直流电机空载磁场的特性研究

直流电机不带负载（即不输出功率）时的运行状态称为空载运行。空载运行时电枢电流为零或近似等于零，所以，空载磁场是指主磁极励磁磁动势单独产生的励磁磁场，亦称主磁场。一台四极直流电机空载磁场的分布示意图如图5-22所示，为方便起见，只画一半。

图5-22　直流电机空载磁场分布图

1.主磁场和漏磁通

图5-22表明，当励磁绕组通以励磁电流时，产生的磁通大部分由N极出来，经气隙进入电枢齿，通过电枢铁芯的磁轭（电枢磁轭），到达S极下的电枢齿，又通过气隙回到定子的S极，再经机座（定子磁轭）形成闭合回路。这部分与励磁绕组和电枢绕组都交链的磁通称为主磁通，用Φ0表示。主磁通经过的路径称为主磁路。显然，主磁路由主磁极、气隙、电枢齿、电枢磁轭和定子磁轭等五部分组成。另有一部分磁通不通过气隙，直接经过相邻磁极或定子磁轭形成闭合回路。这部分仅与励磁绕组相交链的磁通称为漏磁通，以Φσ表示。漏磁通路主要为空气，磁阻很大，所以漏磁通的数量只有主磁通的20%左右。

2.直流电机的空载磁化特性

直流电机运行时，要求气隙磁场每个极下有一定数量的主磁通称为每极磁通Φ，当励磁绕组的匝数Nf一定时，每极磁通Φ的大小主要取决于励磁电流If。空载时每极磁通Φ0与空载励磁电流If0（或空载励磁磁动势Ff0=NfIf0）的关系Φ0=（f0）或Φ0=f（Ff0）称为电机的空载磁化特性。由于构成主磁路的五部分当中有四部分是铁磁性材料，铁磁材料磁化时的B-H曲线有饱和现象，磁阻是非线性的，所以空载磁化特性Φ0=f（Ff0）在If0较大时也出现饱和，如图5-23所示。为充分利用铁磁材料，又不至于使磁阻过大，电机的工作点一般选在磁化特性开始转弯、亦即磁路开始饱和的部分（图中A点附近）。(www.xing528.com)

图5-23　直流电机铁芯空载磁化曲线

3.空载磁场气隙磁密分布曲线

主磁极的励磁磁势主要消耗在气隙上，当近似的忽略主磁路中铁磁性材料的磁阻时，主磁极下气隙磁密的分布就取决于气隙δ的大小分布情况。一般情况下，磁极极靴宽度约为极距τ的75%左右，如图5-24（a）所示。磁极中心及其附近，气隙较小且均匀不变，磁通密度较大且基本为常数；靠近两边极尖处，气隙逐渐增大，磁通密度减小；超出极尖以外，气隙明显增大，磁通密度显著减小；在磁极之间的几何中心线处，气隙磁通密度为零，因此，空载气隙磁通密度分布为一个平定波，如图5-24（b）所示。

图5-24　空载气隙磁密分布曲线