2.5 直流電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)

1.直流電動(dòng)機(jī)的空載磁場(chǎng)

直流電動(dòng)機(jī)軸上不帶機(jī)械負(fù)載運(yùn)行時(shí)，其電樞電流等于零或近似等于零。因而空載磁場(chǎng)可以認(rèn)為僅是勵(lì)磁電流通過勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的勵(lì)磁磁通勢(shì)所建立的。如圖2.20所示分別為兩極電機(jī)及四極電機(jī)的空載磁場(chǎng)（又稱極場(chǎng)）。

2.直流電動(dòng)機(jī)的負(fù)載磁場(chǎng)和電樞反應(yīng)

（1）電樞反應(yīng)。直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，電樞繞組中便有電流通過，產(chǎn)生電樞磁通勢(shì)。該磁通勢(shì)所建立的磁場(chǎng)，稱為電樞磁場(chǎng)。電樞磁場(chǎng)與主極磁場(chǎng)一起，在氣隙內(nèi)建立一個(gè)合成磁場(chǎng)，也稱氣隙磁場(chǎng)。

如圖2.21所示是直流電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載后的合成磁場(chǎng)的分布示意圖。為分析簡(jiǎn)單起見，以兩極電機(jī)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(chǎng)的分布情況。按照?qǐng)D中所示的勵(lì)磁電流方向，應(yīng)用右手螺旋定則，便可確定主極磁場(chǎng)的方向。在電樞表面上磁感應(yīng)強(qiáng)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(chǎng)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(zhuǎn)動(dòng)，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(dǎo)體和S極下面的導(dǎo)體電流方向始終相反，只要電刷固定不動(dòng)，電樞兩邊的電流方向就不變。因此，電樞磁場(chǎng)的方向不變，即電樞磁場(chǎng)是靜止不動(dòng)的。根據(jù)圖上的電流方向用左手定則可以判定該電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針。

如圖2.21（c）所示為合成磁場(chǎng)的分布情況，它是把主極磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)合在一起而產(chǎn)生的。比較圖2.21（a）和圖2.21（c），可見由于電機(jī)帶負(fù)載后出現(xiàn)的電樞磁場(chǎng)，對(duì)主極磁場(chǎng)的分布有明顯的影響。這種電樞磁場(chǎng)對(duì)主極磁場(chǎng)的影響稱為電樞反應(yīng)。

（2）電樞反應(yīng)的影響。當(dāng)電刷位于幾何中性線上時(shí)，電樞反應(yīng)對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響主要有以下3個(gè)方面。

① 氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變。電樞反應(yīng)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(dòng)機(jī)中，物理中性線逆電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向移過一個(gè)不大的α角；而在發(fā)電機(jī)中，物理中性線則順電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向移過一個(gè)不大的α角。

② 去磁作用。在每個(gè)磁極下，主極磁場(chǎng)的一半被削弱，另一半被加強(qiáng)。對(duì)如圖2.21所示的電動(dòng)機(jī)而言，前極尖（電樞進(jìn)入磁極邊）的磁場(chǎng)被加強(qiáng)，后極尖的磁場(chǎng)被削弱。由于電樞磁場(chǎng)磁力線是閉合的，所以電樞磁通勢(shì)對(duì)主極磁通勢(shì)的削弱數(shù)量等于對(duì)主極磁通勢(shì)的增加數(shù)量。在磁路不飽和時(shí)，因磁阻是常數(shù)，所以根據(jù)磁路歐姆定律，主極磁場(chǎng)被削弱的磁通量也恰好等于被增強(qiáng)的磁通量。因此，帶負(fù)載時(shí)每極下合成的磁通量仍與空載時(shí)的磁通量相同。不過在實(shí)際情況下，電機(jī)的磁路總是處在比較飽和的非線性區(qū)域，這樣磁通勢(shì)增強(qiáng)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(qiáng)的磁通量小于減少的磁通量，故負(fù)載時(shí)每極合成磁通量比空載時(shí)每極磁通量略小，稱為電樞反應(yīng)的去磁作用。因此，帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)略小于空載時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。但工程計(jì)算時(shí)，一般不考慮電樞反應(yīng)的去磁作用。

③ 換向惡化。從圖2.22可知，電刷下的元件旋轉(zhuǎn)時(shí)，電流方向?qū)⒆兓恢埽磸摹啊选钡健?”再到“⊕”或相反，這種現(xiàn)象稱為換向。當(dāng)磁通密度分布不均勻，使電樞繞組中每線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不等時(shí)，就會(huì)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(dòng)機(jī)拖動(dòng)的機(jī)械負(fù)載越大，電樞電流Ia越大，電樞磁場(chǎng)越強(qiáng)，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。盡管電樞反應(yīng)對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行會(huì)有各種影響，但正是電樞磁通勢(shì)與主極磁通勢(shì)相互作用才實(shí)現(xiàn)了機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換。

（3）裝設(shè)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(jī)換向最有效的方法是安裝換向極。換向極裝設(shè)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(yīng)與電樞繞組相串聯(lián)，使換向極磁場(chǎng)也隨電樞磁場(chǎng)的變化而變化，換向極極性的確定原則是使換向極磁場(chǎng)方向與電樞磁場(chǎng)方向相反。1kW以上的直流電機(jī)，幾乎都安裝了換向極。