2.5 直流電動機的磁場

1.直流電動機的空載磁場

直流電動機軸上不帶機械負載運行時，其電樞電流等于零或近似等于零。因而空載磁場可以認為僅是勵磁電流通過勵磁繞組產生的勵磁磁通勢所建立的。如圖2.20所示分別為兩極電機及四極電機的空載磁場（又稱極場）。

2.直流電動機的負載磁場和電樞反應

（1）電樞反應。直流電動機負載運行時，電樞繞組中便有電流通過，產生電樞磁通勢。該磁通勢所建立的磁場，稱為電樞磁場。電樞磁場與主極磁場一起，在氣隙內建立一個合成磁場，也稱氣隙磁場。

如圖2.21所示是直流電動機帶負載后的合成磁場的分布示意圖。為分析簡單起見，以兩極電機為例。為了畫圖方便，換向器通常不畫出來，所以把電刷畫在電樞圓周上，且處在兩極間的幾何中性線位置，如圖2.21所示。

如圖2.21（a）所示為空載磁場的分布情況。按照圖中所示的勵磁電流方向，應用右手螺旋定則，便可確定主極磁場的方向。在電樞表面上磁感應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，幾何中性線與磁極軸線互差90°電角度，即正交。

如圖2.21（b）所示為電樞磁場的分布情況，它的方向由電樞電流來確定。由圖2.21（b）中可以看出，不論電樞如何轉動，電樞電流的方向總是以電刷為界線來劃分的。在電刷兩邊，N極下面的導體和S極下面的導體電流方向始終相反，只要電刷固定不動，電樞兩邊的電流方向就不變。因此，電樞磁場的方向不變，即電樞磁場是靜止不動的。根據圖上的電流方向用左手定則可以判定該電動機旋轉方向為逆時針。

如圖2.21（c）所示為合成磁場的分布情況，它是把主極磁場和電樞磁場合在一起而產生的。比較圖2.21（a）和圖2.21（c），可見由于電機帶負載后出現的電樞磁場，對主極磁場的分布有明顯的影響。這種電樞磁場對主極磁場的影響稱為電樞反應。

（2）電樞反應的影響。當電刷位于幾何中性線上時，電樞反應對電動機的影響主要有以下3個方面。

① 氣隙磁場發生畸變。電樞反應使磁極下的磁力線扭斜，磁通密度分布不均勻，使物理中性線離開幾何中性線。在電動機中，物理中性線逆電機旋轉方向移過一個不大的α角；而在發電機中，物理中性線則順電機旋轉方向移過一個不大的α角。

② 去磁作用。在每個磁極下，主極磁場的一半被削弱，另一半被加強。對如圖2.21所示的電動機而言，前極尖（電樞進入磁極邊）的磁場被加強，后極尖的磁場被削弱。由于電樞磁場磁力線是閉合的，所以電樞磁通勢對主極磁通勢的削弱數量等于對主極磁通勢的增加數量。在磁路不飽和時，因磁阻是常數，所以根據磁路歐姆定律，主極磁場被削弱的磁通量也恰好等于被增強的磁通量。因此，帶負載時每極下合成的磁通量仍與空載時的磁通量相同。不過在實際情況下，電機的磁路總是處在比較飽和的非線性區域，這樣磁通勢增強處（飽和度增加）的鐵磁磁阻大于被削弱處（飽和度降低）的磁阻，因此增強的磁通量小于減少的磁通量，故負載時每極合成磁通量比空載時每極磁通量略小，稱為電樞反應的去磁作用。因此，帶負載運行時的感應電動勢略小于空載時的感應電動勢。但工程計算時，一般不考慮電樞反應的去磁作用。

③ 換向惡化。從圖2.22可知，電刷下的元件旋轉時，電流方向將變化一周，即從“⊙”到“0”再到“⊕”或相反，這種現象稱為換向。當磁通密度分布不均勻，使電樞繞組中每線圈感應電動勢不等時，就會造成換向片間電位差不等，使換向電流滯后或超前，從而增加換向難度。

電動機拖動的機械負載越大，電樞電流Ia越大，電樞磁場越強，電樞反應的影響就越大，物理中性線偏移的角度也就越大。盡管電樞反應對電動機運行會有各種影響，但正是電樞磁通勢與主極磁通勢相互作用才實現了機電能量的轉換。

（3）裝設換向極改善換向。改善換向的目的在于消除或削弱電刷下的火花。目前，改善直流電機換向最有效的方法是安裝換向極。換向極裝設在相鄰兩主磁極之間的幾何中心線上，如圖2.22所示。

換向極繞組應與電樞繞組相串聯，使換向極磁場也隨電樞磁場的變化而變化，換向極極性的確定原則是使換向極磁場方向與電樞磁場方向相反。1kW以上的直流電機，幾乎都安裝了換向極。