1.3 直流電機的磁場與電樞反應(yīng)

電機磁場的作用是實現(xiàn)電機的機械能和電能的相互轉(zhuǎn)換。這里首先分析直流電機空載時的氣隙磁場，然后分析直流電機負(fù)載時的氣隙磁場，最后說明直流電機的電樞反應(yīng)。

1.3.1 直流電機的空載磁場

1．直流電機的空載磁場概述

直流電機空載（發(fā)電機與外電路斷開，沒有電流輸出；電動機軸上不帶機械負(fù)載）運行時，其電樞電流等于零或近似等于零。因此，空載磁場可以認(rèn)為僅僅是由勵磁電流通過勵磁繞組產(chǎn)生的勵磁磁動勢Ff所建立的。

勵磁繞組通入電流將建立磁場。鐵磁材料的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)比空氣大得多，因此磁力線絕大部分集中于鐵磁材料內(nèi)，如在直流電機中，如圖1-15所示，從N極出來的磁通絕大部分經(jīng)氣隙到電樞，而后再進(jìn)入S極經(jīng)定子磁軛閉合。與勵磁繞組和電樞繞組相交鏈的磁通稱為主磁通Φ0。還有一小部分磁通，從磁極出來，經(jīng)氣隙就閉合了，這一小部分磁通稱為漏磁通，它只與勵磁繞組相交鏈，而不與電樞繞組相交鏈。因為漏磁路的磁阻很大，故漏磁通僅為主磁通的15%～20%。

主磁通對應(yīng)主磁路，它由氣隙、電樞的齒槽部分、電樞磁軛、主磁極、定子磁軛五部分組成。根據(jù)磁路定律可知，產(chǎn)生空載磁場的勵磁磁動勢全部降落在氣隙和鐵磁材料這兩大部分之中，即勵磁磁動勢為氣隙磁動勢和鐵磁材料磁動勢之和。雖然氣隙長度在整個閉合磁路中只占很小的一部分，但是由于空氣的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)比鐵磁材料的磁導(dǎo)率小，所以氣隙的磁阻極大。可以認(rèn)為磁路的勵磁磁動勢幾乎都消耗在氣隙部分，而對應(yīng)產(chǎn)生的磁場常稱為空載氣隙磁場。

電磁感應(yīng)是電樞繞組在氣隙磁場中進(jìn)行的，因此研究氣隙磁密的分布是很必要的。根據(jù)安培環(huán)路定律可知，每對磁極下的任意一條閉合磁力線所包圍的電流總和等于勵磁磁動勢。因此，當(dāng)勵磁繞組匝數(shù)和勵磁電流一定時，磁動勢是一常數(shù)。忽略鐵磁材料磁壓降，即Ff≈Fσ，則空載氣隙磁密Bσ∝Fσ/σ=Ff/σ。由于在磁極極靴范圍內(nèi)氣隙較小，磁阻最小，所以氣隙磁密在極靴范圍內(nèi)達(dá)到最大值且均勻分布。在極靴的兩端，氣隙越向外越大，磁阻也越來越大，而氣隙磁密減小得很快，到兩極間的幾何中性線上，氣隙磁密急劇下降到零。因此，在一個磁極極距范圍內(nèi)，氣隙磁密分布近似為梯形，如圖1-16所示。

2．直流電機的磁化曲線

直流電機每極需要有一定數(shù)量的勵磁磁動勢，才能產(chǎn)生一定的感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩。在設(shè)計電機時，可以根據(jù)磁路進(jìn)行計算。取不同的磁通量，計算出對應(yīng)的勵磁磁動勢的值，依點繪出每極磁通量和勵磁磁動勢間的關(guān)系曲線，即為直流電機的磁化曲線Φ0=f（Ff0）。制造好的直流電機，可以用實驗的方法求得磁化曲線。直流電機的磁化曲線如圖1-17所示。

當(dāng)磁動勢較小時，直流電機的磁路中的鐵磁部分沒有飽和，磁化曲線幾乎是一段直線。當(dāng)磁動勢再增大時，因鐵磁部分逐漸趨于飽和，磁阻逐漸增大，磁通量的增加沒有磁動勢快，磁化曲線開始彎曲。磁化曲線飽和與未飽和的轉(zhuǎn)折點稱為膝點。直流電機在正常運行時，常將磁通值取在膝點附近，可使磁動勢不太大時獲得較大的磁通，使直流電機的各種材料得到更合理的使用。

1.3.2 直流電機的負(fù)載磁場

直流電機負(fù)載運行時，電樞繞組中便有電流流過，產(chǎn)生電樞磁動勢。該磁動勢所建立的磁場，稱為電樞磁場。電樞磁場與主極磁場共同作用，在氣隙內(nèi)建立一個合成磁場。現(xiàn)以兩極直流電動機為例，簡單分析直流電動機負(fù)載運行時的磁場合成情況，如圖1-18所示。

直流電動機的勵磁繞組流入電流，便產(chǎn)生主磁場（空載磁場）。應(yīng)用右手螺旋定則，就可以確定主磁場的方向，如圖1-18（a）所示。電樞表面上磁感應(yīng)強度為零的地方是物理中性線 m-m，它與磁極的幾何中性線 n-n重合，而幾何中性線與磁極軸線相互垂直。

不考慮主磁場時，電樞磁場的分布如圖1-18（b）所示。從圖中可以看出，不論電樞如何轉(zhuǎn)動，電樞電流的方向總是以電刷為界限來劃分的。在電刷兩邊，N極下的導(dǎo)體和S極下的導(dǎo)體的電流方向始終相反，只要電刷固定不動，電刷兩邊的電流方向不變。因此，電樞磁場的方向不變，即電樞磁場是靜止不動的，它的強弱由電樞電流決定。

如圖1-18（c）所示為合成磁場，它是由主磁場和電樞磁場共同產(chǎn)生的。

1.3.3 直流電機的電樞反應(yīng)

直流電機的磁動勢會影響其性能，這是因為電樞磁動勢對主磁極建立的氣隙磁場有一定的影響。電樞磁動勢對主磁場的影響叫做電樞反應(yīng)。

電樞反應(yīng)發(fā)生時，會有兩個結(jié)果：一是使氣隙磁場畸變，一個極尖的磁場加強，另一個極尖的磁場減弱；二是去磁效應(yīng)，即由于磁飽和，每一磁極的兩個極尖磁通的增加量與減少量不相等，減少量大于增加量，從而使總磁通量有所減小。

電樞反應(yīng)明顯表現(xiàn)在：原來的幾何中性線 n-n處的磁感應(yīng)強度不等于零，磁感應(yīng)強度為零的位置，即電磁物理中性線m-m逆旋轉(zhuǎn)方向移動一個角度（電動機），物理中性線與幾何中性線不再重合。如果電樞電流越大，電樞磁場越強，電樞反應(yīng)的影響就越大，物理中性線偏移的角度也就越大，這樣會給直流電機的換向帶來困難。