第四章 直流电机的电枢反应
直流电机的磁场和电枢反应
pad —附加损耗，又称杂散损耗， pad 0.5 1%P2
把式（16-30）代入式（16-31）得
P1 P2 pmec pFe pad pf pb pa P2 p
式中： p —总损耗，
p
p mec
pFe
pad
pf
pb pa
上式是并励发电机的功率平衡方程式，由此可画 出并励直流发电机功率流程图，如图16-23所示
pN 60a
n
Cen
式中，
0
的单位是韦伯(Wb
)；C
是常数，
e
Ce
pN 60a
20
电枢绕组的感应电动势
∴电枢绕组的感应电动势
Ea
pz 60a
n
Cen
pz Ce 60a
上式是电刷在交轴且绕组为整距时，直流电机感应
电动势的计算公式。
（1）如果绕组短距或电刷不在交轴处，使支路中一 部分导体的感应电动势因磁场方向相反而反相，相
17
16.4.1 电枢绕组的感应电动势
1.导体中的感应电动势
e j B jl
整个电枢绕组共有 有效导体数为
N 2SNc
18
2 电枢绕组的感应电动势
电枢绕组的感应电动势
N /2a
Ea e j
j 1
一个支路有N/2a根导体均匀连续分布于一个
磁极下 Ea
N /2a
ej
j 1
N 2a
eav
电枢磁动势的计算见教材P306（了解）。
9
16.3.3 交轴电枢反应
当直流电机带有负载时，就有主磁极磁动势和电 枢磁动势同时作用在空气隙。
电枢磁动势的存在使空载磁场分布情况改变。 电枢反应：负载时电枢磁动势对主极磁场的影响。 交轴电枢反应：通常电刷处于交轴处，由于电枢磁
电枢反应
§2.3负载时直流电机的磁场――电枢反应直流电机负载后，电枢绕组有电流通过，简称电枢磁场，而电枢磁场对主磁场的影响就称为电枢反应。
具体分析如下：当电机带上负载后，电枢绕组中有电流通过，电枢电流将产生电枢磁动势，此时电机的气隙磁场由主磁场和电枢两个磁场共同决定。
电枢磁动势的出现，使气隙磁场发生畸变，即电枢反应。
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上电流分布的分界线。
电枢磁势的轴线总是与电刷轴线相重合。
一、交轴电枢磁势Faq电枢磁场如左图，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；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。
左图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右图。
设直轴线上与电枢外圆的交点为0点，在距0点的 x 处作一闭合磁力线回路。
据安培回路定律研究该闭路，该闭路可包围的总电流数即为总磁势Fa：因为设 A 是沿电枢表面周长方向单位长度上的安培导体数：ZaiaA=-------（安培导体数/cm)∏Da式中：Za――电枢绕组的总导体数；D――电枢外径；ia――电枢电流。
则闭路总磁势为Fa＝2xA ，略去铁内磁阻则每个气隙所消耗的磁势为Faq＝A×x。
交轴电枢磁势Faq（x）的分布为呈三角波（略去齿槽影响时），则电枢磁密的分布波形是――"马鞍形"波。
如上右图ba（x）。
二、直轴电枢磁势Fad如下图此图当电刷不在几何中线时，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。
电枢磁势分解成两个分量Faq和Fad即Fa＝Fad＋Fad三、直轴电枢反应若电机为发电机时，电刷顺转向移动β角。
直轴电枢反应仅存在于电刷不与几何中线处导体接触时，此时也存在交轴电枢反应（以后分析），现在单独分析直轴电枢磁势的影响。
电枢反应
四、直流电机电磁转矩 1）概念
电磁转矩：直流电通入转子绕组后，在主磁场的作用下， 使得转子绕组的导体受到电磁力F的作用而形成的转矩。
2）表达式
每根导体的电磁力：
F=BLi
F：产生的电磁力(N)
B：电磁感应强度(T)
I：每根导体中的电流，与转子电流Ｉa成正比(A)
L：每根导体的有效长度(m)
同一台电机，既能做电动机运行，又能做发电机运行的原
理，在电机理论中称为可逆原理。
主要原因：内部结构一样
辨别方法：查看外部条件 ，发电机一般接负载；
电动机一般接电源。
第五节 直流电机的电枢反应
从直流电机基本工作原理的分析可知，发电机将机械能 转换为电能，电动机将电能转换为机械能，其必要的条件之
可能大的电势和电磁转矩，并要力求结构简单，运行可靠， 规律依次连接，形成闭合回路。
维护方便。
元件：构成绕组的线圈称为绕组元件。 元件的首末端：每一个元件均引出两根线与换向片相
连，其中一根称为首端，另一根称为末端。 叠绕组：指串联的两个元件总是后一 个元件的端接部分紧叠在前一个元件 端接部分，整个绕组成折叠式前进。 波绕组：指把相隔约为一对 极距的同极性磁场下的相应 元件串联起来，象波浪式的 前进。
用的有感应电动势和电磁转矩。
发电机和电动机不应视为两种截然不同的电机，而只是同
一电机的两种不同运行方式。一台直流电机理论上既可以作为 电动机运行，也可以作为发电机运行，这取决于外界不同的条 件。将直流电源外加于电刷，输入电能，电机能将电能转换为 机械能，拖动生产机械旋转，作为电动机运行；如用原动机拖 动直流电机的电枢旋转，输入机械能，电机能将机械能转换为 直流电能，从电刷上引出直流电动势，作为发电机运行。
直流电机的电枢反应
直流电机的电枢反应
(一)电枢反应及其产生的原因
当直流电机接负载运行时，其激磁绕组和电枢绕组都有电流通过．分别产生各自的磁场，电枢磁场对主磁场所产生的影响，叫做电枢反应。
可见，}乜枢磁场的存在是直流电机出现电枢反应现象的原因。
为了便于研究电枢反应造成的影响，我们分别来分析主磁场和电枢磁场的情况。
当直流电机激磁绕组通电流，而电枢电流I=0时，在气隙中将建立激磁电流产生的主磁场，其方向用右手螺旋定则确定，并与磁极轴线方向一致，自左向右如图2-1-23所示。
通常我们把通过电枢轴心，并与磁极轴线垂直的平面叫做几何中性面。
而电枢表面磁感应强度B 等于零的平面，叫做主磁场的物理中性面。
在空载时，这两个平面重叠一处。
当激磁绕组不通电。
而只有电枢绕组通电时，则此电流所产生的磁场叫做电枢磁场，其方向仍用右手螺旋定则确定，其分布情况如图2-I一24所示。
由图可见，在电枢表面上电枢磁场B值为零的地方，正是在主磁极的轴线上，即电枢的下半部是Ⅳ极．上半部是S极。
无论电枢是否转动，电枢绕组电流分布情况总是不变的，因此，电枢磁场的轴线与主磁场轴线垂直相交，故称为交轴磁场。
东莞巨丰液压设备制造有限公司。
直流电机的电枢反应和换向
直流电机的电枢反应和换向
直流电机使用的基本理论中电枢反应和换向是个重点。
电枢是直流电机在运行中的重要组成部分。
（1）电枢反应。
直流电机负载运行时，主磁极和电枢磁场同时存在，电枢磁场对主磁场的影响叫电枢反应。
电枢反应的结果是合成磁场发生畸变，合成磁场不对称，给换向带来困难，换向火花增大。
（2）换向。
直流电机运行过程中，电枢绕组元件经过电刷时，从一条支路进入另一条支路，电流方向发生变化，这个过程叫换向。
（3）由于电机转速很高，换向很快，所以会产生自感电动势，形成火花。
电枢反应和换向都会产生火花，为了减小火花，通常加装换向极和增大电刷电阻（电刷用石墨做，耐磨、电阻大）。
直流电机的使用是由其自身的各个组件的相互配合下进行的，电枢是其中最主要的一部分。
使用直流电机的用户，为了方便对其使用，建议对其每个组成部分都要做好了解和研究。
第四章直流电机电枢绕组
一、节距计算
y1
Z 2p
y= =1yk
y2 y1 y
二、绕组展开图
Z为电枢槽数 P为电机的极对数
三、元件连接顺序及并联支路图
空载时气隙磁磁通密度的分布图形
返回
如果不计铁磁材料中的磁压降，则在气隙中各处所消耗的磁通势均
为励磁磁通势。
在极靴下，气隙小，气隙中沿电枢表面上各点磁密较大；在极靴范
围外，气隙增加很多，磁密显著减小，至两极间的几何中性线处磁密为
零。
为一平顶波
直流电机空载磁场的磁密分布
直流电机的空载磁化特性
0
考虑到电机的运行性能 和经济性，直流电机额定运 行的磁通额定值的大小取在 磁化曲线开始弯曲的地方图 中的a点（称为膝部）。
磁电流作用下建立的，这一点与他励发电机不同。并励发电机建立 电压的过程称为自励过程，满足建压的条件称为自励条件。
1、自励条件
曲线1为空载特性曲线，曲线2为励磁回路总电阻R f 特性曲线， 也称场阻线 U f I f R f 。
增大R f ，场阻线变为曲线3时，R f 称为临界 电阻Rcr 。如图所示。
N pN Ea 2a e 60a n Cen
Ce为电动势常数。上式表明直流电机的感应电动势与电机结构、 气隙磁通和电机转速有关。当电机制造好以后，与电机结构有关的常数
Ce不在变化，因此电枢电动势仅与气隙磁通和转速有关，改变转速 和磁通均可改变电枢电动势的大小。
三，直流电机的电磁转矩 定义：根据电磁力定律，当电枢绕组中有电枢电流
电枢反应
机械功率 TΩ
电
电功率
动
机
EaIa
⑶在电磁感应的作用下，
机械能与电能相互转换的功率为电磁功率，用PM表示
作业：P37 2-6
§2.5 直流电机的电势平衡方程式
1、发电机的电势平衡方程
U=Ea-IaRa-2△us
U<Ea
Rf
u △ s表示两个电刷的接触压降， + Uf u 一般取2△ s=2V
Ia
+ Ra
Da
A为常数，称为线负荷
略去下层边 抽去换向器 电刷位置
？电枢磁势的方向在空间固定不变
§2.3 负第载四时章直流直流电电机机的的气电隙枢磁反场应
2、建系
取主磁极的中心线为原点，在距原点两边x处作一闭合回路，根据安培换路定律，
F 作用在该闭合回路的电枢磁势为： ia A • 2x
忽略铁心中的磁阻，回路中的磁势都消耗在两个气隙上，则在回路每个气隙所消耗的
F 磁势为： ax A • x
即：x
Fax
(Bax
0
Fax
Bax
)
但当σ↑↑↑，
尽管Fax也增大， 仍然有Bax↓
结论：
Fax是三角波
电枢磁场Bax呈 马鞍形分布
§2.3 负载时直流电机的气隙磁场
二、负载时气隙磁场的分析与计算
1、设磁路未饱和，运用叠加定理：
• 负载时的气隙磁场=电枢磁场• +空载磁场 N
0
为什么去磁 大于增磁？
§2.3 负载时直流电机的气隙磁场
电枢反应: 电枢磁势使气隙磁场发生的变化 三、电枢反应的影响
1、磁场发生扭曲 2、物理中心线偏离几何中心线 3、对每极磁通的影响
直流电机电枢反应
直流发电机电枢磁场分布
直流发电机合成磁场分布
Hale Waihona Puke SSS2.直流电动机的电枢反应
N
N
n
N
m n
n
n′
β
m′
直流电动机主磁场分布
直流电动机电枢磁场分布
直流电动机合成磁场分布
S
S
S
总之，直流电机的电枢反应对直流发电机和直流电动机都是存在的， 通过分析可以总结如下： 直流电机有电枢反应，造成火花增大换向难。 发电机物理线顺转偏，发出电动势有所降低； 电动机物理线逆转偏，发出电磁转矩有减小。
产生的磁场称为电枢磁场。 如图所示为电枢磁场
电枢磁场
S
二、电枢反应
N
N n m S n′ m′
两极电机的主磁场
电枢磁场
直流电机在负载下运行，主极磁场和电枢磁场同时存在，它们 之间互相影响，把电枢磁场对主磁场的影响叫电枢反应。
S
1.直流发电机的电枢反应
N
N
n
N
n
m′
β
n m
n′
直流发电机主磁场分布
直流电机的电枢反应
一、直流电机的磁场
1、主极磁场
主极磁场有励磁绕组 通入励磁电流产生 （1）几何中性线 （2）物理中性线
N
n m n′ m′
nn´ mm´
S
在电枢电流为零的情况下，主
极磁场的nn´和mm´是重合的。
两极电机的主磁场
2.电枢磁场
当电机在负载下运行时，电枢
N
绕组中有负载电流流过，电枢电流
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第四章直流电机的电枢反应
本章知识点
9电枢反应的概念
9电枢磁势
9电枢的直轴、交轴电枢反应
9直流电机的电磁转矩
直流电机的励磁磁场（空载磁场）
何为电枢反应
电机带上负载后，电枢绕组就有电流流过，电枢电流将产生电枢磁势；气隙磁场是由励磁磁势和电枢磁势两者的合成磁势所建立的。
负载时，电枢磁势对气隙磁场的影响称为电枢反应。
N S
δµδ
δ′=Ax k a 0（安匝/对极）()
x F a 2τA F a =2τA F a =()()()δµµ′==x F x H x B a a a 00()Ax
x F a =N S
N S N
S
N
N
S S ()
§4-1 直流电机的电枢反应一、交轴电枢反应
N
S
发电机电动机
δB a
B δ
B α
a
F
N
S
发电机电动机
δB a
B δ
B δ
B ′α
a
F
增磁
增磁
去磁
去磁
交轴电枢反应效果¾磁场发生畸变
¾物理中心线偏离几何中心线¾磁路饱和时有去磁作用
N
N
N
S S S
N
S 发电机：电刷顺电枢旋转方向偏移时，起去磁作用；
电刷逆电枢旋转方向偏移时，起增磁作用。
直流电机电枢反应小结
¾电枢反应的概念
¾交轴电枢磁势的特点、分布；气隙合成磁场来源、分布
¾交轴电枢反应效果
9磁场发生畸变
9物理中心线偏离几何中心线
9磁路饱和时有去磁作用
¾直轴电枢磁势的来源和直轴电枢反应效果
N
S
发电机电动机
δB a
B δ
B α
”
直流电机的电磁转矩
av
em T N T ⋅=a
av av li B f =2
D f T av
av =l
B av τφ=p
D 2πτ=a
x li B f =a
T a em
I C I a
pN T φφπ==2n C n a
pN E e a
φφ==60e
T C
C π
30
=
转矩常数
电势常数
一台几千千瓦的电机，电枢导体要受到很大的电磁力，包扎导体的绝缘材料将会压缩变形，可是这种情况实际上并未发生。
实际上，作用在电枢线圈上的电磁力是极小的，这是因为：一般电枢有槽，线圈放置在槽内，气隙磁通的大部分从磁阻小的齿部通过，槽部的磁通较小。
有槽电机运行时，大部分电磁力将直接作用在铁心上，由铁心力形成的转矩称为铁心转矩。
电机负载时作用于每槽的电磁力，应为槽内导体所受的电磁力和铁心力之和。
有槽电机的电磁转矩在数量上可以用电磁力定律按无槽电机公式算得，但在本质上主要是铁心转矩。
1
215131416
3
45
6
7
891011
121A 1B 2A 2
B。