直流电机磁场

电机的主磁场一般由套在主极铁心上的励磁绕组通过电流产生。

励磁绕组与电枢回路之间的连接方式有：他励、并励、串励、复励。

不同的励磁方式对电机的性能将产生较大的影响。

直流电机空载时的磁场由励磁绕组单独激励，其分布取决于磁路的情况。

一般情况下，直流电机的空载磁通密度分布呈平顶波。

当直流电机负载时，电枢绕组绕组中的电枢电流将产生电枢磁势，电枢磁势对主磁场的分布和主磁通的大小将产生一定的影响，这种影响称为电枢反应。

交轴电枢反应将使主磁场发生畸变，当磁路饱和时会对主磁场产生去磁作用。

当电刷偏离几何中性线时，还将产生去磁或者增磁的直轴电枢反应。

发电机和电动机是直流电机的两种运行状态。

在两种状态下，电枢绕组中均产生感应电势。

感应电势的公式Ea=CeΦn表明感应电势的大小正比于转速及每极磁通。

在发电机中Ea>U，在电动机中U>Ea。

同样，直流发电机和电动机中均存在电磁转矩。

其公式T=CTΦIa表明电磁转矩的大小正比于电枢电流和每极磁通。

在发电机中，电磁转矩是阻力转矩，在电动机中电磁转矩是拖动转矩。

直流电机的电势平衡方程反映了电机电路中各种量之间的关系。

功率平衡方程表明了输入功率、输出功率和各种损耗之间的关系。

电磁功率PM=TΩ=EaIa显示了机械功率和电磁功率之间的转换关系。

1.4直流电机的磁场（返回顶部）
直流电机中除主极磁场外，当电枢绕组中有电流流过时，还将会产生电枢磁场。

电枢磁场与主磁场的合成形成了电机中的气隙磁场，它是直接影响电枢电动势和电磁转矩大小的。

要了解气隙磁场的情况，就要先分析清楚主磁场和电枢磁场的特性。

1.4.1 直流电机的空载磁场（返回顶部）
直流电机的空载是指电枢电流等于零或者很小，且可以不计其影响的一种运行状态，此时电机无负载，即无功率输出。

所以直流电机空载时的气隙磁场可以看作就是主磁场，即由励磁磁通势单独建立的磁场。

当励磁绕组通入励磁电流，各主磁极极性依次呈现为极和极，由于电机磁路结构对称，不论极数多少，每对极的磁路是相同的，因此只要分析一对极的磁路情况就可以了。

图1.16是一台四极直流电机空载时的磁场分布示意图（一对极的情形）。

从图中看出，由极出来的磁通，大部分经过气隙进入电枢齿部，再经过电枢磁轭到另一部分的电枢齿，又通过气隙进入极，再经过定子磁轭回到原来出发的极，成为闭合回路。

这部分磁通同时匝链着励磁绕组和电枢
绕组，电枢旋转时，能在电枢绕组中感应电动势，或者产生电磁转矩，把这部分磁通称为主磁通，用φ
表示。

此外还有一小部分磁通不进入电枢而直接经过相邻的磁极或者定子磁轭形成闭合回路，这0
部分磁通仅与励磁绕组相匝链，称为漏磁通，用φ表示。

由于主磁通磁路的气隙较小，磁导较大，
漏磁通磁路的气隙较大，磁导较小，而作用在这两条磁路的磁通势是相同的，所以漏磁通在数量上比主磁通要小得多，大约是主磁通的20%左右。

图1.16直流电机空载时的磁场分布示意图
1—极靴；2—极身；3—元子磁轭；4—励磁绕组；5—气隙；6—电枢齿；7—电枢磁轭
由于主磁极极靴宽度总是比一个极距要小，在极靴下的气隙又往往是不均匀的，所以主磁通的每条磁力线所通过的磁回路不尽相同，在磁极轴线附近的磁回路中气隙较小；接近极尖处的磁回路中气隙较大。

如果不计铁磁材料中的磁压降，则在气隙中各处所消耗的磁通势均为励磁磁通势。

因此，在极靴下，气隙小，气隙中沿电枢表面上各点磁密较大；在极靴范围外，气隙增加很多，磁密显著减小，至两极间的几何中性线处磁密为零。

不考虑齿槽影响时，直流电机空载磁场的磁密分布如图1.17所示。

图1.17直流电机空载磁场的磁密分布
在直流电机中，为了感应电动势或产生电磁转矩，气隙里要有一定数量的主磁通φ
，也就是需要有一定的励磁磁通势，或者当励磁绕组匝数一定时，需要有一定的励磁电流。

把空载时主磁通
φ
0与空载励磁磁通势或空载励磁电流的关系，即φ
=或φ
=，称为直流电机
的磁化曲线，它表明了电机磁路的特性。

电机的磁化曲线可通过电机磁路计算来得到。

直流电机磁路计算内容是：已知气隙每极磁通为φ
，求出直流电机主磁路各段中的磁压降，各段磁
压降的总和便是励磁磁通势。

对于给定的不同大小的φ
0用同一方法计算，得到与φ
相应的不
同，经多次计算，便得到了空载磁化曲线φ。

直流电机主磁通的磁回路从图1.16中可看出主要包括这样几段：两段主磁极、两段气隙、两段电枢
齿部、电枢磁轭、定子磁轭。

对于每一段磁路，都是根据已知的φ
，算出磁密B，再找出相应的磁场
强度H，分别乘以各段磁路长度后便得到磁压降。

气隙部分的磁导率是常数，不随φ
而变，或者说
气隙磁压降与φ
成正比。

但其它各段磁路，都是铁磁材料构成，它们的B与H之间是非线性关系，
具有磁饱和的特点，也就是说它们的磁压降与φ
0不成正比，也具有饱和现象，当φ
大到一定程度后，
出现饱和，φ
0再增大，H或磁压降就急剧增大。

因此，造成了直流电机φ
大到一定程度后，磁路总
磁压降即励磁磁通势急剧增大，电机的磁化曲线具有饱和现象，如图2.18所示。

图1.18电机的磁化曲线
考虑到电机的运行性能和经济性，直流电机额定运行的磁通额定值的大小取在磁化曲线开始弯曲的地
方（称为膝部），如图1.18中的a点（称为膝点），对应的φ
N
系指在空载额定电压时的每极磁通，
对应的励磁磁通势为F
fN。

1.4.2 直流电机负载时的磁场和电枢反应（返回顶部）
当电机带上负载后，电枢绕组中就有电流流过，在电机磁路中，又形成一个磁通势，这个磁通势称为电枢磁通势。

因此，负载时的气隙磁场将由励磁磁通势和电枢磁通势共同作用所建立。

电枢磁通势的出现，必然会影响空载时只有励磁磁通势单独建立的磁场，有可能改变气隙磁密分布及每极磁通量的
大小。

通常把负载时电枢磁通势对主磁场的这种影响称为电枢反应，电枢反应对直流电机的运行性能影响很大。

电枢磁通势如何影响电机中的主磁场呢？
下面先分析清楚电枢磁通势和电枢磁场的特性，然后把两种磁场合成起来，再考虑到饱和问题，就可以看清楚电枢磁通势对主磁场的影响了。

1．电枢磁通势和电枢磁场
电枢磁通势是由电枢电流所产生的，从对电枢绕组的分析可知，不论什么型式的绕组，其各支路中的电流是通过电刷引入或引出的。

在一个极下元件边中电流方向是相同的，相邻的不同极性的磁极下元件边中电流方向总是相反的。

因此，电刷是电枢表面电流分布的分界线。

在电枢磁通势的作用下，电刷在几何中性线上时的电枢磁场分布如图1.19所示。

图1.19电刷在几何中性线上时的电枢磁场分布
由于电刷和换向器的作用，尽管电枢是旋转的，但是每极下元件边中的电流方向是不变的，因此电枢磁通势以及由它建立的电枢磁场是不动的。

电枢磁场的轴线总是与电刷轴线重合，并与励磁磁通势产生的主磁场轴线相互垂直。

现在研究电枢磁通势的大小和电枢磁场的磁密沿电枢表面分布的情况。

首先讨论一个元件所产生的电枢磁通势。

设电枢槽内仅嵌放一个元件，该元件轴线（即元件的中心线）与磁极轴线垂直，即元件边位于磁极轴线上，如图1.20（a）所示。

元件有匝，元件中的电流为，则元件边所产生的磁通势为安培导线数。

由该元件所建立的磁场的磁力线的路径如图1.20（a）所示。

设想将电机从处切开，
展平如图1.20（b）所示。

根据全电流定律可知，每个磁回路的磁通势均为。

每根磁力线通过两次气隙，若不计铁磁材料中的磁压降，则磁通势全部消耗在气隙中。

在直流电机中，与磁极轴线等
距离处的气隙大小相等，所以磁力线通过一次气隙所消耗的磁通势则为磁力线所包围的全电流的一半，即1/2。

若以几何中性线为纵轴，电枢周长为横轴，但规定磁通势方向与磁力线方向一致，即
正磁通势表示由它产生的磁通方向从电枢到主磁极，负磁通势则为从主磁极到电枢。

作这些规定后，一个元件所消耗于气隙的磁通势的空间分布为
（1.15）将式（1.15）用曲线形式表示，如图1.20（b）中所示。

从图中看出，一个宽度为一个极距的元件所产生的电枢磁通势在空间的分布为一个以2为周期，幅值为1/2的矩形波。

图1.20一个元件所产生的电枢磁通势
a)磁力线分布 b）磁通势分布
若电枢表面均匀分布四个元件，如图1.21所示。

根据上面分析，每个元件的磁通势空间分布均为一个高为1/2、宽度为的矩形波。

把这样的四个矩形波叠加起来，可得一个每级高度为、阶梯级数为2的阶梯形波。

图1.21四个元件所产生的电枢磁通势
如果电枢表面均匀分布的元件数目较多，那么总的电枢磁通势波形会接近图1.21中所表示的三角形波。

由于实际电机中，电枢上元件很多，可近似地认为电枢磁通势分布波形为一三角形波，其轴线即位于三角形的顶点上。

设为电枢绕组的总导线数，为元件数，为极对数，为极距，为电枢直径，则阶梯级数为，且阶梯形波或三角形波的幅值为
（1.16）
把和代入式（2.16）得
（1.17）
式中——电枢表面单位长度上的安培导体数，称为线负荷（A/m）。

知道了电枢磁通势分布曲线，在忽略铁心中磁阻的情况下，即可求出电枢磁场的磁密沿电枢表面的分布曲线。

这条曲线表示为
（1.18）
式中——气隙长度（m）；
——真空中的磁导率，。

如果气隙是均匀的，即为常数，则在极靴范围内，磁密分布也是一条直线。

但在两极极靴之间的
空间内，因气隙长度大为增加，磁阻急剧增加，虽然此处磁通势较大，磁密却反而减小，因此磁密分布曲线是马鞍形，如图1.22中所示。

图1.22磁场分布和电枢反应
2．负载时的合成磁场和电枢反应
以直流电动机为例，把主磁场与电枢磁场合成，将合成磁场与主磁场比较，便可看出电枢反应的作用。

在图2.22中，表明了磁极极性和极下元件边中的电流方向。

根据左手定则，决定转动方向为由右向左。

再按磁力线方向与磁通势方向一致的原则，分别画出主磁场分布曲线及电枢磁场分布曲线。

若磁路不饱和，可用迭加原理，将沿电枢表面逐点相加，便得到负载时气隙内合成磁场分布曲线（如图2.22中实线所表示）。

将和比较，得出：
（1）使气隙磁场发生畸变。

每一磁极下，因为电枢磁场使主磁场一半被削弱，另一半被加强，并使电枢表面磁密为零的位置由空载时在几何中性线逆转向移动了一个角度。

称通过电枢表面磁密为零的这条直线为物理中性线。

故在空载时，物理中性线与几何中性线重合；负载时，由于电枢反应的影响，气隙磁场发生畸变，物理中性线与几何中性线不再重合，而且磁场的分布曲线也与空载时不同。

（2）对主磁场起去磁作用。

在磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量恰好等于被加强的数量（图2.22中表示出面积），因此负载时每极下的合成磁通量与空载时相同。

但在实际电机中，磁路总
是饱和的。

因为在主磁极两边磁场变化情况不同，一边是增磁的，另一边是去磁的。

主极的增磁作用会使饱和程度提高，铁心磁阻增大，从而使实际的合成磁场曲线（图中用虚线表示）比不计饱和时要低些，与不饱和时相比，增加的磁通要少些；主极的去磁作用可使饱和程度降低，铁心磁阻减小，结果使实际的合成磁场曲线（图中用虚线表示）比不计饱和时略高些，与不饱和时相比，减少的磁通要少些。

由于磁阻变化的非线性，磁阻的增大比磁阻的减小要大些，增加的磁通就会小于减少的磁通（图
2.22中表示出面积＜)，因此负载时合成磁场每极磁通比空载时每极磁通略有减少，这就是电枢反应的去磁作用。

总的来说，电枢反应的作用不仅使电机内气隙磁场发生畸变，而且还会呈去磁作用。

1.4.3 直流电机的励磁方式（返回顶部）
直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的问题。

根据励磁方式的不同，直流电机可分为下列几种类型。

1．他励直流电机
励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机称为他励直流电机，接线如图1.23（a）所示。

图中M表示电动机，若为发电机，则用G表示。

永磁直流电机也可看作他励直流电机。

2．并励直流电机
并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联，接线如图1.23（b）所示。

作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同。

3．串励直流电机
串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，接线如图1.23（c）所示。

这种直流电机的励磁电流就是电枢电流。

4．复励直流电机
复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组，接线如图1.23（d）所示。

若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。

若两个磁通势方向相反，则称为差复励。

不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。

一般情况直流电动机的主要励磁方式是并励式、串励式和复励式，直流发电机的主要励磁方式是他励式、并励式和和复励式。

图1.23直流电机的励磁方式
a)他励； b)并励； c)串励； d）复励
第1章直流电机原理
摘要：本章分析直流电机的工作原理、结构、电路、磁路及换向等问题，为电力拖动自动控制系统提供元件的基本知识。

1.5直流电机的换向（返回顶部）
1.5.1 直流电机的换向问题和换向极绕组（返回顶部）
通过对直流电机电枢绕组的分析知道，当电枢旋转时，组成电枢绕组的每条支路里所含元件数目是不变的，但组成每条支路的元件都在依次循环地更换。

一条支路中的某个元件在经过电刷后就成为另一条支路的元件，并且在电刷的两侧，元件中的电流方向是相反的，因此直流电机在工作时，绕组元件连续不断地从一条支路退出而进入相邻的支路。

在元件从一条支路转入另一条支路这个过程中，元件中的电流就要改变方向，这就是所谓直流电机的换向问题。

换向问题是换向器电机的一个专门问题，如果换向不良，将会在电刷与换向片之间产生有害的火花。

当火花超过一定程度，就会烧坏电刷和换向器表面，使电机不能正常工作。

此外，电刷下的火花也是一个电磁波的来源，对附近无线电通讯有干扰。

国家对电机换向时产生的火花等级及相应的允许运行状态有一定的规定。

读者可参阅我国有关国家技术标准。

产生火花的原因是多方面的，除电磁原因外，还有机械的原因，换向过程中还伴随有电化学、电热等因素，它们互相交织在一起，所以相当复杂，至今还没有完全掌握其各种现象的物理实质，尚无完整的理论分析。

就电磁理论方面看，换向元件在换向过程中，电流的变化必然会在换向元件中产生自感电动势。

此外，因电刷宽度通常为2~3片换向片宽，同时换向的元件就不止一个，换向元件与换向元件之间会有互感电动势产生。

自感电动势和互感电动势的合成称为电抗电动势。

根据楞次定律，电抗电动势的作用是阻止电流变化的，即阻碍换向的进行。

另外电枢磁场的存在，使得处在几何中性线上的换向元件中产
生一种切割电动势，称为电枢反应电动势。

根据右手定则，电枢反应电动势也起着阻碍换向的作用。

因此，换向元件中出现延迟换向的现象，造成换向元件离开一个支路最后瞬间尚有较大的电磁能量，这部分能量以弧光放电的方式转化为热能，散失在空气中，因而在电刷与换向片之间出现火花。

从产生火花的电磁原因出发，要有效地改善换向，就必须减小、甚至抵削换向元件中的电抗电动势和电枢反应电动势。

目前最主要的方法是在主磁极之间装设换向极。

由于换向元件中的电抗电动势和电枢反应电动势均与电枢电流成正比，所以换向极绕组中应通以电枢电流，即换向极绕组与电枢绕组串联。

换向极绕组一般用截面较大的矩形导线绕成，而且匝数较少。

换向极绕组产生的磁通势的方向与电枢磁通势的方向相反，大小比电枢磁通势大。

这样换向极磁通势除抵削电枢磁通势在几何中性线处的作用外，剩余的磁通势在换向元件里产生感应电动势，这个电动势抵消换向元件中的电抗电动势。

只要换向极设计和调整得合适，就能保证换向元件中总电动势接近于零，电机的换向就比较顺利了，使负载运行时电刷与换向器之间基本上没有火花。

图2.24表示了一台直流电机换向极绕组的联接与换向极的极性布置。

在直流电动机中，换向极极性应和换向元件边
刚离开的那个主磁极极性一样，其排列顺序为、、、（、为换向极极性），而在直流发电机中，应与将进入的那个主磁极极性相同，其排列顺序为、、、。

图1.24换向极绕组联接与极性
1.5.2 直流电机的补偿绕组（返回顶部）
在直流电机中，除了上述的电磁性火花外，有时还因某些换向片的片间电压过高而产生的所谓电位差火花。

在换向不利的条件下，电磁性火花与电位差火花连成一片，在换向器上形成一条长电弧，将正、负电刷连通，如图2.25所示。

这种现象称为“环火”，是一种十分危险的现象，它不仅会烧坏电刷和换向器，而且将使电枢绕组受到严重损害。

图1.25环火
为了防止电位差火花和环火，在大容量和工作繁重的直流电机中，在主磁极极靴上专门冲出一些均匀分布的槽，槽内嵌放补偿绕组，如图1.26所示。

补偿绕组与电枢绕组串联，并使补偿绕组磁通势与电枢磁通势相反，以保证在任何负载下电枢磁通势都能被抵削，从而减少了因电枢反应而引起气隙磁场的畸变，也就减少了产生电位差火花和环火的可能性。

但是装置补偿绕组使电机的结构变得复杂，成本较高，所以一般直流电机不采用，仅在负载变动大的大、中型电机中才用。

还应指出的是环火的发生除了上述的电气原因外，因换向器外圆不圆，表面不干净也可能形成环火，因此加强对电机的维护工作，对防止环火的发生有着重要作用。

图1.26补偿绕组
小结（返回顶部）
直流电机的工作原理是建立在电和磁相互作用的基础上。

直流电机以及其他旋转电机都是实现机电能量转换的装置。

为此必须熟练地应用所学过的基本电磁定律，结合电刷和换向器的作用去理解，并且充分注意到直流电机中外电路的电压（电动势）和电流都是直流电性质的，而每个元件的电压（电动势）和电流都是交变性质的。

任何类型的旋转电机都由定子部分和转子部分组成，在这两部分之间存在着一定大小的气隙，使电机中磁场和电路能发生相对运动。

直流电机的主要结构部件除定子部分的主磁极和转子部分的电枢外，还有一些其他主要的部件，如换向器。

这些主要的结构部件有其结构形式和作用。

额定值是保证电机可靠地工作并具有良好性能的依据。

尤其对应用人员，要充分理解额定值的涵义，以便合理地选择和使用电机。

直流电机的额定值有额定功率、额定电压、额定电流、额定转速和额定励磁电流等。

电枢绕组是直流电机的主要电路部分，是实现机电能量转换的枢纽。

直流电机的电枢绕组是由许多完全相同的元件按一定的规律排列和联接起来的一种闭合绕组。

单叠绕组和单波绕组是两种基本型式。

从构成电枢电路的支路来看，单叠绕组中上层边处于同一磁极下的元件串联构成一条支路，而单波绕组则是将上层边处于相同极性磁极下的所有元件串联构成一条支路，虽然电枢在转动，每个瞬时构成支路的元件在更换，但电枢绕组通过电刷并联的支路数总是不变的。

因此，单叠绕组的支路对数始终等于极对数，即，而单波绕组的支路对数与极对数无关，永远等于1，即。

电机的磁场是机电能量转换的媒介，不仅需要理解电机的磁场是怎样产生的，而且更重要的是理解其性质。

直流电机的磁场由励磁磁通势和电枢磁通势共同产生，属于双边励磁的电机。

因此存在电枢磁通势对气隙磁场的影响，即所谓电枢反应。

电枢反应的作用不仅使气隙磁场发生畸变，而且还会呈一定的去磁作用。

电枢反应对直流电机的运行性能影响很大。

换向是直流电机在制造和运行中必须予以重视的问题。

特别是在运行中需经常观察直流电机的换向是否良好。

不良换向将会使电机遭到损坏。

换向过程是相当复杂的，至今还未完全掌握其各种现象的物理实质，主要的电磁现象在于换向元件中存在两种电动势（即电抗电动势和电枢反应电动势）阻碍电流变化，导致换向延迟。

当换向元件离开一条支路最后的瞬间具有一定的电磁能量释放出来，可能产生火花。

改善换向的主要方法是装设换向极。

换向极绕组通以电枢电流，使换向极磁通势不仅抵削在几何中性线处作用的电枢磁通势，而且产生换向极电动势去抵削电抗电动势。

为了防止电位差火花与环火，在大容量和工作繁重的直流电机中，在主磁极极靴上嵌放补偿绕组。