1.4 直流电机的磁场及电枢反应

直流电机在工作过程中有主磁极产生的主磁极磁动势，也有电枢电流产生的电枢磁动势，电枢磁动势对主磁极磁动势的影响称为电枢反应。

直流电机在负载运行时，它的磁场是由电机中各个绕组，包括励磁绕组、电枢绕组、换向极绕组、补偿绕组等共同产生的，其中励磁绕组起着主要作用。为此，先研究励磁绕组有励磁电流，其他绕组无电流时的磁场情况，把这种情况称为电机的空载运行，此时的磁场称为空载磁场。

1. 直流电机的磁场和磁路

图1-18是一台四极直流电机空载时的磁场示意图。当励磁绕组流过励磁电流I_f时，每极的励磁磁动势为

式中，N_f为一个磁极上励磁绕组的串联匝数；F_f为励磁磁动势，单位为安匝。

励磁磁动势单独建立的空载磁场分布如图1-18所示。其中大部分磁通是由N极出来，经气隙进入电枢齿部，再经过电枢铁心到另外的电枢齿，又通过气隙进入S极，再经定子铁轭回到原来的N极，形成闭合磁路。这部分磁通同时交链励磁绕组和电枢绕组，称为主磁通（Φ₀），主磁通所经过的磁路称为主磁路。主磁通能在电枢绕组中感应电动势或者产生电磁转矩，进行能量的转换。此外还有一小部分磁通，由N极出来不进入电枢铁心，直接经过气隙、相邻磁极或定子铁轭形成闭合回路。这部分磁通只交链励磁绕组本身称为漏磁通（Φ_σ），所经过的磁路称为漏磁路。漏磁通没有起到能量转换的作用，它只是增加主磁极磁路的饱和程度，使电机的损耗加大，效率降低。由于相邻的两个磁极之间的气隙较大，主磁极漏磁通在数量上比主磁通要小得多，大约是主磁通的20%。

从图1-18中可以看出，主磁路可以分为定、转子之间的气隙、电枢齿、电枢铁轭、主磁通和定子铁轭五部分，简单看来主磁路由气隙和铁磁材料两大部分组成。气隙的磁导率是常数，其值远比铁磁材料的磁导率小，所以气隙的磁阻很大。虽然气隙长度在整个闭合磁路中只占很小的一部分，由于气隙磁阻极大，励磁磁动势几乎都消耗在气隙部分，而对应的磁场称为气隙磁场。

直流电机空载时，主磁极的励磁磁动势主要消耗在气隙上，当忽略主磁路中铁磁性材料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的大小和形状。气隙磁通密度的分布如图1-19所示。磁极中心及附近的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，气隙逐渐变大，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性线处，气隙磁通密度为零。因此空载时的气隙磁通密度分布为一平顶波。图1-20所示是空载时主磁极磁通分布情况。按照图示励磁电流的方向，应用右手螺旋定则，可以确定主磁极磁通的方向。在电枢表面上磁感应强度为零的地方是物理中性线，可见，电机空载时，物理中性线与几何中性线重合。

2. 直流电机的磁化特性曲线

在直流电机中，为了感应电动势或产生电磁转矩，气隙里需要有一定数量的每极磁通Φ₀。在磁路中，磁通是由磁动势F_f产生的。磁动势的大小是由励磁绕组的匝数和励磁电流的大小的乘积所决定，已制好的电机绕组匝数一定，因此，改变励磁电流的大小就可以改变磁通的大小。把空载时每极气隙磁通Φ₀与空载励磁磁动势F_f0或空载励磁电流I_f0的关系，称为直流电机的空载磁化特性，如图1-21所示。当Φ₀很小时，磁路的铁磁材料部分没有饱和，磁化特性曲线成线性，随着Φ₀的增加达到一定数值以后，由于电机磁路中的铁磁材料开始饱和，磁化特性曲线成非线性，其转折点为膝点（A点）。在饱和区，磁动势（或励磁电流）增加较快，磁通Φ₀却增加很少。

为了经济、合理地利用材料，一般直流电机额定运行时，它的额定磁通Φ_N设定在图1-21中的A点，即在磁化特性曲线开始拐弯将进入饱和区的地方。

3. 直流电机的负载磁场和电枢反应

直流电机负载运行时，电枢绕组中便有电流通过，产生电枢磁动势。该磁动势建立的磁场为电枢磁场。电枢磁场与主磁场一起，在气隙内建立一个合成磁场。图1-22为电枢的磁场，图1-23为考虑电枢反应的气隙合成的磁场。

分析电枢磁场时，假设励磁绕组中没有励磁电流，只在电枢绕组中通入电枢电流，电枢磁场方向由电枢电流来确定。由图中可以看出，不论电枢如何转动，电枢电流的方向总是以电刷为界限来划分的。在电刷两边，N极面下的导体和S极面下的导体电流方向始终相反，只要电刷固定不动，电枢两边的电流方向不变。应用右手螺旋定则，可以确定电枢磁场的方向。可见，电枢磁场的物理中性线与几何中性线垂直。

合成磁场是把主磁极磁场和电枢磁场合在一起而产生的。比较图1-20和图1-23，可见加负载后出现的电枢磁场对主磁场的分布有明显的影响。这种电枢磁场对主磁场的影响称为电枢反应。

电刷位于几何中性线上时的电枢反应特点为：

1）电枢反应使气隙磁场发生畸变。故在空载时，物理中性线与几何中性线重合；负载时，由于电枢反应的影响，气隙磁场发生畸变，每一磁极下，电枢旋转方向要进入的主磁极磁场的一端磁场被削弱，而另一端则被加强。物理中性线与几何中性线不再重合。

2）对主磁场起去磁作用。在磁路不饱和时，主磁极磁场被削弱的数量恰好等于被加强的数量，因此负载时，每极下的合成磁通量与空载时相同。但是电机一般运行于磁化曲线的膝部，增加的磁通就会小于减少的磁通，因此负载时每极磁通比空载时每极磁通略为减少，这种去磁作用完全是由于磁路饱和引起的，称为附加的去磁作用。但在工程计算时，一般不考虑电枢反应的去磁作用。