直流机组电动机设计.doc
毕 业 论 文题 目： 630V直流机组电动机设计 系： 电气与信息工程系 专业： 电气工程及其自动化 班级： 学号 学生姓名： 导师姓名： 完成日期： 2007年6月 诚 信 声 明本人声明：1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。作者签名： 日期： 年 月 日毕业设计（论文）任务书 题目： 630V 直 流 机 组 电 动 机 设 计 姓名 系 电气与信息工程系 专业 电气工程及其自动化 班级 电气工程及其自动化 学号 指导老师 职称 讲 师 教研室主任 一、 基本任务及要求： 机组由电动机拖动同轴发电机构成. 机组电源使用.发电机发出电压为630V .负载电流为70A. 根据负载电流选定所设电机型号及功率. 进行所设电机的电磁计算. 绘制该电机的总装图,冲片图,绕组展开图. 注意发出电压的稳定性 二， 进度安排及完成时间： 1、2月20日：下达设计任务书。 2、2月20日-3月10日：查资料，写文献综述，开题报告 3、3月13日-3月24日：毕业实习，撰写实习报告。 4、3月27日-5月15日：电机磁路设计。 5、5月16日-5月31日：电机结构设计,撰写毕业设计说明书。 6、6月 1日- 6月12日：修改、装订毕业设计说明书。 7、6月13日-6月16日：毕业设计答辩 目 录摘 要 Abstract第1章 直流电动机工作原理11.1 直流电动机的基本工作原理11.2 直流电动机的主要结构及用途21.2.1 主要结构21.2.2 直流电动机的铭牌数据41.2.3 直流电动机的用途和分类51.3 直流电机的电枢绕组61.3.1单波绕组61.4 直流电动机的磁场91.4.1 直流电机的空载磁场91.4.2 直流电机负载时的磁场和电枢反应121.4.3 直流电机的励磁方式161.5 直流电机的换向171.5.1 直流电机的换向问题和换向极绕组171.5.2 直流电机的补偿绕组191.6 直流电动机的启动201.6.1.直接加额定电压起动后果201.6.2 限制起动电流的措施211.7 直流电动机起动电阻的计算211.7.1关于起动电阻计算的分析211.7.2分析法计算起动电阻的步骤211.8直流电动机起动的过渡过程211.9直流电动机的制动221.9.1直流电动机的两种运转状态221.9.2电气制动方法22第2章 电动机功率的确定及其型号的选择262.1 电动机功率的确定262.2 电动机的型号选择262.3 电动机的额定参数26第3章 电磁计算273.1 主要尺寸的选择273.2 槽数及绕组的基本参数283.3 槽形及电枢绕组303.4 电刷换向器长度313.5 主磁极及机座尺寸313.6 磁路计算333.7 空载特性及转速调整率353.8 并励绕组353.9 损耗与效率37参考文献39致谢40附录A 直流电动机总装图41附录B 转子冲片图42附录C 绕组连线图43直流机组电动机的设计摘要：直流电动机是近年迅速兴起的一种新型电机，它广泛应用与工业，农业，以及军事等领域。 直流电动机既保持了直流电动机良好的调速控制特性，又消除了电刷和换向器的机械接触。本文是对无刷直流电动机做出深入的剖析与设计。无刷直流电动机是一种具有高效率、低磨损、低噪声的新型直流电机机种.本设计在介绍无刷直流电动机设计中，关于相数、极数、槽数及绕组连接方式的选择方法和应遵从的规律.而且针对小功率直流电动机结构特点和工作性能，在电枢反应理论基础上设计出功率为120w的无刷直流电动机，并对霍尔位置传感器和无刷电动机的控制及驱动做了详细的分析。关键词：直流电动机；结构特点；工作性能Direct Current Motor designAbstrsct: Brushless DC motor is rapidly developing new motor in the recently, and it widely used in industry, agriculture and in the army. The better governing speed characteristic is kept and the mechanical touch between brushes and commutator is removed as well in brushless DC Motors. This paper intends to make a better on the Design of Brushless DC motor .The DC motor without coal brushless is in a new style, with higher work efficiency. Less wear and lower noise. This paper presents the method of selecting phase, slot number and winding connection type and introduces the laws that should be obey in the design of brushless DC motor. Also based on introducing the structure of a light power DC motor, a 120w light power DC motor is design according to the theory. Not only make a lot of detail analyzed about the Hall position sensor in this paper .but also the bruless DCs controls and the driving-methods for bruless DC.Keywords: Direct Current Motor; construction feature; work performance第1章 直流电动机工作原理1.1 直流电动机的基本工作原理 直流电动机的工作原理图1.1所示为直流电动机的原理模型，与直流发电机不同的是：线圈不被原动机拖动；电刷A,B接上直流电源。于是在线圈abcd中有电流流过，电流的方向如图1.1所示。根据电磁力定律可知，载流导体ab ,cd上受到的电磁力f为f=Bli(N) （1.1）式中 B导体所在处的气隙磁密（Wb/m2）； L导体的长度（m）； i导体中的电流（A）。导体受力的方向用左手定则确定，导体 ab的受力方向是从右向左，导体 cd的受力方向是从左向右，如图1.1所示。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。当电枢转了180°后，导体 cd转到 N极下，导体 ab转到 S极下时，由于直流电源供给的电流方向不变，仍从电刷 A流入，经导体 cd、 ab后，从电刷B流出。这时导体 cd受力方向变为从右向左，导体 ab受力方向是从左向右，产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。因此，电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由导体ab和 cd流入，使线圈边只要处于N极下，其中通过电流的方向总是由电刷 A流入的方向，而在 S极下时，总是从电刷 B流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向，从而形成一种方向不变的转矩，使电动机能连续地旋转。这就是直流电动机的工作原理。从上述基本电磁情况来看，一台直流电机原则上既可以作为发电机运行，也可以作为电动机运行，只是其输入输出的条件不同而已。如用原动机拖动直流电机的电枢，将机械能从电机轴上输入，而电刷上不加直流电压，则从电刷端可以引出直流电动势作为直流电源，可输出电能，电机将机械能转换成电能而成为发电机；如在电刷上加直流电压，将电能输入电枢，则从电机轴上输出机械能，拖动生产机械，将电能转换成机械能而成为电动机。这种同一台电机，既能作发电机又能作电动机运行的原理，在电机学理论中称为电机的可逆原理。图1.1 直流电动机的原理模型 1-磁极；2-电枢；3-换向器；4-电刷。 1.2 直流电动机的主要结构及用途1.2.1 主要结构直流电动机的工作原理仅仅揭示了如何利用基本电磁规律以实现机电能量转换的道理，但是要将其付诸应用，直流电机必须具有能满足电磁和机械两方面要求的合理的结构型式。直流电动机的结构型式是多种多样的。直流电动机是由静止的定子部分和转动的转子部分构成的，定、转子之间有一定大小的间隙（以后称为气隙）。现对各主要结构部件的基本结构及其作用简述。1.定子部分直流电动机定子部分主要由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成。（1）主磁极 又称主极。在一般大中型直流电动机中，主磁极是一种电磁铁。只有个别类型的小型直流电机的主磁极才用永久磁铁，这种电机叫永磁直流电机。主磁极的作用是能够在电枢表面外的气隙空间里产生一定形状分布的气隙磁密。主磁极的铁心用11.5mm厚的低碳钢板冲片叠压紧固而成。把事先绕制好的励磁绕组套在主极铁心外面，整个主磁极再用螺钉固定在机座的内表面上。各主磁极上的励磁绕组联接必须使通过励磁电流时，相邻磁极的极性呈 极和 极交替的排列，为了让气隙磁密沿电枢圆周方向的气隙空间里分布得更加合理一些，铁心下部（称为极靴）比套绕组的部分（称为极身）宽。这样也可使励磁绕组牢固地套在铁心上。（2）机座 一般直流电动机都用整体机座。所谓整体机座，就是一个机座同时起两方面的作用：一方面起导磁的作用，一方面起机械支撑的作用。由于机座要起导磁的作用，所以它是主磁路的一部分，叫定子磁轭，一般多用导磁效果较好的铸钢制成，小型直流电机也有用厚钢板的。主磁极、换向极和端盖都固定在电机的机座上，所以机座又起了机械支撑的作用。（3）电刷装置 电刷装置是把直流电压、直流电流引入或引出的装置。电刷放在电刷盒里，用弹簧压紧在换向器上，电刷上有个铜丝辫，可以引出、引入电流。直流电机里，常常把若干个电刷盒装在同一个绝缘的刷杆上，在电路连接上，把同一个绝缘刷杆上的电刷盒并联起来，成为一组电刷。一般直流电机中，电刷组的数目可以用电刷杆数表示，刷杆数与电机的主磁极数相等。各电刷杆在换向器外表面上沿圆周方向均匀分布，正常运行时，电刷杆相对于换向器表面有一个正确的位置，如果电刷杆的位置放得不合理，将直接影响电机的性能。电刷杆装在端盖或轴承内盖上，调整位置后，将它固定。2转子部分直流电动机转子部分主要由电枢铁心和电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。图1.2为直流电机电枢装配示意图。图1.2 直流电动机的电枢1转轴；2轴承；3换向器；4电枢铁心；5电枢绕组；6风扇；7轴承（1）电枢铁心 电枢铁心作用有二，一个是作为主磁路的主要部分；另一个是嵌放电枢绕组。由于电枢铁心和主磁场之间的相对运动，会在铁心中引起涡流损耗和磁滞损耗（这两部分损耗合在一起称为铁心损耗，简称铁耗），为了减少铁耗，通常用0.5mm厚的涂有绝缘漆的硅钢片的冲片叠压而成，固定在转轴上。电枢铁心沿圆周上有均匀分布的槽，里面可嵌入电枢绕组。（2）电枢绕组 电枢绕组是由许多按一定规律排列和联接的线圈组成，它是直流电机的主要电路部分，是通过电流和感应产生电动势以实现机电能量转换的关键性部件。线圈用包有绝缘的圆形和矩形截面导线绕制而成，线圈亦称为元件，每个元件有两个出线端。电枢线圈嵌放在电枢铁心的槽中，每个元件的两个出线端以一定规律与换向器的换向片相连，构成电枢绕组。（3）换向器 换向器也是直流电动机的重要部件。在直流发电机中，它的作用是将绕组内的交变电动势转换为电刷端上的直流电动势；在直流电动机中，它将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流。换向器安装在转轴上，主要由许多换向片组成，片与片之间用云母绝缘，换向片数与元件数相等。1.2.2 直流电动机的铭牌数据每台直流电动机的机座外表面上都钉有一块所谓铭牌，上面标注着一些叫做额定值的铭牌数据，它是正确选择和合理使用电机的依据。根据国家标准，直流电机的额定值有：（1）额定功率 ；（2）额定电压 ； （3）额定电流 ；（4）额定转速 ；（5）励磁方式和额定励磁电流。有些物理量虽然不标在铭牌上，但它们也是额定值，例如在额定运行状态的转矩、效率分别称为额定转矩、额定效率等。关于额定功率，对直流发电机来说，是指电机出线端输出的电功率；对直流电动机而言，则是指它的转轴上输出的机械功率。因此，直流发电机的额定功率应为 （1.2）而直流电动机的额定功率为 （1.3）式中，为直流电动机的额定效率，它是直流电动机额定运行时输出机械功率与电源输入电功率之比。电动机轴上输出的额定转矩用表示，其大小应该是输出的机械功率额定值除以转子角速度的额定值，即 （1.4）式中，的单位为，的单位为，的单位为。此式不仅适用于直流电动机，也适用于交流电动机。直流电动机运行时，若各个物理量都与它的额定值一样，就称为额定运行状态或额定工况。在额定状态下，电机能可靠地工作，并具有良好的性能。但实际应用中，电机不总是运行在额定状态。如果流过电机的电流小于额定电流，称为欠载运行；超过额定电流，称为过载运行。长期过载或欠载运行都不好。长期过载有可能因过热而损坏电机；长期欠载，电机没有得到充分利用，效率降低，不经济。为此选择电机时，应根据负载的要求，尽量让电机工作在额定状态。1.2.3 直流电动机的用途和分类把机械能转变为直流电能的电机是直流发电机；把直流电能转换为机械能的电机称为直流电动机。直流电动机多用于对调速要求较高的生产机械上，如轧钢机、电力牵引、挖掘机械、纺织机械等等，这是因为直流电动机具有以下突出的优点：（1）调速范围广，易于平滑调速； （2）起动、制动和过载转矩大； （3）易于控制，可靠性较高。直流发电机可用来作为直流电动机以及同步发电机的励磁直流电源以及化学工业中的电镀、电解等设备的直流电源。与交流电机相比，直流电机的结构复杂，消耗较多的有色金属，维修比较麻烦。随着电力电子技术的发展，由晶闸管整流元件组成的直流电源设备将逐步取代直流发电机。但直流电动机由于其性能优越，在电力拖动自动控制系统中仍占有很重要的地位。利用晶闸管整流电源配合直流电动机而组成的调速系统仍在迅速地发展。国产的直流电机种类很多，下面列出一些常见的产品系列。Z2系列是一般用途的中、小型直流电机，包括发电机和电动机。Z和ZF系列是一般用途的大、中型直流电机系列。Z是直流电动机系列；ZF是直流发电机系列。ZZJ系列是专供起重冶金工业用的专用直流电动机。ZT系列是用于恒功率且调速范围比较大的拖动系统里的广调速直流电动机。ZQ系列是电力机车、工矿电机车和蓄电池供电电车用的直流牵引电动机。ZH系列是船舶上各种辅助机械用的船用直流电动机。ZU系列是用于龙门刨床的直流电动机。ZA系列是用于矿井和有易爆气体场所的防爆安全型直流电动机。ZKJ系列是冶金、矿山挖掘机用的直流电动机。1.3 直流电机的电枢绕组电枢绕组是直流电动机的一个重要部分，电机中机电能量的转换就是通过电枢绕组而实现的，所以直流电机的转子也称为电枢。电枢绕组是由许多个形状完全一样的单匝元件（当然也可以是多匝元件）以一定规律排列和联接起来的，用表示元件数。所谓单匝元件，就是每个元件的元件边（一个元件有两个元件边）里仅有一根导体，对多匝元件来说，一个元件边里就不止一根导体了。若用代表元件的匝数，则多匝元件的元件边里就有根导体。图1.4（a）就是一个多匝元件， =3。不管一个元件有多少匝，其出线端只有两根，一根叫首端，另一根叫末端。同一个元件的首端和末端分别接到不同的换向片上，而各个元件之间又是通过换向片彼此联接起来的。这样就必须在同一个换向片上，既联有一个元件的首端，又联有另一元件的末端。若用表示换向片数，则整个电枢绕组的元件数应等于换向片数，即。=。1.3.1单波绕组1绕组节距 单波绕组的绕组节距也分为第一节距、合成节距、换向器节距和第二节距等。它们的定义和单叠绕组的节距定义相同。（1）第一节距 因为 与元件联接方式无关，所以单波绕组的第一节距 的计算方法与单叠绕组的完全相同。（2）合成节距 与换向器节距 选择 时，应使相串联的元件感应电动势同方向。为此，须把两个相串联的元件放在同极性磁极的下面，让它们在空间位置上相距约两个极距。其次，当沿圆周向一个方向绕了一周，经过 个串联的元件后，其末尾所联的换向片，必须落在与起始的换向片相邻的位置，才能使第二周继续往下联，即 （1.5）因此，单波绕组元件的换向器节距为 （1.6）式中正负号的选择，首先要满足 是一个整数。在满足 为整数时，一般都取负号。这种绕组当把每一个元件联成绕组时，联接的顺序是从右向左进行，称为左行绕组。图1.3所示就是这种绕组。合成节距。（3）第二节距 （1.7）单波绕组各节距如图1.3所示，联接后的形状犹如波浪一样向前延伸，由此而得名。图1.3 单波绕组的节距2绕组展开图所谓绕组展开图是假想将电枢及换向器沿某一齿（图1.4中为第16槽与第1槽间的1个齿）的中间切开，并展开成平面的联接图。作图步骤如下。第一步，先画16根等长等距的实线，代表各槽上层元件边，再画16根等长等距的虚线，代表各槽下层元件边。让虚线与实线靠近一些。实际上一根实线和一根虚线代表一个槽（指虚槽），依次把槽编上号码。图1.4 单波绕组展开图 2p=4, Qu=S=K=15第二步，放置主磁极。让每个磁极的宽度大约等于0.7 ,4个磁极均匀放置在电枢槽之上，并标上、极性。假定极的磁力线进入纸面，极的磁力线从纸面穿出。第三步，画16个小方块代表换向片，并标上号码，为了作图方便，使换向片宽度等于槽与槽之间的距离。为了能联出形状对称的元件，换向片的编号应与槽的编号有一定对应关系（由第一节距来考虑）。第四步，联绕组。为了便于联接，将元件、槽和换向片按顺序编号。编号时把元件号码、元件上层边所在槽的号码以及元件上层边相联接的换向片号码编得一样，即1号元件的上层边放在1号槽内并与1号换向片相联接。这样当1号元件的上层边放在1号槽（实线）并与1号换向片相联后，因为 =4，则1号元件的下层边应放在第5号槽（）的下层（虚线）；因，所以1号元件的末端应联接在2号换向片上（）。一般应使元件左右对称，这样1号换向片与2号换向片的分界线正好与元件的中心线相重合。然后将2号元件的上层边放入2号槽的上层（），下层边放在6号槽的下层（），2号元件的上层边联在2号换向片上，下层边联在3号换向片上。按此规律排列与联接下去，一直把16个元件都联起来为止。校核第2节距：第1元件放在第5槽的下层边与放在第2槽第2元件的上层边，它们之间满足的关系。其他元件也如此。第五步，确定每个元件边里导体感应电动势的方向。图中，所考虑的是发电机，箭头表示电枢旋转方向，即自右向左运动，根据右手定则就可判定各元件边的感应电动势的方向，即在 极下的导体电动势是向下，在 极下是向上的。在图示这一瞬间，1、5、9、13四个元件正好位于两个主磁极的中间，该处气隙磁密为零，所以不感应电动势。第六步，放电刷。在直流电机里，电刷组数也就是刷杆的数目与主极的个数一样多。对本例来说，就是四组电刷，它们均匀地放在换向器表面圆周方向的位置。每个电刷的宽度等于每一个换向片的宽度。放电刷的原则是，要求正、负电刷之间得到最大的感应电动势，或被电刷所短路的元件中感应电动势最小，这两个要求实际上是一致的。在图1.9里，由于每个元件的几何形状对称，如果把电刷的中心线对准主极的中心线，就能满足上述要求。图1.4中，被电刷所短路的元件正好是1、5、9、13，这几个元件中的电动势恰为零。实际运行时，电刷是静止不动的，电枢在旋转，但是，被电刷所短路的元件，永远都是处于两个主磁极之间的地方，当然感应电动势为零。实际的电机并不要求在绕组展开图上画出电刷的位置，而是等电机制造好，用试验的办法来确定电刷在换向器表面上的位置。3绕组电路图单波绕组是把所有上层边在极下的元件串联起来构成一条支路，把所有上层边在极下的元件串联起来构成另一条支路。由于主磁极只有 、 之分，所以单波绕组的支路对数与磁极对数无关，总是等于1，即单波绕组有以下特点： （1）同极性下各元件串联起来组成一个支路，支路对数 ，与磁级对数无关。（2）当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线，正、负电刷间感应电动势最大。（3）电刷杆数也应等于极数（采用全额电刷）。1.4 直流电动机的磁场直流电动机中除主极磁场外，当电枢绕组中有电流流过时，还将会产生电枢磁场。电枢磁场与主磁场的合成形成了电机中的气隙磁场，它是直接影响电枢电动势和电磁转矩大小的。要了解气隙磁场的情况，就要先分析清楚主磁场和电枢磁场的特性。1.4.1 直流电机的空载磁场直流电机的空载是指电枢电流等于零或者很小，且可以不计其影响的一种运行状态，此时电机无负载，即无功率输出。所以直流电机空载时的气隙磁场可以看作就是主磁场，即由励磁磁通势单独建立的磁场。当励磁绕组通入励磁电流，各主磁极极性依次呈现为 极和 极，由于电机磁路结构对称，不论极数多少，每对极的磁路是相同的，因此只要分析一对极的磁路情况就可以了。图1.5是一台四极直流电机空载时的磁场分布示意图（一对极的情形）。从图中看出，由 极出来的磁通，大部分经过气隙进入电枢齿部，再经过电枢磁轭到另一部分的电枢齿，又通过气隙进入 极，再经过定子磁轭回到原来出发的 极，成为闭合回路。这部分磁通同时匝链着励磁绕组和电枢绕组，电枢旋转时，能在电枢绕组中感应电动势，或者产生电磁转矩，把这部分磁通称为主磁通，用0表示。此外还有一小部分磁通不进入电枢而直接经过相邻的磁极或者定子磁轭形成闭合回路，这部分磁通仅与励磁绕组相匝链，称为漏磁通，用 表示。由于主磁通磁路的气隙较小，磁导较大，漏磁通磁路的气隙较大，磁导较小，而作用在这两条磁路的磁通势是相同的，所以漏磁通在数量上比主磁通要小得多，大约是主磁通的20%左右。图1.5 直流电机空载时的磁场分布示意图1 极靴；2极身；3元子磁轭；4励磁绕组；5气隙；6电枢齿；7电枢磁轭由于主磁极极靴宽度总是比一个极距要小，在极靴下的气隙又往往是不均匀的，所以主磁通的每条磁力线所通过的磁回路不尽相同，在磁极轴线附近的磁回路中气隙较小；接近极尖处的磁回路中气隙较大。如果不计铁磁材料中的磁压降，则在气隙中各处所消耗的磁通势均为励磁磁通势。因此，在极靴下，气隙小，气隙中沿电枢表面上各点磁密较大；在极靴范围外，气隙增加很多，磁密显著减小，至两极间的几何中性线处磁密为零。不考虑齿槽影响时，直流电机空载磁场的磁密分布如图1.6所示。图1.6 直流电机空载磁场的磁密分布在直流电机中，为了感应电动势或产生电磁转矩，气隙里要有一定数量的主磁通0，也就是需要有一定的励磁磁通势 ，或者当励磁绕组匝数一定时，需要有一定的励磁电流 。把空载时主磁通0与空载励磁磁通势 或空载励磁电流 的关系，即0= 或0= ，称为直流电机的磁化曲线，它表明了电机磁路的特性。电机的磁化曲线可通过电机磁路计算来得到。直流电机磁路计算内容是：已知气隙每极磁通为0，求出直流电机主磁路各段中的磁压降，各段磁压降的总和便是励磁磁通势 。对于给定的不同大小的0用同一方法计算，得到与0相应的不同 ，经多次计算，便得到了空载磁化曲线0 。直流电机主磁通的磁回路从图1.5中可看出主要包括这样几段：两段主磁极、两段气隙、两段电枢齿部、电枢磁轭、定子磁轭。对于每一段磁路，都是根据已知的0，算出磁密B，再找出相应的磁场强度H，分别乘以各段磁路长度后便得到磁压降。气隙部分的磁导率是常数，不随0而变，或者说气隙磁压降与0成正比。但其它各段磁路，都是铁磁材料构成，它们的B与H之间是非线性关系，具有磁饱和的特点，也就是说它们的磁压降与0不成正比，也具有饱和现象，当0大到一定程度后，出现饱和，0再增大，H或磁压降就急剧增大。因此，造成了直流电机0大到一定程度后，磁路总磁压降即励磁磁通势 急剧增大，电机的磁化曲线具有饱和现象，如图1.7所示。图1.7 电机的磁化曲线考虑到电机的运行性能和经济性，直流电机额定运行的磁通额定值的大小取在磁化曲线开始弯曲的地方（称为膝部），如图1.7中的a点（称为膝点），对应的N系指在空载额定电压时的每极磁通，对应的励磁磁通势为FfN。1.4.2 直流电机负载时的磁场和电枢反应当电机带上负载后，电枢绕组中就有电流流过，在电机磁路中，又形成一个磁通势，这个磁通势称为电枢磁通势。因此，负载时的气隙磁场将由励磁磁通势和电枢磁通势共同作用所建立。电枢磁通势的出现，必然会影响空载时只有励磁磁通势单独建立的磁场，有可能改变气隙磁密分布及每极磁通量的大小。通常把负载时电枢磁通势对主磁场的这种影响称为电枢反应，电枢反应对直流电机的运行性能影响很大。1电枢磁通势和电枢磁场电枢磁通势是由电枢电流所产生的，从对电枢绕组的分析可知，不论什么型式的绕组，其各支路中的电流是通过电刷引入或引出的。在一个极下元件边中电流方向是相同的，相邻的不同极性的磁极下元件边中电流方向总是相反的。因此，电刷是电枢表面电流分布的分界线。在电枢磁通势的作用下，电刷在几何中性线上时的电枢磁场分布如图1.8所示。图1.8 电刷在几何中性线上时的电枢磁场分布由于电刷和换向器的作用，尽管电枢是旋转的，但是每极下元件边中的电流方向是不变的，因此电枢磁通势以及由它建立的电枢磁场是不动的。电枢磁场的轴线总是与电刷轴线重合，并与励磁磁通势产生的主磁场轴线相互垂直。现在研究电枢磁通势的大小和电枢磁场的磁密沿电枢表面分布的情况。首先讨论一个元件所产生的电枢磁通势。设电枢槽内仅嵌放一个元件，该元件轴线（即元件的中心线）与磁极轴线垂直，即元件边位于磁极轴线上，如图1.9（a）所示。元件有 匝，元件中的电流为 ，则元件边所产生的磁通势为 安培导线数。由该元件所建立的磁场的磁力线的路径如图1.9（a）所示。设想将电机从 处切开，展平如图1.9（b）所示。根据全电流定律可知，每个磁回路的磁通势均为 。每根磁力线通过两次气隙，若不计铁磁材料中的磁压降，则磁通势全部消耗在气隙中。在直流电机中，与磁极轴线等距离处的气隙大小相等，所以磁力线通过一次气隙所消耗的磁通势则为磁力线所包围的全电流的一半，即1/2 。若以几何中性线为纵轴，电枢周长为横轴，但规定磁通势方向与磁力线方向一致，即正磁通势表示由它产生的磁通方向从电枢到主磁极，负磁通势则为从主磁极到电枢。作这些规定后，一个元件所消耗于气隙的磁通势的空间分布为 （1.8）将式（1.8）用曲线形式表示，如图1.9（b）中所示。从图中看出，一个宽度为一个极距 的元件所产生的电枢磁通势在空间的分布为一个以2 为周期，幅值为1/2 的矩形波。图1.9 一个元件所产生的电枢磁通势a)磁力线分布 b）磁通势分布若电枢表面均匀分布四个元件，如图1.10所示。根据上面分析，每个元件的磁通势空间分布均为一个高为1/2 、宽度为 的矩形波。把这样的四个矩形波叠加起来，可得一个每级高度为 、阶梯级数为2的阶梯形波。图1.10 四个元件所产生的电枢磁通势如果电枢表面均匀分布的元件数目较多，那么总的电枢磁通势波形会接近图1.10中所表示的三角形波。由于实际电机中，电枢上元件很多，可近似地认为电枢磁通势分布波形为一三角形波，其轴线即位于三角形的顶点上。设 为电枢绕组的总导线数， 为元件数， 为极对数， 为极距， 为电枢直径，则阶梯级数为 ，且阶梯形波或三角形波的幅值为 （1.9）把 和 代入式（1.9）得 （1.10）式中 电枢表面单位长度上的安培导体数，称为线负荷（A/m）。知道了电枢磁通势分布曲线，在忽略铁心中磁阻的情况下，即可求出电枢磁场的磁密沿电枢表面的分布曲线。这条曲线表示为 （1.11）式中 气隙长度（m）； 真空中的磁导率， 。如果气隙是均匀的，即 为常数，则在极靴范围内，磁密分布也是一条直线。但在两极极靴之间的空间内，因气隙长度大为增加，磁阻急剧增加，虽然此处磁通势较大，磁密却反而减小，因此磁密分布曲线是马鞍形，如图1.11中所示。图1.11 磁场分布和电枢反应2负载时的合成磁场和电枢反应以直流电动机为例，把主磁场与电枢磁场合成，将合成磁场与主磁场比较，便可看出电枢反应的作用。在图1.11中，表明了磁极极性和极下元件边中的电流方向。根据左手定则，决定转动方向为由右向左。再按磁力线方向与磁通势方向一致的原则，分别画出主磁场分布曲线 及电枢磁场分布曲线 。若磁路不饱和，可用迭加原理，将 沿电枢表面逐点相加，便得到负载时气隙内合成磁场分布曲线 （如图1.11中实线所表示）。将 和 比较，得出： （1）使气隙磁场发生畸变。每一磁极下，因为电枢磁场使主磁场一半被削弱，另一半被加强，并使电枢表面磁密为零的位置由空载时在几何中性线
