直流电机的磁场.ppt
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1、2023/6/22,第1页,第三章 直流电机的磁场,引言3.1直流电机的空载磁场 3.2 直流电机的电枢磁动势和磁场 3.3直流电机的电枢反应3.4 直流电机的感应电动势 3.5直流电机的电磁转矩 小结,2023/6/22,第2页,引言,磁场是由电流产生的。直流电机负载运行时的磁场由励磁电流和电枢电流共同建立,情况比较复杂。先将二者分开讨论,然后再在磁路不饱和假设条件下,运用叠加原理考察二者共同作用时的情况。首先分析直流电机的空载磁场,即Ia0时,仅由If建立的励磁磁场,也叫主磁场。,2023/6/22,第3页,3.1直流电机的空载磁场,一、磁通与磁动势二、主磁场分布三、磁化曲线,2023/6
2、/22,第4页,图示为一台四极直流电机在忽略端部效应时的空载磁场分布图示例,即只考虑二维分布。下面结合谈示例讨论直流电机空载磁场的基本特点。,2023/6/22,第5页,一、磁通与磁动势,其中绝大部分从主极铁心经气隙、电枢,再经过相邻主极下的气隙和主极铁心,最后经定子磁轭闭合,同时交链励磁绕组和电枢绕组,在电枢绕组中感应电动势,实现机电能量转换,称为主磁通;每极主磁通记为0。另一小部分不穿过气隙进入电枢,而是经主极间的空气或定子磁轭闭合,不参与机电能量转换,称为漏磁通。漏磁通记为。,2023/6/22,第6页,则通过每个主极铁心中的总磁通为m=0=0(1/0)=k0式中,k=(1/0)。称为主
3、极漏磁系数,其大小与磁路结构即磁场分布情况有关,通常k=1.151.25。,2023/6/22,第7页,设产生主磁通0的每对极励磁磁动势为F0,则由全电流定律有要计算电机中的磁场,只须利用全电流定律。在磁场中沿任一路径环绕一周,均有如果列出足够的方程,就可解算出电机各处的磁场。实际上,这样计算是极为繁难的。所以,通常均作一些简化,其假定如下(1)忽略电机中磁场在轴向分布的不同。把三维空间磁场的问题简化为二维空间的问题。(2)将主磁通的磁路分为几段,各段的磁场均假定为一个均匀磁场。各段所消耗的磁动势为各均匀磁场强度(称为计算磁场强度)与所取各段磁路长度(称为计算磁路长度)的乘积,从而把问题又简化
4、为一维空间的问题,使计算工作大为简化。,2023/6/22,第8页,(1)两个气隙,计算长度为2,磁场强度为H。(2)两个齿,计算高度为2hz,磁场强度为Hz。(3)两个主极,计算高度为2hm,磁场强度为Hm。(4)一个定子轭,平均长度为Lj,磁场强度为Hj。(5)一个转子(电枢)轭,平均长度为La,磁场强度为Ha,用磁路计算方法求得磁动势F0,以及相应的励磁电流If。,2023/6/22,第9页,在计算各部分的计算磁场强度H时,通常先算出该部分的计算平均磁通密度Bav/S式中,为该段磁路的计算磁通,S为该段磁路的计算截面积。然后,根据磁路材料的BH曲线,找出对应于某一磁通密度B下的H值。如果
5、磁路是空气隙,则HB/0。上述各段磁路中,气隙磁路所消耗的磁动势最大,是分析的重点。,2023/6/22,第10页,二、主磁场分布,电机空载时主极下气隙磁通0的大小正比于主极励磁磁动势2Ff,而反比于主磁路的总磁阻。气隙部分为空气,其磁导率近似为0很小,其磁阻很大,而其他各段磁路的材料都是铁磁材料。在磁路不太饱和的情况下,其磁导率比空气磁导率大得多,其磁阻也就比空气隙小得多,相应地消耗在各段铁磁材料中的磁动势也远比空气隙的要小,如忽略铁中消耗的磁动势。,2023/6/22,第11页,设电枢表面光滑无齿,气隙磁动势为,x处的气隙长度和气隙磁密分别为(x)和B0(x),则有即(x)和B0(x)成反
6、比。由于主极下的气隙是不均匀的,且极靴宽度小于极距,故气隙磁密在一个极下的分布规律如图所示,通常为一平顶波。,2023/6/22,第12页,三、磁化曲线,磁化曲线的起始部分几乎是一条直线。这是因为主磁通很小时,磁路中的铁磁部分没有饱和,所需电动势(即磁压降)远较气隙中的小得多,0与F0的关系几乎也就是0与F的关系,而后者是线性关系,故显示为直线。把磁化曲线的起始直线延长,即为电机的气隙磁化曲线0f(F)。简称气隙线。直线段往后,随着0的增大,磁通密度不断增加,铁磁部分逐渐步入饱和,磁导率急剧下降,所需磁动势FFe显著增长,磁化曲线偏离气隙线面弯曲,最后进入深度饱和。,2023/6/22,第13
7、页,电机磁路的饱和程度,以电机额定转速下空载运行时产生暂定电枢电压所需磁动势F0与同一磁通下气隙线上的磁动势F的比值来表示,即称k为饱和系数,一般电机k=1.11.35。饱和系数的大小对电机的运行性能和经济性有重要影响。因此,为了最经济地利用材料,电机的额定工作点一般设计在磁化曲线开始弯曲的所谓“膝点”附近。,2023/6/22,第14页,磁化曲线的纵坐标有时不用F0,而用If表示,它们之间只差一个与励磁绕组匝数有关的比例系数,此外,纵坐标也可以用空载时的电枢电压U代替,当电机转速恒定时,U与0,之间也只相差一个与电枢绕组匝数有关的比例系数。因此,磁化曲线可表示为Uf(If)和0=f(If)或
8、U=f(F0)等多种形式,只需变换一下有关比例系数即可。,2023/6/22,第15页,3.2 直流电机的电枢磁动势和磁场,一、电刷放在几何中性线上时的电枢磁动势和磁场 二、电刷不在几何中性线上时的电枢磁动势,2023/6/22,第16页,直流电机空载时的气隙磁场仅由主极的励磁磁动势所建立。当电机有负载时,电枢绕组中有电流通过,产生的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。正是由于这两个磁动势的互相作用,直流电机才能进行机电能量转换。,2023/6/22,第17页,一、电刷放在几何中性线上时的电枢磁动势和磁场,由于电枢绕组各支路中的电流是由电刷引入
9、或引出的,故电刷是电枢表面电流分布的分界线。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。所以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。,2023/6/22,第18页,设磁路为不饱和,并取Fe,因而可忽略铁心中的磁位降,则此电枢磁动势将全部消耗在二个气隙上,此时作用在x点处每个气隙的电枢磁动势fa(x)应为A为电枢的线负荷,它是沿电枢表面单位长度上的安培导体数。当ia一定时,A是常数。,2023/6/22,第19页,在/2x/2之间应用上式,可画出电枢磁动势沿电枢表面的分布如图b下部的粗线所示。图中纵坐标为磁动势,当磁
10、场方向从电枢到主极时,磁动势为正,当磁场方向由主极到电枢时,磁动势为负。由图可见,电枢磁动势沿空间的分布呈三角形,在正负两电刷之间的中心点处为零,而在电刷处达到最大值,2023/6/22,第20页,可见,当电刷放在几何中性线上时,电枢磁动势轴线也在几何中性线上,电枢磁动势轴线恰与主极轴线正交(空间上相差90电角度)。这种电枢磁动势称为交轴电枢磁动势,其最大值记为Faq,所以当电刷放在几何中性线上时,,2023/6/22,第21页,以上分析是基于电枢无槽而且导体均匀分布于电枢表面才会出现三角波Fax。若电枢有槽,导体放在槽中,则Fax的分布是一阶梯波,但其最大值仍在电枢表面的几何中性线上,电枢磁
11、动势的基本特征与三角波一样。已知电枢磁动势沿气隙的分布,即可求得电枢磁场沿气隙的磁通密度分布为,2023/6/22,第22页,如果极靴下的气隙是均匀的,Bax则沿气隙的分布如图b中细线所示。从图可见,在极弧范围内电枢磁通密度的分布曲线Bax是通过o点的直线,但在相邻两主极之间的空间内,由于气隙很大而磁阻急刷增大,故Bax急速减小,磁通密度曲线变成了马鞍形。,2023/6/22,第23页,二、电刷不在几何中性线上时的电枢磁动势,实际电机中,由于装配误差或其他原因,电刷有时不能恰好在几何中性线上。设电刷离开几何中性线的角度为,相当于在电枢表面移过弧长为b的距离,见图。由于电刷仍为电流分布的分界点,
12、我们把电枢磁动势分为两部分来研究:一部分为2角以外的(2b)范围内的导体电流产生的与上述情况相似的交轴电枢磁动势,见图b,其最大值为,2023/6/22,第24页,另一部分由2b范围内的导体电流产生的磁动势,此磁动势的磁场轴线在主极轴线上,见图c,称为直轴电枢磁动势,其最大值为,2023/6/22,第25页,在图中画出了当电刷不在几何中性线上时的电枢磁动势分布曲线。此时电枢磁动势 仍为三角形波,只是波幅随电刷从电枢表面的几何中性线移动了一个b的距离,如图中曲线1所示。它的两个分量,交轴分量 和直轴分量 的分布曲线分别如图中曲线2和3所示。曲线1为曲线2和3之和。,2023/6/22,第26页,
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