3.2 直流电机的磁场（课件）-《电机与拖动》同步精品课堂（人邮版）

项目3 直流电机 3.2 直流电机的磁场 《电机与拖动》人邮版（第4版） 同步精品课堂 1 学习目标 知识目标 1.理解不同励磁方式下直流电机的电路连接特点，能够画出相应的简单电路图。 2.了解直流电机空载时磁路的组成部分，包括主磁极、气隙、电枢铁心等，并能说出各部分在磁路中的作用。 能力目标 1.通过对直流电机不同励磁方式的学习，能够分析不同励磁方式下电机性能的差异，并归纳总结出各自的特点，从而培养对电机特性进行分析和归纳能力。 2.学会绘制直流电机不同励磁方式的电路连接图，准确地用图形表达电机的电路结构，提高绘图能力。 情感目标 1.展示电机在现代工业、日常生活（如电动汽车、电动工具等）中的应用实例，激发对电气工程领域知识的学习兴趣。 2.强调直流电机磁场知识在电机设计、运行和维护中的重要性，了解到这些理论知识是解决实际工程问题的基础，从而增强工程意识。 项目3 直流电机 导入情景 01 小型直流电机 直流电机结构图 新知学习 02 一、直流电机的励磁方式 新知学习 02 一、直流电机的励磁方式 1.他励电机：电机的励磁电流由其他直流电源单独供给。 2.自励电机：电机的励磁电流由电机自身供给的。 3.并励电机：励磁绕组与电枢绕组并联。 4.串励电机：励磁绕组与电枢绕组串联。 5.复励电机：并励和串励两种励磁方式的结合。 直流电机在发电状态下运行，除需要原动机拖动外，还需要供给励磁绕组励磁电流。供给励磁绕组电流的方式称为励磁方式。 新知学习 02 二、直流电机空载时的磁场 直流电机在负载运行时，它的磁场是由电机中各个绕组，包括励磁绕组、电枢绕组、换向极绕组、补偿绕组等共同产生的。其中励磁绕组起主要作用。 为研究电枢反应对直流电机特性的影响，先研究励磁绕组有励磁电流，其他绕组无电流时的磁场情况，把这种情况称为电机的空载运行，此时的磁场称为空载磁场。 空载: 电枢电流等于零或很小。 空载磁场: 励磁电流激励的磁场。 新知学习 02 二、直流电机空载时的磁场 1.直流电机空载时的磁路 图3-11 所示为一台4直流电机空载时的磁场分布示意图。当励磁绕组流过励磁电流L时，每极的励磁磁动势为 式中， ——一个磁极上励磁绕组的串联匝数; ——励磁磁动势。 新知学习 02 二、直流电机空载时的磁场 磁通、磁路 新知学习 02 二、直流电机空载时的磁场 关于主、漏磁通也可以这样定义:同时交链励磁绕组和电枢绕组的磁通是主磁通，只交链励磁绕组本身的是主磁极漏磁通。由于相邻的两个磁极之间的气隙较大，漏磁通在数量上比主磁通要小得多，大约是主磁通的 20%。 根据前面的分析，从图 3-11 中可以看出，直流电机的主磁路可分为 5 段:定、转子之间的气隙，电枢齿，电枢铁扼，主磁极和定子铁钜。在 5 段磁路中，除了气隙是空气介质，它的磁导率从是常数外，其余各段用的材料均为铁磁材料。 新知学习 02 二、直流电机空载时的磁场 2.空载时气隙磁感应强度的分布 空载时电枢电流为0，气隙磁场是由励磁电流单独决定。 磁极面下气隙较小且均匀，磁密较强且均匀。 极面外，气隙迅速增大，磁密也迅速减弱，几何中性线处磁密为0。 空载气隙磁密沿电枢外圆的分布用函数(x)表示;分析可知它是平顶波。 新知学习 02 二、直流电机空载时的磁场 新知学习 02 三、直流电机负载时的磁场 1.电枢磁场 以电动机为例，为了分析方便，把电机的气隙圆周展开成直线，如图 3-13 所示。把直角坐标放在电枢的表面上，横坐标表示沿气隙圆周方向的空间距离，用x表示，坐标原点放在电刷所在位置;纵坐标表示气隙消耗的磁动势的大小，用F表示，并规定以磁动势出电枢、进定子的方向作为磁动势的正方向，反之，出定子、进电枢的方向为负方向。以此画出气隙的磁动势波形如图 3-13(b)所示。 当直流电机带上负载后，电枢绕组中就有电流通过，电枢绕组也将产生磁动势，该磁动势称为电枢磁动势。电枢磁动势的出现使得磁路里的磁场发生变化。 新知学习 02 三、直流电机负载时的磁场 当元件中流过的电流为，元件匝数为 时，元件产生的磁动势为,若忽略电枢铁芯磁阻，则全部磁动势均消耗在气隙里，每段气隙消耗的磁动势为。 新知学习 02 三、直流电机负载时的磁场 2.电枢反应 从图 3-12和图 3-13可以看出，空载磁场和电枢磁场轴线刚好正交，但在主磁极的前极尖处(电进人主磁极的极边)两磁场方向相同，而在后极尖处(电离开主磁极的极边》两磁场方向相反。因此，在前极尖处磁场被加强，而在后极尖处磁场被削弱，使气隙的磁场畸变如图3-14所示。这就是电枢磁场对励磁磁场的影响，称为电枢反应。 新知学习 02 三、直流电机负载时的磁场 由此得出如下结论。 (1)由于电枢反应，气隙磁场不再仅由励磁磁场建立，而是与电枢磁场共同作用而建立合成磁场，并发生畸变，主磁极的前极尖磁感应强度加强后极尖的磁感应强度减弱。 (2)合成磁场的物理中心线逆着旋转方向移动一个角度(见图3-14)但必须注意，此时电刷轴线仍在几何中心线上，也就是说，电流的分界线仍未变，但磁场的分界线(即物理中心线)移动之后，产生电动势的分界线也移动，不再像空载那样与几何中心线重合。 新知学习 02 三、直流电机负载时的磁场 (3)在当电机带负载而磁路不饱和时，电枢绕组产生的感应电动势仍与空载时相等。如果磁路是非线性的，则前极尖可能达到饱和，磁感应强度加强不多，出现去磁现象，如图 3-14(b)所示的阴影部分，合成磁通将比小，那么电枢绕组的感应电动势便有所下降。 (4)由于合成磁感应强度波形是非线性的，所以电枢绕组中每个元件的感应电动势不等造成换向片间电位差不等，增加换向难度。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 题目 1： 对于并励直流电机，以下说法正确的是（ ） A. 励磁绕组与电枢绕组并联，两者电流相同 B. 励磁绕组与电枢绕组并联，两者电压相同 C. 励磁绕组与电枢绕组串联，两者电压相同 D. 励磁绕组与电枢绕组串联，两者电流相同 答案：B 解析：并励直流电机的特点是励磁绕组与电枢绕组并联，在并联电路中，各支路电压相同，而电流会根据各自的电阻等特性进行分配。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 题目 2： 串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组（ ） A. 串联，通过的电流相同 B. 串联，两端电压相同 C. 并联，通过的电流相同 D. 并联，两端电压相同 答案：A 解析：串励直流电机中，励磁绕组与电枢绕组串联，根据串联电路的特点，电流处处相等。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 题目 3： 直流电机空载时，主磁通的路径是（ ） A. 主磁极 - 气隙 - 电枢铁心 - 主磁极 B. 主磁极 - 电枢铁心 - 气隙 - 主磁极 C. 主磁极 - 气隙 - 换向极 - 电枢铁心 - 主磁极 D. 主磁极 - 电枢铁心 - 换向极 - 气隙 - 主磁极 答案：A 解析：直流电机空载时主磁通的路径是从主磁极出发，穿过气隙到达电枢铁心，然后再通过气隙回到主磁极。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 题目 4： 直流电机负载时的电枢反应会使（ ） A. 气隙磁场增强 B. 气隙磁场减弱 C. 气隙磁场发生畸变，可能使磁场增强或减弱 D. 气隙磁场分布不变 答案：C 解析：电枢反应会使气隙磁场发生畸变，在磁极的前极尖，电枢反应可能使磁场减弱，在磁极的后极尖，电枢反应可能使磁场增强。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 题目 5： 直流电机负载时，若电枢电流增大，电枢反应的去磁作用（ ） A. 不变 B. 减小 C. 增大 D. 先增大后减小 答案：C 解析：当电枢电流增大时，电枢反应的去磁作用会增大，因为电枢反应的去磁效应与电枢电流成正比。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 题目 6： 为了抵消直流电机负载时的电枢反应的不良影响，通常采用（ ） A. 增加主磁极的匝数 B. 增加电枢绕组的匝数 C. 设置换向极 D. 提高转速 答案：C 解析：设置换向极可以有效地抵消直流电机负载时电枢反应的不良影响，如改善换向性能等。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 题目 7： 直流电机负载时，电枢磁场对主磁场的影响称为（ ） A. 主磁效应 B. 电枢反应 C. 负载效应 D. 去磁效应 答案：B 解析：直流电机负载时，电枢磁场对主磁场的影响就称为电枢反应。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 题目 8： 直流电机负载时，电枢反应使气隙磁场的物理中性线（ ） A. 不变 B. 沿电枢旋转方向偏移 C. 沿电枢旋转反方向偏移 D. 随机偏移 答案：B 解析：直流电机负载时，电枢反应使气隙磁场的物理中性线沿电枢旋转方向偏移。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 题目 9： 说明直流电机负载时电枢反应对气隙磁场有哪些影响？ 答案： 磁场畸变：电枢磁场与主磁场相互叠加，使气隙磁场的分布发生改变，不再是空载时的对称分布。在磁极的前极尖，电枢磁场与主磁场方向相反，导致磁场削弱；在磁极的后极尖，两者方向相同，使磁场增强，从而造成气隙磁场的畸变。 物理中性线偏移：由于磁场畸变，气隙磁场的物理中性线（此处磁密为零）会沿电枢旋转方向偏移。 可能产生去磁或增磁作用：综合起来看，电枢反应可能使气隙磁场的总磁通减少（去磁作用），尤其是当电枢电流较大时；但在某些情况下，也可能使局部磁通增加（增磁作用）。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 题目 10： 阐述直流电机负载时电枢磁场是如何产生的？ 答案： 直流电机负载时，电枢绕组中有电流通过。根据安培定则（右手螺旋定则），电流在电枢绕组中流动时会产生磁场，这个由电枢电流产生的磁场就是电枢磁场。具体来说，当电枢绕组中的导体在电机的主磁场中切割磁力线时，会产生感应电动势，在闭合的电枢回路中就会有电流，这个电流产生的磁场即为电枢磁场。 1.他励：励磁绕组由独立电源供电。励磁电流可独立控制，机械特性硬，转速受负载变化影响较小。常用于对转速稳定性要求较高的场合。 2.并励：励磁绕组与电枢绕组并联。励磁电压与电枢电压相同，励磁电流受电枢电压影响。具有较硬的机械特性，在一些需要恒速运行的设备中应用广泛。 3.串励：励磁绕组与电枢绕组串联。电流相等，启动转矩大。适用于对启动转矩要求较高的设备，如起重机、电力机车等。 4.空载时的磁路：由主磁极、气隙、电枢铁心和机座（定子磁轭）组成。磁通从主磁极出发，经过气隙进入电枢铁心，再通过机座回到主磁极，形成闭合回路。 课堂小结 04 作业布置 05 简述直流电机的四种励磁方式（他励、并励、串励、复励），每种励磁方式下画出简单的电路连接示意图，并分别说明其特点。 画出直流电机空载时磁路的示意图，并详细标注磁路中的各个组成部分。同时，简述各部分在磁路中的作用。 感谢观看 $$