专题三十六 直流电机的空载磁场和电枢反应（课件）-河南省对口招生《电压与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测

专题三十六 直流电机的空载磁场和电枢反应 《电压与变压器》（第5版） 高教社 考纲解读 知识点梳理和重点概念复习 真题或常考题讲解 内容归纳小结 考纲解读--常见考点 1.直流电机空载磁场的构成：主磁通（交链励磁与电枢绕组，路径含气隙、电枢齿等）与漏磁通（占总磁通15%~20%，不进入电枢铁心）的区别。 2.磁化曲线特性：低磁通时NI与Φ₀线性相关，高磁通因铁磁饱和呈非线性，额定空载磁通设计在曲线弯曲处以合理利用材料。 3.气隙磁感应强度分布为平顶波，极掌中心最强、两极分界处为零；空载时几何与物理中性面重合。 01 02 03 考纲解读--考试要求 理解磁化曲线线性段与非线性段的成因，能解释为何额定空载磁通需设计在曲线弯曲处。 能区分发电机与电动机电枢反应中物理中性面的偏移方向，说明电枢反应对主磁场的两个核心影响。 能准确描述空载时主磁通与漏磁通的路径差异，说明漏磁通的占比范围及主磁通的符号表示。 考查电枢磁场与主磁场的空间关系、气隙磁密分布波形、电枢反应导致的磁场变化等知识点。 选择题 简答题 填写主磁通符号、电枢磁场别称、电枢反应对主磁场的具体影响（如“畸变”“削弱”）等。 实操分析题 要求简述气隙磁感应强度的分布特点，或比较发电机与电动机电枢反应中物理中性面偏移的不同。 考纲解读--易考题型 知识点梳理和重点概念复习--知识点思维导图 知识点梳理和重点概念复习 一、直流电机的空载磁场 电机空载时的气隙磁场称为直流电机的空载磁场。它是由主磁极绕组通以直流电流(即励磁电流)建立的，又称主磁场。 1.直流电机空载时的主磁场分布 直流电机主磁场方向与励磁绕组电流方向之间符合右手螺旋定则。变化线圈的绕向或改变电流方向，可在定子内腔产生所需的N、S相间排列磁场。图7-23所示为四极直流电机空载时 主磁场的分布情况。 知识点梳理和重点概念复习 当磁极上的励磁绕组按图示方向通以直流电以后，主磁极分别呈现N、S、N、S极性，磁通由N极进入气隙和电枢齿，分左右两路经电枢磁轭，再经S极下的电枢齿和气隙进入相邻的S极，再由定子磁轭回到原来出发的N极而自成闭合回路。因此，磁极气隙、电枢齿、电枢磁轭和定子磁轭共同组成磁场的通路-磁路。通过该磁路的磁通称为主磁通，以Φ。表示。Φ。既交链着励磁绕组，也交链着电枢绕组。在N、S极之间还存在着一少部分磁通，它们不进入电枢铁心，不与电枢绕组相交链，而另成闭合回路，如图7-23中的φ。所示的这部分磁通称为漏磁通。漏磁通一般占总磁通的15%～20%。 知识点梳理和重点概念复习 2.直流电机的磁化曲线 主磁通Φ。的大小取决于励磁磁通势(NI)的大小和磁路各段磁阻的大小。对某一台特定的电机，其磁路材料的几何尺寸都已经确定，即磁阻已定。因此，主磁通更。仅与磁通势有关，其关系可由这台电机的磁化曲线体现，如图7-24所示。 知识点梳理和重点概念复习 当磁通较低时，磁路的铁磁材料中消耗的磁通势很小，励磁磁通势几乎全消耗在气隙上，NI与Φ。呈直线关系；当。较大时，铁磁材料趋于饱和，磁化曲线开始弯曲，币。与NI呈非直线关系。若要再增加一些磁通，必须增加较多的励磁磁通势。在励磁绕组匝数不变的情况下，增加励磁磁通势实际就是增加励磁电流。因此，磁化曲线的横坐标有时不用磁通势NI表示而用励磁电流I₁表示，成为磁通。与励磁电流I₁之间的关系曲线，φ。=f(I₁)。因此，为了合理地利用材料，在电机额定电压下空载时，电机的磁通大小设计在磁化曲线的弯曲处，如图7-24中的N点，即不用较大的励磁电流可以得到足够的磁通。 知识点梳理和重点概念复习 3.气隙磁感应强度的分布 由于主磁极结构上的特点，气隙处的磁感应强度B的分布是不均匀的，如图7-25(a)所示，在极掌中心位置气隙磁感线最密，磁感应强度最强，向两侧渐弱。极掌两边气隙磁感线分布明显变疏，磁感应强度迅速下降。直至两极分界处，磁感应强度下降到零。其分布曲线为如图7-25(b)所示的平顶波。磁密为零的线与电机轴线所决定的平面为物理中性面。两极之间的几何分界面为几何中性面。当电机只存在主磁极磁场时，几何中性面和物理中性面重合。 知识点梳理和重点概念复习 二、直流电机的电枢反应 当电机有负载时，电枢绕组中有电流通过，也要产生一个磁场，称为电枢磁场。发电机的电枢磁场与电动机的电枢磁场是不同的，但它们的轴线均与主磁场的轴线垂直相交，所以又称交轴磁场，如图7-26所示。在有负载的电机中，主磁场和电枢磁场是同时存在的。电枢磁场的存在，对主磁场会产生影响，这种影响称为电枢反应。现以两极电机来说明发电机和电动机的电枢反应。 知识点梳理和重点概念复习 1.直流发电机的电枢反应 直流发电机的主磁场如图7-26(a)所示。电枢逆时针旋转，电枢绕组中产生的感应电动势和电流方向如图7-26(b)所示，用右手定则判断，位于N极下方导体中的电流方向垂直纸面向外，位于S极下方导体中的电流方向垂直纸面向里，电枢形成的磁场方向自左向右。这个磁场的轴线与主磁场的轴线垂直相交。这两个磁场在空间同时存在，实际上作用于电枢上的磁场是主磁场和电枢磁场的合成磁场。所以整个磁场的方向，各处磁感应强度的大小均发生了变化。结果总的磁场发生偏转，如图7-27所示。 知识点梳理和重点概念复习 电枢按逆时针方向旋转，在发电机主磁极的前极端，电枢的磁场方向与主磁场的方向相反，合成磁场是减弱的，也就是说，电枢磁场对主磁场是起去磁作用的；而在后极端，电枢磁场与主磁场方向是相同的，合成磁场是加强的，也就是说，电枢磁场对主磁场起助磁作用。由于电枢磁场对主磁场的这种增磁和去磁作用，使磁场发生畸变，它的物理中性面不再与几何中性面重合，而是顺着发电机旋转方向向前移动了一个β角。由于电枢磁场的作用和影响，使得几何中性面的磁感应强度不再为零，这是电枢反应的第一个影响。 知识点梳理和重点概念复习 从发电机的整个磁场来说，电枢磁场对主磁场的作用在半个磁极下是去磁作用，在另外半个磁极下是助磁作用，好像助磁可以补偿去磁作用，其实不然。因为铁磁材料都具有饱和的特性，而发电机的磁极又处于近饱和状态下工作，实际上造成的结果是加强的部分由于磁饱和没有加强多少，而削弱的部分确实削弱了，最终结果是主磁场被削弱了。这是电枢反应的第二个影响。 由于上述两个影响，使发电机的电动势有所减少，同时换向器与电刷间的火花增大。 知识点梳理和重点概念复习 2.直流电动机的电枢反应 直流电动机的主磁场仍如图7-26(a)所示，电枢仍为逆时针旋转，电流方向如图7-26(c)所示，用左手定则判断，N极下所有导体的电流方向向里，S极下所有导体的电流方向向外，电枢磁场方向自右向左，如图7-26(c)所示。这个磁场的轴线与主磁场的轴线相垂直。电枢磁场与主磁场同时存在，共同作用在电枢上，这两个磁场的合成作用结果使磁场合成之后的轴线逆着旋转方向偏移过β角。由于电枢磁场的影响使得主磁极的几何中性面的磁感应强度不再为零，物理中性面逆着旋转方向偏转β角。这就是电枢反应的第一个影响，如图7-28所示。 知识点梳理和重点概念复习 根据前面讲过的电机工作在磁路近饱和的状态下，电枢磁场也削弱了主磁场，这是第二个影响。这对于直流电动机来说，除了换向器与电刷间的火花增大外，电动机的输出转矩还有所减少。若负载不变，则转速有所下降。 综合上述分析，直流电机的电枢反应造成的影响如下： (1)电机的主磁场发生畸变，磁极轴线发生了偏转。 (2)电机的主磁场被削弱。 这两种影响较严重的是由于磁场畸变，将使电刷与换向器之间产生火花，对电机工作影响很大，必须采取措施加以改善。当直流电机大于1kW时，可以装设换向磁极，以抵消电枢磁场对主磁场的影响。对小型电机，可采用移动电刷位置的方法来改善换向，将电刷从几何中性面转移到物理中性面。 常考习题练习与讲解--选择题 1.直流电机空载时的主磁场由以下哪个绕组建立（ ） A.电枢绕组 B.励磁绕组 C.换向绕组 D.补偿绕组 答案：B 解析：直流电机空载时的气隙磁场（主磁场）由主磁极绕组通以直流励磁电流建立，与其他绕组无关。 常考习题练习与讲解--选择题 2.直流电机气隙磁感应强度的分布波形为（ ） A.正弦波 B.锯齿波 C.平顶波 D.尖顶波 答案：C 解析：因主磁极结构特点，极掌中心磁密最强，向两侧渐弱，两极分界处为零，分布曲线呈平顶波。 常考习题练习与讲解--选择题 3.电枢磁场与主磁场的轴线关系是（ ） A.平行 B.垂直相交 C.成45°角 D.重合 答案：B 解析：无论发电机还是电动机，电枢磁场的轴线均与主磁场的轴线垂直相交，故电枢磁场又称交轴磁场。 常考习题练习与讲解--选择题 4.直流电动机电枢反应中，物理中性面的偏移方向是（ ） A.顺着旋转方向 B.逆着旋转方向 C.不偏移 D.随机偏移 答案：B 解析：直流电动机的电枢反应使合成磁场轴线逆着旋转方向偏移，导致物理中性面也逆着旋转方向偏转。 常考习题练习与讲解--选择题 5.主磁通的符号表示为（ ） A.φ₀ B.Φ₀ C.φₛ D.Φₛ 答案：B 解析：直流电机中，通过磁路（气隙、电枢齿等）且交链励磁与电枢绕组的磁通称为主磁通，以Φ₀表示。 常考习题练习与讲解--选择题 6.磁化曲线线性段的形成原因是（ ） A.铁磁材料饱和 B.励磁电流过小 C.磁通势主要消耗在气隙 D.漏磁通占比过大 答案：C 解析：低磁通时，铁磁材料消耗的磁通势极小，励磁磁通势几乎全用于气隙，故NI与Φ₀呈线性关系。 常考习题练习与讲解--选择题 7.电枢反应对主磁场的影响不包括（ ） A.畸变 B.增强 C.削弱 D.磁极轴线偏转 答案：B 解析：电枢反应会使主磁场发生畸变、削弱，导致磁极轴线偏转，不会增强主磁场。 常考习题练习与讲解--选择题 8.小型直流电机改善电枢反应的措施是（ ） A.装设换向磁极 B.移动电刷至物理中性面 C.增大励磁电流 D.减小电枢电阻 答案：B 解析：小型电机通常通过移动电刷位置，从几何中性面转移到物理中性面，以改善电枢反应带来的换向问题。 常考习题练习与讲解--填空题 1.直流电机中，既交链励磁绕组又交链电枢绕组的磁通称为______。 答案：主磁通（或Φ₀） 解析：主磁通通过磁极气隙、电枢齿、电枢磁轭和定子磁轭组成的磁路，同时交链两个绕组，是电机能量转换的关键磁通。 常考习题练习与讲解--填空题 2.当电机有负载时，电枢绕组产生的磁场又称______磁场，因其轴线与主磁场轴线垂直。 答案：交轴 解析：电枢磁场的轴线与主磁场轴线垂直相交，故又称交轴磁场，这是发电机和电动机电枢磁场的共同特征。 常考习题练习与讲解--填空题 3.电枢反应会导致直流电机的主磁场发生______和______。 答案：畸变；削弱 解析：电枢反应的两个核心影响是使主磁场产生畸变（磁极轴线偏转）和被削弱，这是负载时磁场叠加的必然结果。 常考习题练习与讲解--填空题 4.功率大于1kW的直流电机，改善电枢反应的主要措施是装设______。 答案：换向磁极 解析：大型电机（>1kW）通过装设换向磁极抵消电枢磁场对主磁场的影响，有效改善电枢反应的不良作用。 常考习题练习与讲解--判断题 1.直流电机的主磁通仅交链励磁绕组，不与电枢绕组相交链。（ ） 答案：错误 解析：主磁通既交链励磁绕组，也交链电枢绕组，是实现能量转换的重要磁通；漏磁通才不与电枢绕组交链。 常考习题练习与讲解--判断题 2.磁化曲线的线性段是因为铁磁材料未饱和，磁通势主要消耗在气隙上。（ ） 答案：正确 解析：低磁通时，铁磁材料消耗的磁通势极小，励磁磁通势几乎全用于克服气隙磁阻，故NI与Φ₀呈线性关系。 常考习题练习与讲解--判断题 3.直流发电机中，电枢反应的助磁作用能完全补偿去磁作用，主磁场不变。（ ） 答案：错误 解析：因磁极工作在近饱和状态，助磁部分因饱和无法显著加强，去磁部分却实际削弱主磁场，故主磁场被削弱。 常考习题练习与讲解--判断题 4.直流电动机的电枢反应不会导致主磁场削弱。（ ） 答案：错误 解析：和发电机一样，电动机的电枢反应因铁磁材料饱和，助磁无法补偿去磁，最终也会使主磁场被削弱。 常考习题练习与讲解--简答题 1.简述直流电机空载磁场的定义及建立方式。 答案：电机空载时的气隙磁场称为空载磁场，又称主磁场。它由主磁极绕组通以直流励磁电流建立，通过磁极气隙、电枢齿、电枢磁轭和定子磁轭组成的磁路形成，产生N、S相间排列的磁场。 常考习题练习与讲解--简答题 2.说明直流电机气隙磁感应强度的分布特点。 答案：气隙磁感应强度分布不均匀，呈平顶波。极掌中心处磁感线最密，磁密最强；向两侧逐渐减弱，极掌边缘迅速下降；至两极分界处，磁密为零，此处为物理中性面。 常考习题练习与讲解--简答题 3.直流发电机与电动机的电枢磁场方向有何差异？ 答案：发电机电枢磁场方向与电动机不同。以电枢逆时针旋转为例，发电机电枢磁场自左向右；电动机电枢磁场自右向左，但两者轴线均与主磁场轴线垂直，均为交轴磁场。 常考习题练习与讲解--简答题 4.为何电枢反应会导致电刷与换向器间产生火花？如何改善？ 答案：电枢反应使主磁场畸变，磁极轴线偏转，导致几何中性面磁密不为零，换向时绕组电流突变产生火花。改善措施：>1kW电机装换向磁极；小型电机将电刷移至物理中性面。 课堂小结 重点复习知识点： 1.空载磁场是主磁极绕组通励磁电流建立的，含主磁通（交链双绕组）和漏磁通（占15%~20%），需掌握两者路径差异。 2.磁化曲线反映Φ₀与磁通势的关系，低磁通线性（气隙主导）、高磁通非线性（铁磁饱和），额定磁通设计在弯曲处可省励磁电流。 3.气隙磁密呈平顶波，空载时几何与物理中性面重合，负载时因电枢反应偏移（发电机顺转、电动机逆转）。 4.电枢反应使主磁场畸变、削弱，导致火花和性能下降，大型机装换向磁极、小型机移电刷可改善，需重点理解其影响机制。 阅读相关教材和课堂笔记，梳理重点知识点和关键概念。制作复习提纲或思维导图，以帮助理清知识框架和内部逻辑。进行练习题和例题的练习，加深对知识的理解和应用。 感谢 观看 $$