2.5 直流电动机的磁场

1.直流电动机的空载磁场

直流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。因而空载磁场可以认为仅是励磁电流通过励磁绕组产生的励磁磁通势所建立的。如图2.20所示分别为两极电机及四极电机的空载磁场（又称极场）。

图2.20 直流电动机的空载磁场

2.直流电动机的负载磁场和电枢反应

（1）电枢反应。直流电动机负载运行时，电枢绕组中便有电流通过，产生电枢磁通势。该磁通势所建立的磁场，称为电枢磁场。电枢磁场与主极磁场一起，在气隙内建立一个合成磁场，也称气隙磁场。

如图2.21所示是直流电动机带负载后的合成磁场的分布示意图。为分析简单起见，以两极电机为例。为了画图方便，换向器通常不画出来，所以把电刷画在电枢圆周上，且处在两极间的几何中性线位置，如图2.21所示。

图2.21 直流电动机气隙磁场分布示意图

如图2.21（a）所示为空载磁场的分布情况。按照图中所示的励磁电流方向，应用右手螺旋定则，便可确定主极磁场的方向。在电枢表面上磁感应强度为零的地方是物理中性线m-m，它与磁极的几何中性线n-n重合，几何中性线与磁极轴线互差90°电角度，即正交。

如图2.21（b）所示为电枢磁场的分布情况，它的方向由电枢电流来确定。由图2.21（b）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线来划分的。在电刷两边，N极下面的导体和S极下面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就不变。因此，电枢磁场的方向不变，即电枢磁场是静止不动的。根据图上的电流方向用左手定则可以判定该电动机旋转方向为逆时针。

如图2.21（c）所示为合成磁场的分布情况，它是把主极磁场和电枢磁场合在一起而产生的。比较图2.21（a）和图2.21（c），可见由于电机带负载后出现的电枢磁场，对主极磁场的分布有明显的影响。这种电枢磁场对主极磁场的影响称为电枢反应。

（2）电枢反应的影响。当电刷位于几何中性线上时，电枢反应对电动机的影响主要有以下3个方面。

① 气隙磁场发生畸变。电枢反应使磁极下的磁力线扭斜，磁通密度分布不均匀，使物理中性线离开几何中性线。在电动机中，物理中性线逆电机旋转方向移过一个不大的α角；而在发电机中，物理中性线则顺电机旋转方向移过一个不大的α角。

② 去磁作用。在每个磁极下，主极磁场的一半被削弱，另一半被加强。对如图2.21所示的电动机而言，前极尖（电枢进入磁极边）的磁场被加强，后极尖的磁场被削弱。由于电枢磁场磁力线是闭合的，所以电枢磁通势对主极磁通势的削弱数量等于对主极磁通势的增加数量。在磁路不饱和时，因磁阻是常数，所以根据磁路欧姆定律，主极磁场被削弱的磁通量也恰好等于被增强的磁通量。因此，带负载时每极下合成的磁通量仍与空载时的磁通量相同。不过在实际情况下，电机的磁路总是处在比较饱和的非线性区域，这样磁通势增强处（饱和度增加）的铁磁磁阻大于被削弱处（饱和度降低）的磁阻，因此增强的磁通量小于减少的磁通量，故负载时每极合成磁通量比空载时每极磁通量略小，称为电枢反应的去磁作用。因此，带负载运行时的感应电动势略小于空载时的感应电动势。但工程计算时，一般不考虑电枢反应的去磁作用。

③ 换向恶化。从图2.22可知，电刷下的元件旋转时，电流方向将变化一周，即从“⊙”到“0”再到“⊕”或相反，这种现象称为换向。当磁通密度分布不均匀，使电枢绕组中每线圈感应电动势不等时，就会造成换向片间电位差不等，使换向电流滞后或超前，从而增加换向难度。

电动机拖动的机械负载越大，电枢电流Ia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。尽管电枢反应对电动机运行会有各种影响，但正是电枢磁通势与主极磁通势相互作用才实现了机电能量的转换。

（3）装设换向极改善换向。改善换向的目的在于消除或削弱电刷下的火花。目前，改善直流电机换向最有效的方法是安装换向极。换向极装设在相邻两主磁极之间的几何中心线上，如图2.22所示。

图2.22 用换向极改善换向

换向极绕组应与电枢绕组相串联，使换向极磁场也随电枢磁场的变化而变化，换向极极性的确定原则是使换向极磁场方向与电枢磁场方向相反。1kW以上的直流电机，几乎都安装了换向极。