专题三十九 空载磁场（课件）-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

《电机与变压器》（第5版） 高教社 专题三十九 空载磁场 目录 01 考纲解读 04 内容归纳小结 02 知识点梳理和重点概念复习 03 真题或常考题讲解 2 考纲解读—常见考点 03 02 01 直流电机空载运行时，其磁场仅由电枢绕组产生”这一说法是否正确。 直流电机电枢反应的定义和电枢反应对主磁场的主要影响。 曲线应用题：已知某直流电机的磁化曲线，当励磁电流增大到某一值后，曲线斜率明显变小，请解释该现象的原因。 考纲解读—考试要求 能准确表述电枢反应的定义，识别电枢反应对主磁场的典型影响，可结合简单场景判断电枢反应的作用效果。 能看懂直流电机的磁化曲线，并解释曲线“先线性增长、后斜率变小”的变化规律，说明铁心磁饱和状态对磁化曲线的影响。 能准确判断直流电机空载磁场的产生来源，区分主磁极励磁绕组与电枢绕组在空载状态下的作用，可简述空载磁场的主要磁场分布特点。 4 考纲解读—易考题型 概念表述、规律解释，覆盖磁化曲线变化原因、电枢反应影响等核心知识点。 简答题 核心概念准确性、易混淆知识点辨析，聚焦空载磁场分布、电枢反应定义等。 判断题 基础概念区分、简单现象判断，覆盖空载磁场产生来源、磁化曲线关键特征、电枢反应基本影响。 选择题 5 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 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。 一、直流电机的空载磁场 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%。 一、直流电机的空载磁场 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 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。 一、直流电机的空载磁场 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。 一、直流电机的空载磁场 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。 一、直流电机的空载磁场 知识点梳理和重点概念复习 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。 二、直流电机的电枢反应 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。 二、直流电机的电枢反应 知识点梳理和重点概念复习 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。 二、直流电机的电枢反应 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。 二、直流电机的电枢反应 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。 二、直流电机的电枢反应 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(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。 二、直流电机的电枢反应 知识点梳理和重点概念复习 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。 二、直流电机的电枢反应 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。 二、直流电机的电枢反应 知识点梳理和重点概念复习 电机的主磁场发生畸变,磁极轴线发生了偏转。 电机的主磁场被削弱。 二、直流电机的电枢反应 综合上述分析,直流电机的电枢反应造成的影响如下: 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 答案：B 解析：增大励磁电流时，初期铁心未饱和，磁通随励磁电流线性增大；当励磁电流足够大，铁心进入饱和状态，磁通增长变缓，符合磁化曲线的变化规律。 1.直流电机空载时，若增大励磁电流，气隙磁通会（ ） A. 一直线性增大 B. 先线性增大，后增长变缓 C. 一直增长变缓 D. 先增长变缓，后线性增大 21 常考习题练习与讲解—选择题 答案：D 解析：主磁极下方气隙磁阻小，磁场集中，强度高；极间区域磁阻大，磁场分散，强度低，故D正确。 2.下列关于直流电机空载磁场强度分布的描述，正确的是（ ） A. 气隙中磁场强度均匀 B. 主磁极铁心内部磁场强度处处相等 C. 电枢铁心磁场强度与气隙磁场强度成正比 D. 主磁极下方气隙磁场强度比极间区域高 22 常考习题练习与讲解—选择题 答案：C 解析：电机的额定电压由电枢绕组匝数、气隙磁通、转速决定（E = CeΦn），电枢反应虽影响气隙磁通，但额定电压是电机设计时的固定参数，不会因电枢反应而改变；电枢反应影响磁通，进而影响输出转矩（T = CtΦIa）、可能导致换向不良、影响磁通稳定性，故C不属于其影响。 3.直流电机电枢反应对电机运行的影响不包括（ ） A. 影响电机的输出转矩 B. 可能导致换向不良 C. 改变电机的额定电压 D. 影响气隙磁通的稳定性 23 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：主磁极的磁场由励磁绕组电流产生，根据安培定则，励磁电流方向决定主磁极的磁场方向，与电枢电流、电机转向、气隙大小无关。 4.直流电机空载时，主磁极的磁场方向由（ ）决定 A. 电枢电流方向 B. 励磁电流方向 C. 电机转向 D. 气隙大小 24 常考习题练习与讲解—选择题 答案：A 解析：饱和前，励磁磁动势主要用于克服气隙磁阻（铁心磁阻小）；饱和后，铁心磁阻急剧增大，成为磁路总磁阻的主要部分，故励磁磁动势主要用于克服铁心磁阻，导致磁通增长变缓。 5.磁化曲线中，饱和段的磁通增长变缓，意味着此时（ ） A. 励磁磁动势主要用于克服铁心磁阻 B. 励磁磁动势主要用于克服气隙磁阻 C. 铁心磁阻可忽略 D. 气隙磁阻增大 25 常考习题练习与讲解—选择题 答案：C 解析：电枢绕组不通电时，无电枢电流，故无电枢磁场；若励磁绕组通电，会产生主磁场（空载磁场），故磁场状态为仅有主磁场（空载磁场）。 6.直流电机电枢绕组不通电时，电机的磁场状态是（ ） A. 无磁场 B. 仅有电枢磁场 C. 仅有主磁场（空载磁场） D. 主磁场与电枢磁场叠加 26 常考习题练习与讲解—选择题 答案：C 解析：气隙越大，磁阻越大，在相同励磁磁动势下，空载磁场（磁通）越弱，故C错误。 7.下列关于直流电机气隙的说法，错误的是（ ） A. 气隙是主磁场的重要通路 B. 气隙大小会影响空载磁场的强度 C. 气隙越大，空载磁场越强 D. 气隙不均匀会导致磁场分布畸变 27 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：电枢磁场与主磁场叠加时，在主磁极前极尖，两者磁场方向相同，导致该区域气隙磁场增强；在后极尖，两者方向相反，磁场削弱，故畸变后前极尖区域增强。 8.直流电机电枢反应使主磁场畸变，会导致气隙磁场在（ ）区域增强 A. 主磁极中心正下方 B. 主磁极前极尖 C. 主磁极后极尖 D. 极间中心 28 常考习题练习与讲解—填空题 答案：铁损耗 解析：硅钢片叠压结构可阻断涡流的闭合回路，减小涡流损耗；同时硅钢片的材料特性可减小磁滞损耗，两者均属于铁损耗，故核心目的是减小铁损耗。 1.直流电机主磁极铁心采用硅钢片叠压制成，主要目的是减小________（填损耗类型）。 29 常考习题练习与讲解—填空题 答案：气隙磁通 解析：完全饱和时，铁心磁阻远大于气隙磁阻，励磁磁动势主要用于克服铁心磁阻，磁通增长几乎停滞，故增长缓慢的物理量是气隙磁通。 2. 直流电机磁化曲线中，完全饱和段的特点是：即使励磁电流继续增大，________增长也非常缓慢。 30 常考习题练习与讲解—填空题 答案：电枢电流 解析：电枢磁场的强弱由电枢磁动势F=NI决定，电枢电流I越大，F越大，电枢磁场越强，对主磁场的影响（电枢反应）也越强，故关键电流为电枢电流。 3.电枢反应的强弱主要与________的大小有关，该电流越大，电枢反应越强。 31 常考习题练习与讲解—填空题 答案：减小 解析：根据磁通公式Φ=F/Rm（F为励磁磁动势，Rm为磁阻），励磁电流不变则F不变，气隙增大使Rm增大，故Φ减小，即气隙磁通减小。 4. 直流电机空载时，若气隙长度增大（励磁电流不变），则气隙磁通会________，因为气隙磁阻增大。 32 常考习题练习与讲解—判断题 答案：× 解析：励磁绕组断路后，无励磁电流，无法产生主磁场，但铁心中会残留微弱的剩磁（磁性材料的特性），故电机并非无任何磁场，仍有微弱剩磁。 1.直流电机空载时，若励磁绕组断路，则电机无任何磁场。（ ） 33 常考习题练习与讲解—判断题 答案：√ 解析：电枢反应由电枢磁场决定，电枢电流越大，电枢磁动势（F=NI）越大，电枢磁场越强，对主磁场的影响（电枢反应）也越强。 2.电枢电流越大，电枢反应的影响越强。（ ） 34 常考习题练习与讲解—判断题 答案：√ 解析：气隙增大使气隙磁阻增大，励磁磁动势（由励磁电流决定）不变，根据Φ=F/Rm，磁通Φ随磁阻Rm增大而减小，故气隙磁通减小。 3.直流电机空载时，气隙长度增大（励磁电流不变），则气隙磁通会减小。（ ） 35 常考习题练习与讲解—判断题 答案：× 解析：励磁绕组电阻由绕组材料、匝数、导线截面积、温度等决定，与电枢反应无关；电枢反应仅影响主磁场的分布和强度，不会改变励磁绕组电阻。 4.直流电机电枢反应会改变励磁绕组的电阻值。（ ） 36 常考习题练习与讲解—简答题 答案：直流电机空载磁场主要由主磁极的励磁绕组通以直流电流产生。其磁路通路为：主磁极→气隙→电枢铁心→机座→主磁极，形成闭合的磁场回路。 1.简述直流电机空载磁场的主要产生来源及磁路通路。 37 常考习题练习与讲解—简答题 答案：特点是“主磁极下方磁场强，极间区域磁场弱”。原因：主磁极是励磁磁场的集中区域，下方气隙长度短、磁阻小，磁场更集中；极间区域磁路需绕过主磁极，路径长且磁阻大，磁场分散且强度弱。 2.直流电机空载时，气隙磁场的分布有何特点？请说明原因。 38 常考习题练习与讲解—简答题 答案：线性段：磁通随励磁电流（或磁动势）呈正比例增长；原因是铁心未饱和，磁导率高且恒定，磁路总磁阻主要由气隙磁阻（恒定）决定，磁通与励磁电流成线性关系。饱和段：磁通随励磁电流增长变缓，曲线斜率变小；原因是励磁电流增大到一定值后，铁心进入饱和状态，磁导率急剧下降，铁心磁阻显著增大，励磁磁动势主要用于克服铁心磁阻，磁通增长变缓。 3.简述直流电机磁化曲线的“线性段”和“饱和段”各自的特点及形成原因。 39 常考习题练习与讲解—简答题 答案：电枢反应是指电枢绕组通电流后，产生的电枢磁场对主磁场（空载磁场）的分布和强度产生影响的现象。产生前提条件是“电机带负载运行”，即电枢绕组中有负载电流流过（空载时电枢无电流，无电枢磁场，故无电枢反应）。 4.什么是直流电机的电枢反应？它产生的前提条件是什么？ 40 重点复习知识点： 1.空载磁场主要由主磁极的励磁绕组通直流电流产生。气隙处呈“主磁极下方强、极间区域弱”的特点。 2.线性段：励磁电流较小时，磁通随电流线性增长；饱和段：励磁电流增大到一定值后，磁通增长变缓。 3.电枢绕组通电流后，产生的电枢磁场对主磁场（空载磁场）的影响。产生条件：电机带负载运行（带负载时电枢绕组有负载电流，才能产生电枢磁场；空载时无电枢电流，无电枢反应）。 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。 课堂小结 41 $