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第十九章 直流电机的电磁关系及分析方法 主要内容 直流电机空载时电机内部电磁关系 直流电机负载时电机内部电磁关系 直流电机的电枢反应 电枢绕组的感应电势和直流电机的电磁转矩 稳态运行时直流电机的基本方程式 第一节 直流电机空载时电机内部电磁关系 直流电机空载是指电机对外无功率输出、不带负载空转的一种状态。直流电机空载时，励磁绕组内有励磁电流，电动机电枢电流很小可忽略而发电机电枢电流为零，此时电机内部的磁场是由励磁绕组通过电流产生的磁势决定。 主磁极N、S交替分布，故磁场的分布是对称的。 其中绝大部分磁通经主磁极、气隙、电枢铁芯及定子磁轭闭合，这部分磁通同时链绕励磁绕组和电枢绕组，称主磁通，记作：Φ0，主磁通参与机电能量转换，能产生感应电势和电磁转矩，是工作磁通。 还有一小部分磁通不穿过电枢，仅与励磁绕组自身链绕，称漏磁通，记作：Φσ，漏磁通不穿过电枢表面，不参加机电能量转换，不是工作磁通。 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20%左右。 第二节 直流电机负载时电机内部电磁关系 直流电机空载运行时，气隙中仅有主极磁场，其分布如图19-3。负载运行时，电枢绕组中有电流，产生电枢磁势，建立电枢磁场。主磁势和电枢磁势共同作用建立负载时的气隙磁场。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获引出，因此电刷是电枢表面电流分布的分界线，电枢磁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势两种情况。 一、电刷在几何中性线上时的电枢磁势 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19-4（a）虚线所示。从图19-4（a）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，电枢磁动势时交轴电枢磁动势。 图19-4（a）是直流电机电流分布和电枢磁场情况示意图，为便于分析让其展开成图19-4（b）图。 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势在展开图中都是幅值相同的矩形波，如图19-5（a）是其中一个线圈产生的磁势矩形波，图19-5（b）为其中三个线圈产生的磁势分布波，图19-5（c）为三个线圈产生的磁势波的合成阶梯分布波，图19-5（d）为电枢绕组的产生的磁势合成，如果组成电枢绕组的线圈无线的增多，则电枢合成磁势就如图19-5（e）。可见电刷在几何中线上时，直流电机的电枢磁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形波，三角波的幅值在电刷所在的交轴上，所以又称交轴电枢磁动势Fa(x)，如图19-4（b）中的Fa(x)分布形状。 二、电刷不在几何中性线上电枢磁势 由于电机装配或其他原因使电刷不在几何中线时，假设移过一个小角度β，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，故电枢磁势轴线也随之移动了β角度，如图19-6（a）。为了分析的方便，可以划分为两个分量，如图19-6（b）和（c），在角度2β范围内的导体所产生的磁势固定作用在直轴，称为直轴电枢Fad，其方向与主磁极极性相反。在角度2β范围以外的导体所产生的磁势作用在交轴，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作用相同，因而可用同一图来进行分析，如图19-7（a）所示，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势。若磁路不饱和，就可以利用叠加原理求出气隙磁场。图19-7（b）为磁场分布的展开图，图中B0(x)表示空载时的主磁场（平定波），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)。可见电枢反应的性质： （一）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