专题三十九 空载磁场（教案）-河北省对口升学《电机与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测

专题三十九 空载磁场（教案）-河北省对口升学《电机与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测

一、考纲解读

1.明确空载磁场的核心产生来源，能描述气隙处磁场分布特点及成因。

2.理解磁化曲线的横纵坐标含义，能区分线性段与饱和段的特点、成因，会结合实际判断磁通随励磁电流的变化趋势。

3.了解磁场强度在磁路各部分（主磁极铁心、电枢铁心、气隙）的分布差异，能结合公式H = B/μ简单解释原因。

4.掌握电枢反应的定义、产生条件，能区分其对主磁场的两大影响（畸变、削弱），会判断“空载/带负载”状态下是否存在电枢反应。

二、知识点梳理

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。

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人相邻的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Φ0表示。Φ0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Φδ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%。

2.直流电机的磁化曲线

主磁通 Φ0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Φ0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。

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Φ0呈直线关系;当Φ0较大时,铁磁材料趋于饱和,磁化曲线开始弯曲,Φ0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IL表示,成为磁通Φ0与励磁电流IL之间的关系曲线,Φ0=f(IL)。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。

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TV4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。

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。

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。

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。

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。

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(e)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(e)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B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。

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