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,没有电流输出;电动机轴上不带机械负载)运行时,其电枢电流等于零或近似等于零.空载条件的描述为:U=UN, P2=0 ,Ia=0 , Ia≈0.
因而空载磁场可以认为仅仅是励磁电流通过励磁绕组产生的励磁磁通势所建立的.
如图1.17为四极电机空载时磁场分布,当励磁绕组通入直流电流后,主磁极产生磁场,以N, S极间隔均匀地分布在定子内圆周上,此时只有励磁磁通势单独建立的空载磁场.由于每对磁极下的磁通所经过的路径不同,根据它们的作用可以分为两类,其中占绝大部分的磁通是从主磁极的N极出来经过气隙进入电枢的齿槽,电枢的磁轭,然后到达电枢铁心另一边的齿槽,再穿过气隙,进入主磁极的S极,通过定子磁轭回到N极,形成闭合磁回路.
图1.17 直流电机空载时磁场分布
1—极靴;2—极身; 3—定子磁轭; 4—励磁线圈; 5—气隙;6—电枢齿;7—电枢磁轭
主磁极与主极磁场
(If)
主磁极:套装有励磁绕组
主磁极是套装有励磁绕组的铁芯.磁通 0随着励磁电流If的增大而增大,当磁路的铁磁材料处于未饱和时,铁磁磁阻很小,磁通 0 励磁电流If 成线性关系,当磁路的铁磁材料处饱和时,铁磁磁阻增加很快,磁通 0 励磁电流If 成非线性关系,磁通 0 增加一点,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.
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.
图1.18 直流电动机气隙磁场分布示意图
(a)主极磁场 (b)电枢磁场 (c)合成磁场
1.2.2 直流电机的电枢磁场
直流电机在带负载运行时,电枢绕组中有电流通过而产生的电枢磁场.电枢磁场与主极磁场共同在气隙里建立合成磁场.
图1.18(b)以电动机为例的电枢磁场,它的方向由电枢电流确定.由图可以看出,不论电枢如何转动,电枢电流的方向总是以电刷为界限来划分的.在电刷两边,N极面下的导体和S极面下的导体电流方向始终相反,只要电刷固定不动,电枢两边的电流方向就不变,电枢磁场的方向不变,即电枢磁场是静止不动的.根据图上的电流方向用左手定则可判定该台电动机旋转方向为逆时针.
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;
(1)电枢反应使磁极下的磁力线扭斜,磁通密度分布不均匀,合成磁场发生畸变.磁场畸变的结果,使原来的几何中性线n-n处的磁场不等于零,磁场为零的位置,即物理中性线m-m逆旋转方向移动 角度,物理中性线与几何中性线不再重合.
(2)电枢反应使主磁场削弱,电枢磁场使每一个磁极下的磁通势发生变化,如N极下的左半部分主极磁通势被削弱,右半部分的主极磁通势被增强.每极下的合成磁通量仍应与空载时的主磁通 相同.但在实际工作时,电机的磁路总是处在比较饱和的非线性区域,因此增强的磁通量小于减少的磁通量,故负载时每极合成磁通比空载时每极主磁通 小,称此为电枢反应的去磁作用.因此,负载运行时的感应电动势略小于空载时的感应电动势.
(3)由于磁通密度分布不均匀,使电枢绕组中每元件感应电动势不等,造成换向片电位差不等,增加换向困难.
但是应该注意到;负载越大电枢电流越大,电枢磁场越强,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.