直流电机的磁场和电枢反应
电枢反应
§2.3负载时直流电机的磁场――电枢反应直流电机负载后，电枢绕组有电流通过，简称电枢磁场，而电枢磁场对主磁场的影响就称为电枢反应。
具体分析如下：当电机带上负载后，电枢绕组中有电流通过，电枢电流将产生电枢磁动势，此时电机的气隙磁场由主磁场和电枢两个磁场共同决定。
电枢磁动势的出现，使气隙磁场发生畸变，即电枢反应。
在直流电机中，不论电枢绕组是哪种型式，各支路电流都是通过电刷引入获引出，因此电刷是电枢表面上电流分布的分界线。
电枢磁势的轴线总是与电刷轴线相重合。
一、交轴电枢磁势Faq电枢磁场如左图，若电枢上半周的电流为流出，下半周为流入，根据右手螺旋定则，该电枢磁动势建立的磁场如虚线所示。
从图可见，电枢磁动势的轴线总是与电刷轴线重合。
与主极轴线正交的轴线通常称为交轴，与主极轴线重合的轴线称为直轴；所以当电刷位于几何中性线上时，电枢磁动势时交轴电枢磁动势。
左图是直流电机电流分布和电枢磁场情况示意图，为便于分析让其展开成右图。
设直轴线上与电枢外圆的交点为0点，在距0点的 x 处作一闭合磁力线回路。
据安培回路定律研究该闭路，该闭路可包围的总电流数即为总磁势Fa：因为设 A 是沿电枢表面周长方向单位长度上的安培导体数：ZaiaA=-------（安培导体数/cm)∏Da式中：Za――电枢绕组的总导体数；D――电枢外径；ia――电枢电流。
则闭路总磁势为Fa＝2xA ，略去铁内磁阻则每个气隙所消耗的磁势为Faq＝A×x。
交轴电枢磁势Faq（x）的分布为呈三角波（略去齿槽影响时），则电枢磁密的分布波形是――"马鞍形"波。
如上右图ba（x）。
二、直轴电枢磁势Fad如下图此图当电刷不在几何中线时，设移过一个小角度β，除了交轴电枢磁动势外，还会产生直轴电枢磁动势。
电枢磁势分解成两个分量Faq和Fad即Fa＝Fad＋Fad三、直轴电枢反应若电机为发电机时，电刷顺转向移动β角。
直轴电枢反应仅存在于电刷不与几何中线处导体接触时，此时也存在交轴电枢反应（以后分析），现在单独分析直轴电枢磁势的影响。
直流电机的磁场和电枢反应
PM EaIa UIL UI f Ia2ra 2UIa P2 p f pa pb
发电机输入的是机械功率，外施机械功率不能全 部转化为电磁功率，因此，输入功率为：
P1 PM pmec pFe pad
27
功率平衡式
感应电动势和电磁转矩的有效磁通。
另外，由于磁极产生的磁通不可能全部通过气隙， 总还有一小部分从磁极的侧面逸出，直接流向相邻 的磁极，它只是与励磁绕组交链，不与电枢绕组交 链，故称磁极漏磁通 。
设磁极产生的总磁通为 则K
K
K
1
式中：K—场漏磁通，一般可取1.15~1.25
3
（一）主磁通和漏磁通
28
功率平衡式
不变损耗： 图中机械损耗 pmec和铁芯损耗 pF空e 载时就存在，
总称空载损耗 p0 ，当负载变化时，它们的数值基 本不变，故称为不变损耗。 可变损耗： 电枢绕组的铜损耗 pa 和电刷接触压降损耗 pb 是 由负载电流所引起的，称负载损耗 ，受负载电流 大小而变化，故又称可变损耗。
60
CT 2 Ce 9.55Ce
电磁转矩也可由电磁功率求得。
绕组不是整距、电刷位置位移以及气隙磁 场变化等也会对电磁转矩产生影响。
35
转矩平衡方程式
1.直流发电机转矩平衡式
由直原流动发机 电供 机给 的的电外磁施转机矩械T是转电矩磁为作T用1 使 发P1电机转子
受到制动的阻力转矩，即反转距（制动转矩）
电刷在交轴且绕组为整距时，直流电机感应电动 势的计算公式
Ea
pz 60a
n
Cen
Ce
pz 60a
电刷间电动势为直流，但是电枢导体的感应电动 势是交变的，其频率为：
电机学
产生:电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作用,
该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。
pN ΦI a CT ΦI a 大小: Tem 2 πa pN 其中C T 为电机的转矩常数，有 CT 9.55Ce 2 πa
可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电 流成正比
性质: 发电机——制动(与转速方向相反)；
Ce为电势的结构常数， 由绕组结构决定。可 见感应电势正比于每 极磁通量和转子转速。 这一感应电势公式把 电量Ea、机械量n、磁 场量Φ联系起来了。
第2章 直流电机的基本理论 一、电枢绕组的感应电动势
设气隙磁场的分布所示，则每 根导体的感应电动势为 式中，
— 导体所在处的气隙磁密；
v
l
— 导体的有效长度； — 导体相对气隙磁场的速度。
第2章 直流电机的基本理论 二、发电机功率平衡方程
功率流程图（永磁式时）
第2章 直流电机的基本理论
功率平衡方程 P1=PM+pm+pFe+pΔ=P2+pa+pb+pf+pm+pFe+pΔ =P2+Σp 电磁功率PM：从机械功率转化为电功率的那一部分功 率,它是能量形态变化的基础。 PM= TΩ=CTΦIaΩ=pN/(2πa)ΦIa*(2πn/60) =pN/(60a)ΦnIa= EaIa
第2章 直流电机的基本理论 2.4电枢绕组中的感应电势
• 当电枢以一定的转速n向一个方向转动时，电枢绕 组的导体便会切割磁力线，产生感应电势。 • 由电刷引出的感应电势Ea也就是每条支路的感应 电势，即一条支路中所有串联导体的感应电势之 和。 • 本节将推导感应电势的计算公式。
直流电机的电枢反应
直流电机的电枢反应
(一)电枢反应及其产生的原因
当直流电机接负载运行时，其激磁绕组和电枢绕组都有电流通过．分别产生各自的磁场，电枢磁场对主磁场所产生的影响，叫做电枢反应。
可见，}乜枢磁场的存在是直流电机出现电枢反应现象的原因。
为了便于研究电枢反应造成的影响，我们分别来分析主磁场和电枢磁场的情况。
当直流电机激磁绕组通电流，而电枢电流I=0时，在气隙中将建立激磁电流产生的主磁场，其方向用右手螺旋定则确定，并与磁极轴线方向一致，自左向右如图2-1-23所示。
通常我们把通过电枢轴心，并与磁极轴线垂直的平面叫做几何中性面。
而电枢表面磁感应强度B 等于零的平面，叫做主磁场的物理中性面。
在空载时，这两个平面重叠一处。
当激磁绕组不通电。
而只有电枢绕组通电时，则此电流所产生的磁场叫做电枢磁场，其方向仍用右手螺旋定则确定，其分布情况如图2-I一24所示。
由图可见，在电枢表面上电枢磁场B值为零的地方，正是在主磁极的轴线上，即电枢的下半部是Ⅳ极．上半部是S极。
无论电枢是否转动，电枢绕组电流分布情况总是不变的，因此，电枢磁场的轴线与主磁场轴线垂直相交，故称为交轴磁场。
东莞巨丰液压设备制造有限公司。
简述电枢反应的概念
简述电枢反应的概念电枢反应是指在直流电机中，由于电流通过电枢产生的磁场与磁极场相互作用而引起的电枢磁通的变化。
当电机电流流过电枢时，电流会在电枢绕组中产生磁场，这个磁场与电机的磁极场相互作用，导致了电机中的磁场分布发生变化。
电枢反应的主要影响是导致电枢磁通增加或减小，这将影响电机的电磁转矩和电机的性能。
具体而言，电枢反应会引起以下几个方面的影响：1. 磁场形状变化：电枢磁场与磁极场相互作用后，电机的磁场分布会发生变化，磁场的形状会被扭曲、变形。
2. 磁场强度变化：电枢反应会使电机中的磁场强度有所变化，磁通的大小可能会增加或减小，进而影响电机的运行特性。
3. 磁场偏移：电枢反应会导致电机中磁场的偏移。
在没有电枢反应的情况下，电机中的磁场是均匀分布的，而电枢反应会导致磁场集中在电枢所在的区域。
4. 磁场倾斜：电枢反应还会引起电机磁场的倾斜。
在没有电枢反应的情况下，电机磁场是沿着磁极轴线均匀分布的，而电枢反应会导致磁场在轴向上发生倾斜。
5. 磁通获取和损失：电枢反应会使电机的磁通发生变化，从而导致电机的磁通获取和损失的变化。
磁通的变化会影响电机的电磁转矩和输出功率。
电枢反应的产生是由于电枢磁场与磁极场相互作用的结果，主要受到以下几个因素的影响：1. 电枢电流：电枢反应的大小与电枢电流的大小成正比。
电枢电流越大，电枢反应越强。
2. 磁极磁场：磁极的磁场强度越大，电枢反应越强。
因此，采用较强的磁极可以减小电枢反应的影响。
3. 磁极位置：磁极相对于电枢的位置会影响电枢反应的大小。
当磁极靠近电枢时，电枢反应越强。
为了减小电枢反应的影响，常常采取以下一些措施：1. 采用补偿绕组：在电机的极间或极端设置补偿绕组，通过电流的反向作用使电机磁场的分布更均匀。
2. 采用磁极削弱技术：通过在磁极上钻孔或切割磁极来减小磁场的强度，以降低磁极与电枢的相互作用，减小电枢反应的影响。
3. 选择适当的电枢绕组形式：不同绕组形式的电枢对电枢反应的敏感程度也不同。
直流电机电枢反应
直流发电机电枢磁场分布
直流发电机合成磁场分布
Hale Waihona Puke SSS2.直流电动机的电枢反应
N
N
n
N
m n
n
n′
β
m′
直流电动机主磁场分布
直流电动机电枢磁场分布
直流电动机合成磁场分布
S
S
S
总之，直流电机的电枢反应对直流发电机和直流电动机都是存在的， 通过分析可以总结如下： 直流电机有电枢反应，造成火花增大换向难。 发电机物理线顺转偏，发出电动势有所降低； 电动机物理线逆转偏，发出电磁转矩有减小。
产生的磁场称为电枢磁场。 如图所示为电枢磁场
电枢磁场
S
二、电枢反应
N
N n m S n′ m′
两极电机的主磁场
电枢磁场
直流电机在负载下运行，主极磁场和电枢磁场同时存在，它们 之间互相影响，把电枢磁场对主磁场的影响叫电枢反应。
S
1.直流发电机的电枢反应
N
N
n
N
n
m′
β
n m
n′
直流发电机主磁场分布
直流电机的电枢反应
一、直流电机的磁场
1、主极磁场
主极磁场有励磁绕组 通入励磁电流产生 （1）几何中性线 （2）物理中性线
N
n m n′ m′
nn´ mm´
S
在电枢电流为零的情况下，主
极磁场的nn´和mm´是重合的。
两极电机的主磁场
2.电枢磁场
当电机在负载下运行时，电枢
N
绕组中有负载电流流过，电枢电流
电机与拖动基础电子教案——第五篇第十八章 直流电机的磁场、电枢反应和电枢绕组
2）直轴电枢反映：当电刷不在几何中性 线上，出现了直轴电枢反应，从图上可 以看出：
A:若为发电机，电刷顺着旋转的方向移动 一个夹角，对主极磁场而言，直轴起去 磁反应，若电刷逆着旋转方向移动一个 夹角，则直轴电枢反应将是增磁的，
其中， 为气 隙计算长度，可见，磁密的
分布和气息的大小是成反比关系的，这就刚 好验证了上一节的磁密分布的曲线形式。
二、电刷不在几何中性线上的电枢磁动势：
看图：引出了直轴电枢磁动势，
直轴电枢磁动势：电枢磁动势的轴线与主磁极 轴线重合，称为直轴电枢磁动势。
三、交轴、直轴电枢反应：
1）交轴电枢反应：交轴电枢磁动势对主极磁场 的影响。
在这里，我们为了分析问题的简单，
假定（1）磁场是不饱和的，（2）发电机电 枢转向是逆时针，电动机为顺时针。这样， 我们就可以对上图进行叠加，可知
A:交轴电枢磁场在半个极内对主极磁场起去磁 作用，在另半个极内则起增磁作用，引起气 隙磁场畸变，使电枢表面磁通密度等于零的 位置偏移几何中性线，新的等于零的我们称 之为物理中性线。
2.单叠绕组电路图：
为了进一步说明单叠绕组各个元件的联接
次序及其电动势分布情况，按图18-7各元
件的联接顺序，可得到如图18-8所示的绕
组电路图。从图18-8可以看出，每个极下
的元件组成 一条支路，这就是说，单叠绕
组的并联支路数正好等于电机的极数，即
（ 为并联
支路2a对数2 p）。a这是单叠
绕组的重要特点之一。
是一个常数，称为电动势常数。
二、电磁转矩：
如果电动势和发电机相关，那么，电磁 转矩和电动机可以联系在一起，求解电 磁转矩的过程和求解电动势是一样的：
简述直流发电机工作原理
简述直流发电机工作原理直流发电机是一种将机械能转换为电能的装置，其工作原理基于电磁感应定律。
下面将详细介绍直流发电机的各个工作环节。
1.直流发电机工作原理直流发电机的基本原理是利用电磁感应产生电流。
当一个导线或导线回路在磁场中旋转时，导线中就会产生感应电流。
这个过程被称为法拉第电磁感应定律。
2.电磁感应原理电磁感应是指当一个导线或导线回路置于变化的磁场中时，导线内会产生电动势，从而产生电流。
这个过程中，磁通量的变化率与感应电动势成正比，即法拉第电磁感应定律的表达式为：e=-dΦ/dt。
3.磁场方向和电枢反应在直流发电机中，磁场方向与电枢的平面垂直，这样可以在电枢上产生最大的转矩。
电枢反应是指电枢中的电流产生的磁场对原磁场的影响。
适当的电枢反应可以增加输出电压，但过大的电枢反应会导致换向问题。
4.直流电机的换向换向问题是由于电枢反应导致磁场方向偏移，使得电枢上的电流方向发生变化。
为了避免换向问题，可以通过增加磁场强度、减小电枢反应等方法来保持磁场方向的稳定。
5.电磁转矩与负载的关系直流发电机的电磁转矩与负载之间存在一定的关系。
当负载增加时，电磁转矩也会相应增加，以保持发电机转速的稳定。
通过调整转矩和负载可以实现对直流发电机的调速和制动等操作。
6.控制调节电磁转矩电磁转矩可以通过调节励磁电流、电枢电流或两者同时调节来控制。
在实际应用中，根据需要选择合适的调节方法，例如通过励磁调节器来改变励磁电流，从而改变电磁转矩。
7.发电机状态和电动机状态的转变直流发电机和直流电动机具有相似的结构和工作原理，因此它们之间可以实现状态的转变。
当直流电动机的电源反接时，它就会变成直流发电机，从而实现电动机和发电机之间的转换。
8.直流电机的结构与维护直流电机主要由定子、转子、换向器和轴承等组成。
定子包括机座、磁极和电枢等；转子则包括轴、铁芯和换向器等。
在日常维护中，要保持电机表面的清洁和干燥，定期检查换向器和电刷的磨损情况，并及时更换受损部件。
直流电机交轴电枢反应和直轴电枢反应
直流电机交轴电枢反应和直轴电枢反应直流电机是工业中常用的一种电动机，其具有简单结构、可靠性高、转速稳定等优点。
然而，直流电机在运行过程中会出现一些不利因素，其中就包括电枢反应。
电枢反应是因为电流在电枢中传输会产生磁场，使得转子初始位置偏移从而引起的现象。
电枢反应可以分为交轴电枢反应和直轴电枢反应。
交轴电枢反应指的是电流通过电枢时，由于磁场旋转而导致转子发生转动。
这种反应是由于交流电极的磁力线与转子磁极轴不重合引起的。
在直流电机中，正常情况下，转子的磁极轴与电极磁力线方向相同，此时不会发生交轴电枢反应。
但是，当电极载流产生磁场时，如果磁场方向与转子磁极轴方向不同，就会产生旋转力矩，从而引起电枢反应。
交轴电枢反应会导致电机转矩降低，效率下降，甚至产生振动和噪音等问题。
而直轴电枢反应则是指电流通过电枢时，由于磁场的磁力线与电极磁力线方向相同，使得转子磁极轴与磁力线不再重合，从而引起转子偏转。
直轴电枢反应对电机产生的影响比较复杂，会导致电机转矩、转速和励磁电流等参数变化。
直轴电枢反应的一些现象包括永磁体磁化削弱、电枢电感增加、电机转速变化等。
针对以上两种电枢反应，我们可以采取两种不同的解决方案。
一种是采用直流补偿方法。
这种方法又可分为串补偿和并补偿两种方式。
串补偿就是在电枢串接一个抵消磁场影响的电阻，而并补偿则是在电枢并联一个电感，使得电枢电感与励磁电感相等，从而抵消磁场影响。
另一种方法则是采用交流补偿方法。
在这种方法中，我们会为电机添加一个电枢相应的感应电机，来抵消交轴电枢反应。
此外，还可以采用换向器技术、永磁励磁和感应励磁等方法来抵消电枢反应。
在实际工程中，为了保证直流电机正常运行和维护，我们通常还会采取一些预防措施。
例如，可以使用磁透方案、磁轴轮方案等方法，使得转子磁极轴与电极磁力线方向相同，从而消除直轴电枢反应；或者使用分段绕线方案、组合绕线方案等方法，降低电枢的交裕度，从而消除交轴电枢反应。
此外，还需要控制电机的电流和电压等参数，避免电枢过载和电机损坏。
直流电机（12）直流电机的共同问题（二）直流电机的电枢反应感应电动势电..
1. 理解直流电机的磁动势和磁场2.掌握直流电机的电枢反应3.掌握直流电机电枢绕组的感应电动势4.掌握直流电机的电磁转矩本章基本要求直流电机的共同问题（二）直流电机的电枢磁动势和磁场 直流电机的电枢反应直流电机电枢绕组的感应电动势 直流电机的电磁转矩主要内容直流电机的共同问题（二）内容回顾直流电机绕组小结◆直流电机的电枢绕组总是自成闭路,为闭合绕组;◆电刷放置的一般原则是空载时正、负电刷间的电动势最大,或者说,被电刷短路的元件中的电动势为零;◆对于端接对称的元件,电刷放置在主极轴线下的换向片上,且总是与位于几何中性线上的导体相接触;内容回顾直流电机绕组小结◆电枢绕组的支路数(2a )永远是成对出现,因为磁极数(2p )是一个偶数;且至少有2条并联支路; 单叠绕组: a = p (并联支路对数恒等于电机极对数)单波绕组:a = 1(并联支路对数恒等于1)◆单叠绕组适应于较大电流、较低电压的电机;单波绕组适用于较高电压、较小电流的电机。
23.4 直流电机的磁动势和磁场一、空载时的主磁场1.主磁通和漏磁通◆磁场是电机实现机电能量转换的媒介;◆主极磁场由永久磁铁或励磁绕组通入直流电流产生;◆空载时电机中的磁场分布是对称的。
0f f I F s ìF -ïï F íïF -ïïî主磁通，经气隙进入电枢。
主极漏磁通(15-25%)φ0不进入电枢,只增加磁极的饱和程度。
内容回顾23.4 直流电机的磁动势和磁场一、空载时的主磁场主磁通路径：气隙→电枢齿→电枢轭→电枢齿→气隙→主磁极→定子轭→主磁极→气隙。
内容回顾23.4 直流电机的磁动势和磁场一、空载时的主磁场直流电机空载时的磁场分布内容回顾23.4 直流电机的磁动势和磁场一、空载时的主磁场2.气隙主极磁场的分布◆磁动势: 磁极范围内,励磁磁势大小相同。
◆磁密波形: 空载时的气隙磁通密度为平顶波。
直流电机的电枢反应及负载时的磁场
直流电机的电枢反应及负载时的磁场1、电枢反应：电机负载时，电枢绕组中有电流流过，产生一磁动势，称为电枢磁动势。
此时，气隙磁场有主极磁势和电枢磁势二者合成磁势建立，电枢磁势的消失必定对空载时的主极磁场有影响，使气隙磁密的分布发生变化，这种电枢磁势对主极所建立气隙磁场的影响称为电枢反应。
由于这两个磁动势的相互作用，直流电机才能进行机电能量的转换。
电枢反应对电机运行特性影响很大：对电动机：影响转速。
对发电机：影响感应电势。
2、电枢磁场的分布：同极性下电流方向相同，异极性下电流方向相反。
电刷是电枢表面电流分布的分界线。
特点：电枢磁场与主极磁场分布是相对静止的。
3、电枢磁动势沿电枢表面分布：a、以一个元件为例：线圈匝数，电流安。
元件边产生磁动势安匝。
每根磁力线仅与一个元件边相交链，磁场对称于电刷轴线，反向对称于磁极轴线。
将电枢从几何中性线处切开。
每个磁回路的磁势均为安匝。
规定磁动势方向与磁力线的方向全都，不计铁磁材料的磁压降，则全部降落在两气隙上，于是，每通过一次气隙消耗磁动势为，可得一个元件所耗于气隙的磁动势的空间分布关系为：一矩形波。
每极下有一个元件边的磁动势波形b、若每极下有四个元件边匀称分布：据上分析，应有四个矩形波，它们相互之间位移一个槽距，将它们迭加起来可得一阶梯数为2的阶梯波。
c、若每极下元件边的数目许多，且匀称分布在电枢表面，则经上述方法迭加后总的电枢磁动势会接近于三角波形。
4、电枢磁场的磁密沿电枢表面分布：（推导B与F的关系）设电枢绕组的总匝数为N，元件数为S，极对数为p，极距为，电枢直径为，每元件匝数为Wy，则N＝2SWy，阶梯数为S/2p ，阶梯波幅值为：，为电枢表面单位周长上的安匝数，称为线负荷。
若忽视铁磁材料中的磁压降，则电枢磁场沿电枢表面的分布曲线为：上式表明：与成正比，与成反比。
即：极靴下，气隙变化小，变化小；极尖处，气隙大，大大减弱，曲线呈马鞍形。
5、直流电机负载时磁场的电枢反应6、直流电机负载时磁场特点（呈去磁作用）：a、磁场发生了畸变。
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16.4.1 电枢绕组的感应电动势
1.导体中的感应电动势
e j B j l
整个电枢绕组共有 有效导体数为
N 2SNc
2 电枢绕组的感应电动势
电枢绕组的感应电动势
Ea
N / 2a j 1
e
j
一个支路有N/2a根导体均匀连续分布于一个 磁极下 E N / 2a e N e
pz Ce 60 a
上式是电刷在交轴且绕组为整距时，直流电机感应 电动势的计算公式。 （1）如果绕组短距或电刷不在交轴处，使支路中一 部分导体的感应电动势因磁场方向相反而反相，相 互抵消，导致电刷间电动势的减小。 （2）负载时交轴电枢反应使极面下磁通密度的分 布发生畸变，又由于磁饱和影响，产生交轴电枢反 应去磁作用，电刷间的感应电动势与极面下磁通密 度的分布情况无关，但是与极面下总磁通量成正比， 这样负载的感应电动势比空载时略小。
N
Da 2a 2
pN ∴ T 2a I a CT I a [N.m]
pN CT 9.55Ce 2a
电枢绕组的电磁转矩
转矩常数CT 与电势常数 Ce 的关系
60 CT Ce 9.55Ce 2
电磁转矩也可由电磁功率求得。 绕组不是整距、电刷位臵位移以及气隙磁 场变化等也会对电磁转矩产生影响。
2.电动机电压平衡式 并励直流电动机电路如图16-22（b）所示。 电源流入电动机的电流为： I Ia I f
在电动机中感应电动势的方向与电枢电流的方向 相反，称反电动势，反电势较端电压小，即
Ea U
Ea Cen
则
Ea U I a ra 2U
16.4.3 功率平衡式
PM pa pb p f
PM P2 p0 P2 pFe pmec
功率平衡式
pad —附加损耗，
计及附加损耗的，直流电动机的功率平衡方程式：
P 1 P 2 pmec pFe pad p f pb pa P 2 p
上式是并励电动机的功率平衡方程式，由此可画 出并励直流电动机功率流程图，如图16-24所示
U —每一电刷的接触压降，通常可以认为 U 为常 数，一般对石墨电刷的压降 U 1V
Ea U I a ra 2U
电压平衡式
发电机中感应电动势与电流方向一致，电机输出 电功率。 绕组感应电动势 Ea Cen ，发电机的转速取决于 原动机，通常保持不变。
电压平衡式
16.3.3 交轴电枢反应
当直流电机带有负载时，就有主磁极磁动势 和电枢磁动势同时作用在空气隙。 电枢磁动势的存在使空载磁场分布情况改变。 电枢反应：负载时电枢磁动势对主极磁场的影响。 交轴电枢反应：通常电刷处于交轴处，由于电枢磁 动势的轴线总是与电刷轴线重合，故称为交轴电 枢反应。 图16-16（a）表示主磁极产生的气隙磁场分布； 图16-16（b）表示电枢磁动势为三角波； 图16-16（c）表示电枢磁通密度波呈马鞍形； 图16-16（d）表示合成磁通密度波。
功率平衡式
空载时电枢电流很小，I a I f ，所引起的 pa 和 p b 可忽略不计。 励磁损耗 p f 消耗的功率很小，一般仅为
p f 1 ~ 3%PM
并励发电机的励磁损耗与负载电流大小无关，可 认为是不变损耗。 效率:输出功率 P2 与输入功率 P1 之比
p P2 P 1 p 1 P P P 1 1 1
除气隙外，其他部分均由铁磁材料组成。 主磁路和漏磁路示意图如图16-14（b）
（二）磁化特性曲线
线性段: 膝部: (弯曲部) 饱和段： 直流电机的工作点一般 在弯曲部分
U()
UN
0
INf
If
（三）空载磁场气隙磁密分布曲线
τ
B
16.3.2 直流电机的负载磁场
当直流电机带有负载时，电枢绕组中有电 流流过，电枢电流也将产生磁场，称作电枢磁 场。
交轴电枢反应
交轴电枢反应对电机运行的影响： （1）电枢反应的去磁作用将使每极磁通略有减小。 由于电机中磁饱和现象的存在，交轴电枢磁动势将 产生去磁作用。 （2）电枢反应使极面下的磁通密度分布不均匀。 图16-16（d）可知交轴电枢反应使一般磁极面的磁 通密度增大，而另一半极面下的磁通密度减少。 电枢磁动势的存在使交轴处的磁场不为零，将妨碍 线圈中的电流换向。如图16-18所示。
K
式中： K —场漏磁通，一般可取1.15~1.25
K 1
（一）主磁通和漏磁通
1.主磁通：经过主磁路的磁通，分别和 定子，转子绕组匝链 2.漏磁通：不与电枢绕组匝链磁通
主磁通和漏磁通:
直流电机的主磁路包括以下组成部分： 气隙、电枢齿、电枢磁轭、主磁极和定子磁轭。
首先讨论电枢磁场 然后讨论由主极磁动势和电枢磁动势共同作用的合成 磁场。 实际电机中 ，电刷放在磁极中心线上的换向片上， 该转向片所连的线圈边在两磁极中间，即几何中心线 （交轴线）附近。
直流电机的负载磁场
图16-15（a）中电刷位置恰在交轴处，即电枢 绕组电流改变方向处，电枢绕组由许多线圈组 成，每个线圈跨距近似为极距 ，一个线圈 有 N c 匝流过电流 产生气隙磁动势为矩形波， 所有电枢线圈产生的电枢磁势为阶梯波。 如果沿电枢分布的线圈数趋于无限大，则电枢 磁势波趋于三角波，如图16-15所示。 电枢磁动势的计算见教材P306（了解）。
功率平衡式
2.直流电动机功率平衡式 并励直流电动机 由电网供给的电功率为输入功率，即
P1 UI Ea I a ra 2U I a I f Ea I a I a2 ra 2UIa I f U
直流电动机的输入功率扣除电枢铜损耗、电刷的 电损耗及励磁损耗后才是电枢绕组吸收的电磁功 率 PM ，即电功率转换成机械功率，但是它并不 是电动机的轴上输出有效的机械功率 P2 ：
空载时直流电机的磁场
电机主磁极产生的磁通分为两部分，主磁通 通气隙，同时交链电枢绕组和励磁绕组，是电机中 产生感应电动势和电磁转矩的有效磁通。 另外，由于磁极产生的磁通不可能全部通过气 隙，总还有一小部分从磁极的侧面逸出，直接流向 相邻的磁极，它只是与励磁绕组交链，不与电枢绕 组交链，故称磁极漏磁通 。 设磁极产生的总磁通为 K 则
1.直流发电机功率平衡式 把式（16-26）和式（16-27）相乘，可得并励直 流发电机的电磁功率 PM ，实现机械能到电能的转 换，电能为：Ea U I a ra 2U I a I L I f
PM Ea I a UI L UI f I a2 ra 2UIa P2 p f pa pb
a
j 1
j
2a
av
eav Bavl B l
B 分别是每极平均磁通密度与最 式中， Bav 、 Bav / B 是平均磁通密度与最大 大磁通密度； 磁通密度之比。
电枢绕组的感应电动势
因为线速度 又∵每极磁通 2 p n e ∴ 60 ∴ N
av
v 2 pn / 60
16.3 直流电机的磁场和电枢反应
直流电机工作时的磁场: 是由电机中各个绕组（包括励磁绕组、 电枢绕组、附加极绕组、补偿绕组等） 的总磁动势所共同产生的，其中励磁 绕组的磁动势起着最主要的作用。
16.3.1 空载时直流电机的磁场
空载时，电枢电流为零，直流电机的气隙磁场 由主磁极绕组的励磁电流所产生，由于励磁电流是 直流，所以气隙磁场是一个不随时间变化的恒定磁 场。 空载:无负载→P2=0，I=0 空载时的磁场在空间分布，即一个极面下磁场分 布，如图16-14所示，磁极面下磁阻较小且较均匀， B 故磁通密度较高为 而两极之间的气隙处，磁通 密度显著降低，从磁极边缘至几何中线处，磁通密 度沿曲线平滑下降，称边缘磁通。
16.3.4 直轴电枢反应
若电刷不在几何中心线上，把电刷顺着发电机 的旋转方向或逆着电动机的旋转方向移动一个角 度 ，则电枢电流的分布也随之变化，电枢磁 动势的轴线也随着电刷移动。 此时的电枢磁势 Fax 有两个分量：直轴电枢 磁势 Fadx 和交轴电枢磁势 Faqx 。 直轴电枢反应磁动势方向与主磁极极性相反时，是 直轴去磁作用； 直轴电枢反应磁动势方向与主磁极极性相同时，是 直轴增磁作用。 电枢反应磁势大小计算（了解）
16.4 电枢绕组的感应电动势 和电压、功率及转矩平衡式
本节将分析电动势大小与每极磁通、电机转 速、绕组型式、电刷位臵的关系。为了便于 理解，分析时作以下假定： (1)电枢表面光滑无槽； (2) 电枢绕组导线数目极多，在电枢表面均匀 连续分布； (3)绕组为整距元件； (4)电刷位臵在磁极的中心线上。
Bavl Bl
N 2 pn pN Ea eav n Ce n 2a 2a 60 60 a
0 的单位是韦伯(Wb )； 式中， Ce 是常数，
pN Ce 60 a
电枢绕组的感应电动势
∴电枢绕组的感应电动势
pz Ea n Ce n 60a
16.5电枢绕组的电磁转矩和 转矩平衡方程式
电枢绕组中流过电流，它与电机磁场相互 作用，将产生电磁力，电枢受到一个电磁 转矩。 1 一根导体受的电磁力 产生的电磁转矩
Ia F j B j j B jl 2 2a 2
2 电枢绕组的电磁转矩
直流电机的负载磁场
电枢磁场分布
直流电机的励磁磁场:
①主磁通路径：所有那些由N极经过气隙 到转子再由另一个气隙返回 S 极的磁通是 直流电机中起有效作用的磁通，称为主磁 通。 ②主磁通的作用：它能在旋转的电枢绕组 中感应出电动势，并和电枢绕组的磁动势 相互作用产生电磁转矩。 ③漏磁通路径和作用：不经过转子的磁通 统称为漏磁通。漏磁通只增加磁极和定子 磁轭的饱和程度，不产生电动势和转矩。