直流电机的磁场和
直流电机自励的原理
直流电机自励的原理
直流电机是通过直流电源供电，在电机内部产生磁场，使之与电机外部磁场相互作用，从而产生旋转力矩。
直流电机的自励原理可以分为分别是自励线圈和永磁直流电机两种情况。
1. 自励线圈直流电机的自励原理：
自励线圈直流电机中有一对励磁线圈，分别称为电枢和电励磁线圈。
电励磁线圈通电时会产生磁场，通过后续的磁场作用，使得电机旋转。
此时电枢线圈中的电流会产生感应电动势，通过电枢接线，使线圈形成电流，反过来电流又通过电枢线圈产生磁场，进而加强电枢感应电动势的作用，形成一个正反馈的过程，最终使电枢磁场达到稳定，电机可以自励并转动。
2. 永磁直流电机的自励原理：
永磁直流电机中，由于电机内部的永磁体已经产生恒定的磁场，所以不需要额外的电励磁线圈。
永磁直流电机由于恒定的永磁磁场，电枢线圈旋转后，电枢线圈内会产生感应电动势，产生的电动势会在电枢线圈内形成闭合回路，并产生电流流过线圈。
电流在线圈中形成的磁场与永磁磁场相互作用，从而带动电枢旋转。
通过以上两种方式，直流电机实现了自励并可以正常工作。
直流电机的磁场和电枢反应
PM EaIa UIL UI f Ia2ra 2UIa P2 p f pa pb
发电机输入的是机械功率，外施机械功率不能全 部转化为电磁功率，因此，输入功率为：
P1 PM pmec pFe pad
27
功率平衡式
感应电动势和电磁转矩的有效磁通。
另外，由于磁极产生的磁通不可能全部通过气隙， 总还有一小部分从磁极的侧面逸出，直接流向相邻 的磁极，它只是与励磁绕组交链，不与电枢绕组交 链，故称磁极漏磁通 。
设磁极产生的总磁通为 则K
K
K
1
式中：K—场漏磁通，一般可取1.15~1.25
3
（一）主磁通和漏磁通
28
功率平衡式
不变损耗： 图中机械损耗 pmec和铁芯损耗 pF空e 载时就存在，
总称空载损耗 p0 ，当负载变化时，它们的数值基 本不变，故称为不变损耗。 可变损耗： 电枢绕组的铜损耗 pa 和电刷接触压降损耗 pb 是 由负载电流所引起的，称负载损耗 ，受负载电流 大小而变化，故又称可变损耗。
60
CT 2 Ce 9.55Ce
电磁转矩也可由电磁功率求得。
绕组不是整距、电刷位置位移以及气隙磁 场变化等也会对电磁转矩产生影响。
35
转矩平衡方程式
1.直流发电机转矩平衡式
由直原流动发机 电供 机给 的的电外磁施转机矩械T是转电矩磁为作T用1 使 发P1电机转子
受到制动的阻力转矩，即反转距（制动转矩）
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
Ea
pz 60a
n
Cen
Ce
pz 60a
电刷间电动势为直流，但是电枢导体的感应电动 势是交变的，其频率为：
直流电机的基本原理和电磁关系
2）合成节距：y K 1 19 1 9
p
2
3）第一节距：y1
Ze 2p
19 4
5
4）第二节距： y2 y y1 4
2、作图 (2p=4、τ=4.75、y1=5、y=9、y2= 4 )
13452）标画连槽磁电并接号极流联各、 方 支 元换电向路件向刷。，片电引号刷出极出性线
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
交轴电枢反应的影响：
1）不考虑饱和 从 Bδ 的分布:
一半加强
G：后极尖 M：前极尖
一半削弱
G：前极尖 M：后极尖
产生畸变，总磁通量不变
几何 中性线
物理 中性线
2）若考虑饱和：分布不均→产生畸变→呈去磁作用 3）产生换向火花→引起环火
四、直轴电枢反应 1、电刷移过β角
电枢电流分布改变
Fad 呈 去 磁 作 用
+
B26
3、元件连接图
B26
1
2
3
4
5
6
20
19
7
18
8
9
17
10
16
绕组展开图 元件连接图
15
14
13
12
11
4、小结：
1）单叠绕组中： 2a 2 p(a p) （固定）
2）每支路有 Z e 个元件 2p
3）在整个电枢闭合回路中 e 0 内部无环流
4）电刷数＝极数
5）电刷间引出电势＝支路电势
3、上式为电刷接交轴导体位置导出，若将电刷移至 直轴导体位置时，则 Ea=0
5、电刷间为直流电动势，而导体电动势却是交变的 f pn 60
直流电机的磁场
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Φ0，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U＝f(If)和Φ0=f(If)或U=f(F0)等多种形式，只需变换一下有关比例系数即可。
3.2 直流电机的电枢磁动势和磁场
电刷放在几何中性线上时的电枢磁动势和磁场
电刷不在几何中性线上时的电枢磁动势
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。
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两个齿，计算高度为2hz，磁场强度为Hz。
两个主极，计算高度为2hm，磁场强度为Hm。
一个定子轭，平均长度为Lj，磁场强度为Hj。
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。
两个气隙，计算长度为2δ，磁场强度为Hδ。
当电刷放在几何中性线上时，电枢磁势全部为交轴分量，直轴分量为零。因此这时只有交轴电枢反应。此时电机中的磁场应由主极磁势和交轴电枢磁势共同建立，如图a所示。由图可见磁场发生了畸变，电枢圆周上连接电刷的几何中性线处出现了磁通，而实际的磁密为零之点偏移了一个α角。我们将电枢圆周上通过圆心和磁密为零之点的直线称为物理中性线。
直流电机有负载时，由于电枢反应的去磁作用和电枢回路的电阻压降，使发电机端电压比空载时低。为了保持发电机的端电压不变，负载时必须增加主极的励磁电流， 以补偿电枢反应和电阻压降。
直流电机励磁原理
直流电机励磁原理
直流电机励磁原理是指在直流电机中通过一定的方式产生磁场，使电机能够正常工作。
励磁是指给电机的磁场提供电能，使电机能够产生磁场。
直流电机的励磁方式通常有磁场励磁和电流励磁两种形式。
磁场励磁是通过外部线圈产生的磁场来励磁。
具体而言，将直流电源接通到电机的励磁线圈上，通过产生的磁场相互作用，使电机的磁场得以形成。
电流励磁是通过通电线圈在产生磁铁旁引线产生磁场来励磁。
具体而言，将直流电源接通到电机的绕组上，电流在线圈中流动，产生磁场，从而使电机获得励磁。
通常来说，直流电机的励磁线圈被称为电枢线圈或者励磁绕组。
电枢线圈是由细线圈绕制而成的，能够产生足够的磁场来使电机正常运转。
在直流电机的励磁过程中，需要根据实际需要调整励磁电流的大小和方向，以控制电机的运转速度和输出功率。
这通常通过调整励磁电流的大小来实现。
总结起来，直流电机的励磁原理是通过磁场励磁或电流励磁的方式来产生电机所需的磁场，使电机正常工作。
励磁电流的大小和方向可以通过调节来控制电机的运转速度和输出功率。
直流电动机工作原理的简述
直流电动机工作原理的简述
直流电动机是利用直流电流通过电枢产生磁场，与永磁场相互作用而产生旋转力矩。
其工作原理可以分为电磁感应原理和电磁力原理两个方面。
1. 电磁感应原理：当直流电流通过电枢绕组时，在电枢绕组中产生磁场，这个磁场与永磁体的磁场相互作用。
根据左手定则，两个磁场的相互作用会产生一个力矩，使电枢转动。
当电枢转动时，可以通过电刷和换向器的作用，让直流电流的方向始终保持一致，从而保持转动。
2. 电磁力原理：当电枢绕组中的电流通过电枢绕组的导线时，在导线内部产生一个磁场。
在永磁场的作用下，这个磁场和永磁场相互作用，产生一个输出力，使电枢转动。
根据洛伦兹力定律，导线中的电流与磁场相互作用产生力的方向垂直于两者之间的夹角。
综上所述，直流电动机的工作原理是通过电流和磁场之间的相互作用产生力矩，从而使电枢转动。
同时通过合适的电刷和换向器的作用，保持直流电流的方向始终一致，使电机能够持续运转。
直流电机的磁场要点
场越强，电枢反应的影响就越大，正是电枢磁场与主极 磁场的相互作用而产生电磁转矩，从而实现了机电能量 的转换。
1.2.3 电枢反应
所谓电枢反应是指电枢磁场对主磁场的影响，电 枢反应对电机的运行性能有很大的影响。如图1.18（c） 所示为主极磁场和电枢磁场合在一起而产生的合成磁 场。与图1.18（a）比较可见由于带负载后出现的电枢 磁场，对主极磁场的分布有明显的影响，这种影响称 为电枢反应，对磁场的影响如下；
一点，励磁电流If 增加的 很快，如图所示。未饱和 和饱和的转折点称为膝点。
o直流电动机的磁化曲线F0 (If)
同时交链励磁绕组和电枢绕组的这部分磁通，是
直流电机进行电磁感应和能量转换所必须的，称为主
磁通。另一小部分磁通从N极出来后并不进入电枢
绕组，而是经过气隙直接进入相邻的磁极或磁轭，它 对电机的能量转换工作不起作用，相反，使电机的损 耗加大，效率降低，增大了磁路的饱和程度，这部分
磁通称为漏磁通，一般=（15～20）％。
图1.18（a）为主磁场在电机中的分布情况。按照 图中所示的励磁电流方向，应用右手螺旋定则，便可 确定主极磁场的方向。在电枢表面上磁感应强度为零 的地方是物理中性线m-m，它与磁极的几何中性线n-n 重合。几何中性线与极磁轴线互差90电角度,即正交.
1.2 直流电机的磁场
直流电机的磁场是由主磁极产生的励磁磁场和电 枢绕组电流产生的电枢磁场合成的一个合成磁场，它 对直流电机产生的电动势和电磁转矩都有直接的影响， 而且直流电机的运行特性在很大程度上也取决于磁场 特性。因此，研究直流电机的磁场是十分必要的。
1.2.1 直流电机的空载磁场 直流电机空载（发电机与外电路断开，没有电流
直流电机磁场的典型特点
直流电机磁场的典型特点直流电机是一种将电能转化为机械能的电动机。
它的磁场是由电枢和磁极产生的交替磁通量所形成的。
直流电机的磁场具有以下典型特点。
1. 磁场方向可控制直流电机的磁场方向可以通过改变电枢电流的方向来控制。
这使得直流电机可以轻松地实现正反转。
2. 磁场强度随电流变化直流电机的磁场强度随着电枢电流的变化而变化。
当电枢电流增大时，磁场强度也随之增大。
3. 磁场分布不均匀直流电机的磁场在空间中分布不均匀。
磁场的强度在磁极之间最大，在磁极附近逐渐减小。
这种不均匀分布的磁场使得直流电机的转子会受到一定的扭矩作用。
4. 磁场线密集分布直流电机的磁场线密集地分布在磁极的周围。
这种密集的磁场线分布使得直流电机的转子可以产生较大的电磁力和扭矩。
5. 磁场稳定性高直流电机的磁场稳定性较高。
在恒定电流和稳定工作状态下，直流电机的磁场保持不变。
在以上典型特点的基础上，直流电机的磁场还具有以下特点：1. 磁场对电机性能影响较大直流电机的磁场对电机的性能影响很大。
磁场的大小和方向会影响电机的输出功率、效率和转速等性能指标。
2. 磁场的设计需要考虑电机的特性直流电机的磁场设计需要考虑电机的特性。
不同类型的直流电机，其磁场设计也有所不同。
3. 磁场的优化可以提高电机性能优化直流电机的磁场设计可以提高电机的性能。
例如，通过改变磁极的形状和位置、增加永磁体的数量和强度等方式，可以优化磁场分布，提高电机的效率和输出功率。
直流电机的磁场具有多种典型特点，这些特点对电机的性能和工作状态都有着重要的影响。
通过深入了解和优化直流电机的磁场设计，可以提高电机的性能和使用寿命。
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电势常数Ce和转矩常数CM决定于结构常数。 它们的关系为：
CM 60
Ce 2
三、电磁功率
电枢电功率
Pem Ea Ia Ce n Ia
2
60
CM
n Ia
M em
机械功率
直流电动机：从电源吸收的电功率， 通过电磁感应 作用， 转换成轴上的机械功率；
直流发电机：原动机克服电磁转矩的制动作用所做的 机械功率等于通过电磁感应作用在电枢回路所得到的 电功率。
增磁与去磁与电刷的旋转角度有关。
若电机为发电机时，电刷顺转向移动β角。 ★★直流发电机的电刷是顺转向偏移一个小 角度时，直轴电枢反应对主极磁场的作用将 是去磁的。
★★而直流发电机的电刷若是逆转向偏移 一个小角度时，直轴电枢反应对主极磁场的 作用将是增磁的。
直流电机的电枢反应
电枢反应：电枢磁动势对主极励磁磁动势建立的气隙 磁场的影响。
直流电机空载时的磁场分布
磁通、磁路
主磁通、主磁路：由N极出 发， 经气隙进入电枢齿部， 经电枢铁心的磁轭到另外的 电枢齿，通过气隙进入S极， 再经定子轭回到原来N极。
漏磁通、漏磁路：不进入 电枢铁心，直接经过相邻 的磁极或定子轭。
主磁通交链励磁 绕组和电枢绕组， 在电枢绕组中感 应电势，产生电
磁转矩。
n
N：总导体数 Ce：电势常数
电枢电势的认识
Ea
pN 60a
n
Ce
n
对电枢电势的认识：
一台制造好的电机， 它的电枢电势(V)正比于 每极磁通φ（韦伯)和转速n（r/min), 与磁密分 布无关。
二、电磁转矩
一根导体的平均电磁力：
fav Bav li ia
ia
Ia 2a
作用在电枢上的总电磁力：
引进极弧系数bp’和气隙卡氏系数 主磁场磁密的分布
空载磁化曲线
磁化曲线：表示空载主磁通Φ0与主极磁动势Ff之间 的关系曲线， Φ0＝f（ Ff）。通过实验或计算得到。
Φ0
膝点
饱和部分
直线，不 饱和部分
F0’ Fδ’
Ff
k
F0' F'
(约1.1~1.35)
三、直流电机负载时磁场
主极磁场
电枢磁场
合成磁场
计算方法：1。先求经过某一段的磁通； 2。根据该段的截面积SX计算该段的磁密BX； 3。由Bx在磁化曲线上查HX。
气隙磁场
在一个磁极的范围内，励磁磁势大小一样， Bδ大小完全与气隙长度成反比。
在主极直轴附近的气隙较小，并且气隙均 匀，磁阻小，即此位置的主磁场较强，在 此位置以外，气隙逐渐增大，主磁场也逐 渐减弱，到两极之间的几何中线处时，磁 密等于0。
直流电机的磁场和磁路
磁场由电机中各绕组、包括励磁绕组、电枢绕组、附加极绕
组、补偿绕组共同产生。 励磁绕组起主要作用。
（1）线圈套在铁心上产生磁场。磁力线集中在铁磁 物质内。
（2）磁路：使磁力线集中经过的路径。
（3）磁路计算：
H dl I
n
H klk IW
1
B
S
HB
二、空载时磁场分布
磁路从气隙1出发经－电枢齿 －电枢轭－电枢齿2－气隙2－ 主磁极2－定子轭－主磁极1， 最后又回到气隙1
1. 交轴磁势
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；
2 直轴磁势
电刷不在几何中心线上， 电枢磁势分为交轴和直轴分量
3 交轴电枢反应
N
S
主极产生磁场的磁密波形
电枢绕组产生磁场的磁密波形
Fax
1 2
( Nia
Da
2x)
Bax
0
Fax
合成磁场的磁密波形
4 直轴电枢反应
电枢磁场、电枢反应的定义
直流电机负载后，电枢绕组有电流通过，该电 流建立的磁场简称电枢磁场，电枢磁场对主磁 场的影响就称为电枢反应。
当电机带上负载后，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。
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。
直流电机的感应电势
具体计算：
一根导体： eav Bav li v
v 2 p n
60
Bav：平均磁密；li：导体长度； v：电枢旋转线速度 n：电枢旋转速度（r/min)
Bav li
：每极磁通
支路电势：
Ea
N 2a
eav
N 2a
li
li
2 p
n 60
pN 60 a
n
Ce
具体表现： •使气隙磁场分布发生畸变； •使物理中性线位移（空载时，电机物理中性线 与几何中性线重合；负载时，物理中性线发生 偏转； •呈去磁作用
§1－4 直流电机的感应电势 和电磁转矩
一、直流电机的电枢电势
电枢电势：直流机正、负电刷之间的感应电势， 即每个支路里的感应电势。
计算：求出一根导体在一个极距范围内切割气隙磁 密的平均感应电势，乘上一个支路里总的导体数。
f fav N Bav li ia N
电磁转矩：M em
f
D 2
Bav
li
ia
N
D 2
D 2 p
M emliliຫໍສະໝຸດ Ia N 2 p 2a 2
pN
2a
Ia
CM
Ia
CM: 转矩常数
电磁转矩的认识
M em
pN
2a
Ia
CM
Ia
一台制造好的电机， 它的电磁转矩正比于每极 磁通和电枢电流， 与磁密分布无关。
影响饱和 程度
主磁通和漏磁通
主磁通φ0和漏磁通φσ由同一磁动势建立； φ0所走的路径气隙小，磁阻小； 漏磁通所走的路径气隙大，磁阻大；
漏磁系数:
k
1 0
;
p 0 k0
励磁磁势的计算*
磁路： 两个气隙、两个电枢齿、一段电枢轭、两个 主极铁心和一个定子轭。
磁势： F HxLx