shí)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(fù)載氣隙合成磁場的磁通密度分布曲線，如圖 324(b)中的曲線 Bδx所示。三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場圖 324直流電機(jī)的電樞反應(yīng)(a)電樞磁場 (b)電樞磁勢與磁場分布 三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場對照曲線 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(gè)磁極下的磁場加強(qiáng)，磁通增加，另半個(gè)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 324(a)所示。三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場（ 2）當(dāng)考慮磁路飽和的影響時(shí)，半個(gè)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(shí)際值低于不考慮飽和時(shí)的直接相加值；另半個(gè)極下磁場減弱，飽和程度降低，磁阻減小，氣隙磁通密度的實(shí)際值略大于不考慮飽和時(shí)的直接相加值。實(shí)際的氣隙合成磁場磁通密度分布曲線如圖 324(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(gè)極下減少的磁通大于另半個(gè)極下增加的磁通，使每極總磁通有所減小。 三、直流電機(jī)的電樞繞組和磁場由以上分析可以得知，電刷放在幾何中性線上時(shí)電樞反應(yīng)的影響為： ① 使氣隙磁場發(fā)生畸變，半個(gè)極下磁場削弱，半個(gè)極下磁場加強(qiáng)； ② 磁路飽和時(shí)有去磁作用，使每個(gè)極下部總的磁通有所減小。 四、電樞電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩電樞繞組的電動(dòng)勢是指直流電機(jī)正負(fù)電刷之間的感應(yīng)電動(dòng)勢，也就是電樞繞組一條并聯(lián)支路的電動(dòng)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(dòng)勢，由于氣隙合成磁通密度在一個(gè)極下的分布不均勻，如圖 325所示，因而導(dǎo)體中感應(yīng)電動(dòng)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(gè)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(gè)極距范圍內(nèi)切割氣隙磁通密度產(chǎn)生的電動(dòng)勢的平均值 eav，其表達(dá)式為：n 直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢四、電樞電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩圖 325氣隙磁通密度分布與平均磁通密度四、電樞電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩式中： Bav為一個(gè)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 因而一根導(dǎo)體感應(yīng)電動(dòng)勢的平均值： 四、電樞電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩設(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(dòng)勢： 式中： Ce=PN/60a，對已經(jīng)制造好的電機(jī)是一常數(shù)，稱為直流電機(jī)的電動(dòng)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(shí)，電動(dòng)勢 Ea的單位為 V式（ 320）表明：對已制成的電機(jī)，電樞電動(dòng)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(fù)載時(shí)氣隙合成磁場的每極磁通。四、電樞電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩n 直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩電樞繞組中流過電樞電流 Ia時(shí)，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 325所示。一根導(dǎo)體所受電磁力的大小為：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：一根導(dǎo)體所受電磁力形成的電磁轉(zhuǎn)矩，其大小為：式中： D為電樞外徑。四、電樞電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩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)矩等于一根導(dǎo)體電磁轉(zhuǎn)矩的平均值 Tav乘以電樞繞組總的導(dǎo)體數(shù) N，即：式中： CT=PN/2πa，對已制成的電機(jī)是一常數(shù)，稱為直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)。當(dāng)磁通的單位用 Wb，電流的單位用 A時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩 Tem單位為 Nm(牛 米 )。 四、電樞電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩式 (325)表明，對已制成的電機(jī)，電磁轉(zhuǎn)矩 Tem與每極磁通 Φ和電樞電流 Ia的乘積成正比。電樞電動(dòng)勢 Ea=CeΦn和電磁轉(zhuǎn)矩 Tem=CTΦn是直流電機(jī)中兩個(gè)重要的公式。對于同一臺(tái)直流電機(jī)，電動(dòng)勢常數(shù) Ce和轉(zhuǎn)矩常數(shù) CT之間具有確定的關(guān)系： 四、電樞電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩五、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程和外特性u 他勵(lì)直流電機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程216。 直流發(fā)電機(jī)正方向如圖電樞回路方程式：電機(jī)軸上的軸轉(zhuǎn)矩：勵(lì)磁電流：氣隙每極磁通： 發(fā)電機(jī)慣例e216。 直流電動(dòng)機(jī)正方向如圖電樞回路方程式：電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩：機(jī)械軸的輸出轉(zhuǎn)矩；空載轉(zhuǎn)矩。勵(lì)磁回路、每極磁通（同發(fā)電機(jī)）五、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程和外特性電動(dòng)機(jī)慣例e與發(fā)電機(jī)不同，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的目的是拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行。直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩 TL是已知量，當(dāng)電機(jī)的參數(shù)確定后，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)各物理量的大小和方向都取決于負(fù)載。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩一定與負(fù)載轉(zhuǎn)矩大小相同，方向相反，即 發(fā)電機(jī) 電動(dòng)機(jī)機(jī)電能量變化勵(lì)磁和主磁通電樞回路電平衡機(jī)械系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩平衡五、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程和外特性u 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性216。 機(jī)械特性的一般表達(dá)式他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性是指電動(dòng)機(jī)加上一定的電壓U和一定的勵(lì)磁電流 If時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，即 五、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程和外特性式中， n0稱為理想空載轉(zhuǎn)速， 是機(jī)械特性的斜率?？蛰d時(shí) T0≠0，對應(yīng)的實(shí)際空載轉(zhuǎn)速 n0。五、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程和外特性216。 固有機(jī)械特性 電樞兩端加額定電壓、氣隙每極磁通量為額定值、電樞回路不串電阻時(shí)的機(jī)械特性稱為固有機(jī)械特性。 即：此時(shí)，變量為 Te五、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程和外特性固有機(jī)械特性的特點(diǎn)：1）特性是一條下斜直線；2）理想空載轉(zhuǎn)速（ ）3）斜率其值很小，特性較平，習(xí)慣上稱為硬特性。他勵(lì)直流電機(jī)的固有機(jī)械特性五、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程和外特性固有機(jī)械特性的特點(diǎn)：4）轉(zhuǎn)速降落速降：5）起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)電流起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)電流比額定值大很多。五、他勵(lì)直流電機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程和外特性例：他勵(lì)直流電機(jī)額定功率 PN=22kW，額定電壓 UN=220V，額定電流 IN=115A，額定轉(zhuǎn)速 nN=1500r/min，電樞回路總電阻 Ra=，忽略空載轉(zhuǎn)矩 T0，電機(jī)拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載TL=（ TN為額定電磁轉(zhuǎn)矩）運(yùn)行。求穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 n、電樞電流 Ia和電動(dòng)勢 Ea的值。五、他勵(lì)直流電機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程和外特性五、他勵(lì)直流電機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程和外特性216。 人為機(jī)械特性 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的參數(shù)如電壓、勵(lì)磁電流、電樞回路電阻大小等改變后，其機(jī)械特性稱為人為機(jī)械特性。1）電樞回路串電阻五、他勵(lì)直流電機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程和外特性2）改變電樞電壓 3）減小氣隙磁通量五、他勵(lì)直流電