直流电机在负载运行时,磁场是由电机中的励磁绕组和电枢绕组共同产生的,其中励磁绕组起主要作用。为便于分析,先研究电机的空载运行情况。空载运行时电枢电流为零或近似等于零,所以空载磁场是指主磁极励磁磁动势单单独产生的励磁磁场,也称主磁场。一台四极直流电机空载磁场的分布如图3-13所示,图中只画了一半。
1.主磁通和漏磁通
当励磁绕组通以励磁电流时,产生的磁通大部分由N极出来,经气隙进入电枢齿,通过电枢铁芯的磁轭(电枢磁轭)到S极下的电枢齿,又通过气隙回到定子的S极,再经机座(定子磁轭) 形成闭合回路。这部分同时与励磁绕组和电枢绕组交链的磁通称为主磁通,用Φ0表示。主磁通经过的路径称为主磁路。显然,主磁路由主磁极、气隙、电枢齿、电枢磁轭和定子磁轭五部分组成。另有一部分磁通不通过气隙,直接经过相邻磁极或定子磁轭形成闭合回路,这部分仅与励磁绕组匝链的磁通称为漏磁通,用Φs表示。漏磁通路径主要为空气,磁阻很大,所以漏磁通的数量只有主磁通的20%左右。
2.直流电机的空载磁化特性
直流电机运行时,要求气隙磁场每个极下有一定数量的主磁通,称为每极磁通Φ,当励磁绕组的匝数Nf一定时,每极磁通Φ的大小主要取决于励磁电流If。空载时每极磁通Φ0与空载励磁电流I空载时每极磁通Φ0与空载励磁电流If0(或空载励磁磁动势Ff0=NfIf0)的关系,即Φ0=f(If0)或Φ0=f(Ff0)称为电机的空载磁化特性。由于构成主磁路的五部分当中有四部分是铁磁性材料,铁磁磁性材料磁化时的B-H 曲线有饱和现象,是非线性的,所以空载磁化特性Φ0 =f(If0)在If0较大时也出现饱和,如图3-14所示。为充分利用铁磁性材料,又不至于使磁3 直流电机原理 33阻太大,电机的工作点一般选在磁化特性开始转弯的线段上,亦即磁路开始饱和的地方(图中A点附近)。
3.空载磁场气隙磁通密度分布曲线
主磁极的励磁磁动势主要消耗在气隙上,当忽略主磁路中铁磁性材料的磁阻时,主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙δ的大小。一般情况下,磁极极靴宽度约为极距τ的75%左右, 如图3-15(a)所示。磁极中心及其附近,气隙δ较小且均匀不变,磁通密度较大且基本为常数;靠近两边极尖处,气隙逐渐变大,磁通密度减小;超出极尖以外,气隙明显增大,磁通密度显著减小;在磁极之间的几何中心线处,气隙磁通密度为零。所以,空载气隙磁通密度的分布为一礼帽形的平顶波,如图3-15(b)所示。图中Bav称为平均磁通密度,Bav =Φ/(τl),Φ为每极磁通,τ为极距,l为导体有效长度。
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