直流电机电枢反应及负载磁场

直流电机空载时励磁磁势单独产生的气隙磁密分布为一平定波，如图5-24（b）所示，负载时，电枢绕组流过电枢电流Ia，产生电枢磁密Fa，与励磁磁势Ff共同建立负载时的气隙磁密，必然会使原来的气隙磁密的分布发生变化。通常把电枢磁势对气隙磁密分布的影响称为电枢反应。

下面先分析电枢磁势单独作用时在电机气隙中产生的电枢磁场，再将电枢磁场与空载气隙磁场合起来可得到负载磁场，与空载磁场相比较，可以了解电枢反应的影响。

1.直流电机的电枢磁场

图5-25表示一台两极直流电机电枢磁势单独作用时产生的电枢磁场分布情况，圈中没有画出换向器，所以把电刷直接画在几何中性线处，以表示电刷是通过换向器与处在几何中性线上的元件边相接触的，由于电刷轴线上部所有元件构成一条支路，下部所有元件构成另一条支路，电枢元件边中电流的方向以电刷轴线为分界。图中设上部元件边中电流为出来，下部原件边电流是进去，由于右手螺旋定则可知，电枢磁势的方向由左向右，电枢磁场轴线与电刷轴线相重合，在几何中性线上，亦即与磁极轴线相垂直。

下面进一步分析电枢磁势和电枢磁场气隙磁密的分布情况。如果假设图5-25所示电机电枢绕组只有一个整距元件，其轴线与磁极轴线相垂直，如图5-26所示。该元件有Nc匝。元件中电流为ia，每个元件的磁势为iaNc安匝。由该元件建立的磁场的磁力线分布如图5-25所示，如果假想将此电机从几何中性线处切开展平，如图5-26所示。以图中磁力线路径为闭合磁路，根据全电流定律可知，作用在这一闭合磁路的磁势等于它所包围的全电流iaNc。当忽略铁磁性材料的磁阻，并认为电机的气隙均匀时，则每个气隙所消耗的磁势为，一般取磁力线自电枢出，进定子时的磁势为正，反之为负，这样可得一个整距绕组元件产生的磁势分布情况如图5-27所示。可以看出一个整距元件所产生的电枢磁势在空间的分布为一个以两个极距2τ为周期、幅值为的矩形波。

图5-25　电刷在几何中性线处的电枢磁场

当电枢绕组有许多整距元件均匀分布于电枢表面时，每一个元件产生的磁势仍是幅值为的矩形波，把这许多个矩形波磁势叠加起来，可得电枢磁势在空间的分布为一个以两个极距2τ为周期的多级阶梯型波。为分析简便起见或者元件数目足够多时，可近似地认为电枢磁势空间分布为一个三角形波，三角形波磁势的最大值在几何中性线位置，磁极中心线处为零，如图5-27所示。

图5-26　绕组元件的磁势

如果忽略铁芯中的磁阻，认为电枢磁势全部消耗在气隙上，则根据磁路的欧姆定律，可得电枢磁场磁密的表达式为

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式中：Fax为气隙中x处的磁势；Bax为气隙中x处的磁密。

由式（5-6）可知，在磁极极靴下，气隙δ较小且变化不大，所以气隙磁密Bax与电枢磁势Fax成正比，而在两磁极间的几何中性线附近，气隙较大，超过Fax增加的程度，使Bax反而减小，所以，电枢磁场磁密分布波形为马靴形，如图5-27中曲线3所示。

图5-27　直流电机电枢反应磁密分布

2.负载时的气隙合成磁场

如果磁路不饱和或者不考虑磁路饱和现象时，可以利用叠加原理，将空载磁场的气隙磁密分布曲线1和电枢磁场的气隙磁密分布曲线3相加，即得负载时气隙合成磁场的磁密分布曲线，如图5-27中的曲线4所示。对照曲线1和4可见：电枢反应的影响是使气隙磁场发生畸变，使半个磁极下的磁场加强，磁通增加；另半个磁极下的磁场减弱，磁通减少。由于增加和减少的磁通量相等，每极总磁通量Φ维持不变。由于磁场发生畸变，使电枢表面磁密等于零的物理中性线偏离了几何中性线，如图5-27所示。利用图5-27可以分析得知，对发电机，物理中性线顺着旋转方向（nF方向）偏离几何中性线；而对电动机，则是逆着旋转方向（nD方向）偏离几何中性线。

考虑磁路饱和影响时，半个磁极下磁场相加，由于饱和程度增加，磁阻增大，气隙磁密的实际值低于不考虑饱和时的直接相加值；另半个磁极下的磁场减弱，饱和程度降低，磁阻减小，气隙磁密的实际值略大于不考虑饱和时的直接相加值，实际的气隙合成磁场磁密分布曲线如图5-27中的曲线5所示。由于铁磁性材料的非线性，曲线5与曲线4相比较，减少的面积大于增加的面积，亦即半个磁极下减少的磁通大于另半个磁极下增加的磁通，使每极总磁通有所减少。

3.电刷在几何中性线上时的电枢反应

由以上分析可知电刷放在几何中性线上时的电枢反应的影响如下：

（1）使气隙磁场发生畸变。半个磁极下磁场加强。对发电机，是前极端（电枢进入端）的磁场削弱，后极端（电枢离开端）的磁场加强；对电动机，则与此相反。气隙磁场的畸变使物理中性线偏离几何中性线。对发电机，是顺时针方向偏离；对电动机，是逆时针方向偏离。

（2）磁路饱和时，有去磁作用。因为磁路饱和时，半个磁极下增加的磁通小于另半个磁极下减少的磁通，使每个极下总的磁通有所减少。