直流电机的磁场

直流电机中除主极磁场外，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、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φ₀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φ 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 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2所示。

图2 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φ₀，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φ₀与空载励磁磁通势 或空载励磁电流 的关系，即φ₀= 或φ₀= ，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φ₀，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φ₀用同一方法计算，得到与φ₀相应的不同 ，经多次计算，便得到了空载磁化曲线φ₀ 。

直流电机主磁通的磁回路从图1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φ₀，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φ₀而变，或者说气隙磁压降与φ₀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φ₀不成正比，也具有饱和现象，当φ₀大到一定程度后，出现饱和，φ₀再增大，H或磁压降就急剧增大。因此，造成了直流电机φ₀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3所示。

图3 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3中的a点（称为膝点），对应的φ_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F_fN。

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。

电枢磁通势如何影响电机中的主磁场呢？

下面先分析清楚电枢磁通势和电枢磁场的特性，然后把两种磁场合成起来，再考虑到饱和问题，就可以看清楚电枢磁通势对主磁场的影响了。

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4所示。

图4 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5（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5（a）所示。设想将电机从 处切开，展平如图5（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）

将式（1）用曲线形式表示，如图5（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5 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6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6 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6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

（2）

把 和 代入式（2）得

（3）

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

（4）

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7中所示。

图7 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7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7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逆转向移动了一个角度 。称通过电枢表面磁密为零的这条直线为物理中性线。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，物理中性线与几何中性线不再重合，而且磁场的分布曲线也与空载时不同。

（2）对主磁场起去磁作用。在磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量恰好等于被加强的数量（图8中表示出面积 ），因此负载时每极下的合成磁通量与空载时相同。但在实际电机中，磁路总是饱和的。因为在主磁极两边磁场变化情况不同，一边是增磁的，另一边是去磁的。主极的增磁作用会使饱和程度提高，铁心磁阻增大，从而使实际的合成磁场曲线（图中用虚线表示）比不计饱和时要低些，与不饱和时相比，增加的磁通要少些；主极的去磁作用可使饱和程度降低，铁心磁阻减小，结果使实际的合成磁场曲线（图中用虚线表示）比不计饱和时略高些，与不饱和时相比，减少的磁通要少些。由于磁阻变化的非线性，磁阻的增大比磁阻的减小要大些，增加的磁通就会小于减少的磁通（图7中表示出面积 ＜ )，因此负载时合成磁场每极磁通比空载时每极磁通略有减少，这就是电枢反应的去磁作用。

总的来说，电枢反应的作用不仅使电机内气隙磁场发生畸变，而且还会呈去磁作用。

3、直流电机的励磁方式

直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的问题。根据励磁方式的不同，直流电机可分为下列几种类型。

1．他励直流电机

励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机称为他励直流电机，接线如图8（a）所示。图中M表示电动机，若为发电机，则用G表示。永磁直流电机也可看作他励直流电机。

2．并励直流电机

并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联，接线如图8（b）所示。作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同。

3．串励直流电机

串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，接线如图8（c）所示。这种直流电机的励磁电流就是电枢电流。

4．复励直流电机

复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组，接线如图8（d）所示。若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。若两个磁通势方向相反，则称为差复励。

不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。一般情况直流电动机的主要励磁方式是并励式、串励式和复励式，直流发电机的主要励磁方式是他励式、并励式和和复励式。

图8 直流电机的励磁方式

a)他励； b)并励； c)串励； d）复励