1.3 直流电机的磁场与电枢反应

电机磁场的作用是实现电机的机械能和电能的相互转换。这里首先分析直流电机空载时的气隙磁场，然后分析直流电机负载时的气隙磁场，最后说明直流电机的电枢反应。

1.3.1 直流电机的空载磁场

1．直流电机的空载磁场概述

直流电机空载（发电机与外电路断开，没有电流输出；电动机轴上不带机械负载）运行时，其电枢电流等于零或近似等于零。因此，空载磁场可以认为仅仅是由励磁电流通过励磁绕组产生的励磁磁动势Ff所建立的。

励磁绕组通入电流将建立磁场。铁磁材料的磁导率远比空气大得多，因此磁力线绝大部分集中于铁磁材料内，如在直流电机中，如图1-15所示，从N极出来的磁通绝大部分经气隙到电枢，而后再进入S极经定子磁轭闭合。与励磁绕组和电枢绕组相交链的磁通称为主磁通Φ0。还有一小部分磁通，从磁极出来，经气隙就闭合了，这一小部分磁通称为漏磁通，它只与励磁绕组相交链，而不与电枢绕组相交链。因为漏磁路的磁阻很大，故漏磁通仅为主磁通的15%～20%。

主磁通对应主磁路，它由气隙、电枢的齿槽部分、电枢磁轭、主磁极、定子磁轭五部分组成。根据磁路定律可知，产生空载磁场的励磁磁动势全部降落在气隙和铁磁材料这两大部分之中，即励磁磁动势为气隙磁动势和铁磁材料磁动势之和。虽然气隙长度在整个闭合磁路中只占很小的一部分，但是由于空气的磁导率远比铁磁材料的磁导率小，所以气隙的磁阻极大。可以认为磁路的励磁磁动势几乎都消耗在气隙部分，而对应产生的磁场常称为空载气隙磁场。

电磁感应是电枢绕组在气隙磁场中进行的，因此研究气隙磁密的分布是很必要的。根据安培环路定律可知，每对磁极下的任意一条闭合磁力线所包围的电流总和等于励磁磁动势。因此，当励磁绕组匝数和励磁电流一定时，磁动势是一常数。忽略铁磁材料磁压降，即Ff≈Fσ，则空载气隙磁密Bσ∝Fσ/σ=Ff/σ。由于在磁极极靴范围内气隙较小，磁阻最小，所以气隙磁密在极靴范围内达到最大值且均匀分布。在极靴的两端，气隙越向外越大，磁阻也越来越大，而气隙磁密减小得很快，到两极间的几何中性线上，气隙磁密急剧下降到零。因此，在一个磁极极距范围内，气隙磁密分布近似为梯形，如图1-16所示。

2．直流电机的磁化曲线

直流电机每极需要有一定数量的励磁磁动势，才能产生一定的感应电动势和电磁转矩。在设计电机时，可以根据磁路进行计算。取不同的磁通量，计算出对应的励磁磁动势的值，依点绘出每极磁通量和励磁磁动势间的关系曲线，即为直流电机的磁化曲线Φ0=f（Ff0）。制造好的直流电机，可以用实验的方法求得磁化曲线。直流电机的磁化曲线如图1-17所示。

当磁动势较小时，直流电机的磁路中的铁磁部分没有饱和，磁化曲线几乎是一段直线。当磁动势再增大时，因铁磁部分逐渐趋于饱和，磁阻逐渐增大，磁通量的增加没有磁动势快，磁化曲线开始弯曲。磁化曲线饱和与未饱和的转折点称为膝点。直流电机在正常运行时，常将磁通值取在膝点附近，可使磁动势不太大时获得较大的磁通，使直流电机的各种材料得到更合理的使用。

1.3.2 直流电机的负载磁场

直流电机负载运行时，电枢绕组中便有电流流过，产生电枢磁动势。该磁动势所建立的磁场，称为电枢磁场。电枢磁场与主极磁场共同作用，在气隙内建立一个合成磁场。现以两极直流电动机为例，简单分析直流电动机负载运行时的磁场合成情况，如图1-18所示。

直流电动机的励磁绕组流入电流，便产生主磁场（空载磁场）。应用右手螺旋定则，就可以确定主磁场的方向，如图1-18（a）所示。电枢表面上磁感应强度为零的地方是物理中性线 m-m，它与磁极的几何中性线 n-n重合，而几何中性线与磁极轴线相互垂直。

不考虑主磁场时，电枢磁场的分布如图1-18（b）所示。从图中可以看出，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极下的导体和S极下的导体的电流方向始终相反，只要电刷固定不动，电刷两边的电流方向不变。因此，电枢磁场的方向不变，即电枢磁场是静止不动的，它的强弱由电枢电流决定。

如图1-18（c）所示为合成磁场，它是由主磁场和电枢磁场共同产生的。

1.3.3 直流电机的电枢反应

直流电机的磁动势会影响其性能，这是因为电枢磁动势对主磁极建立的气隙磁场有一定的影响。电枢磁动势对主磁场的影响叫做电枢反应。

电枢反应发生时，会有两个结果：一是使气隙磁场畸变，一个极尖的磁场加强，另一个极尖的磁场减弱；二是去磁效应，即由于磁饱和，每一磁极的两个极尖磁通的增加量与减少量不相等，减少量大于增加量，从而使总磁通量有所减小。

电枢反应明显表现在：原来的几何中性线 n-n处的磁感应强度不等于零，磁感应强度为零的位置，即电磁物理中性线m-m逆旋转方向移动一个角度（电动机），物理中性线与几何中性线不再重合。如果电枢电流越大，电枢磁场越强，电枢反应的影响就越大，物理中性线偏移的角度也就越大，这样会给直流电机的换向带来困难。