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