由直流電機(jī)基本工作原理可知，直流電機(jī)無論作發(fā)電機(jī)運(yùn)行還是作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，都必須具有一定強(qiáng)度的磁場(chǎng)，所以磁場(chǎng)是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的媒介。因此，在分析直流電機(jī)的運(yùn)行原理以前，必須先對(duì)直流電機(jī)中磁場(chǎng)的大小及分布規(guī)律等有所了解。
1.直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)
直流電機(jī)不帶負(fù)載(即不輸出功率)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)稱為空載運(yùn)行。空載運(yùn)行時(shí)電樞電流為零或近似等于零，所以，空載磁場(chǎng)是指主磁極勵(lì)磁磁勢(shì)單獨(dú)產(chǎn)生的勵(lì)磁磁場(chǎng)，亦稱主磁場(chǎng)。一臺(tái)四極直流電機(jī)空載磁場(chǎng)的分布示意圖如圖3.14所示，為方便起見，只畫一半。
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（2）直流電機(jī)的空載磁化特性
直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)，要求氣隙磁場(chǎng)每個(gè)極下有一定數(shù)量的主磁通，叫每極磁通(，當(dāng)勵(lì)磁繞組的匝數(shù)Wf一定時(shí)，每極磁通(的大小主要決定于勵(lì)磁電流If。空載時(shí)每極磁通(0與空載勵(lì)磁電流If(或空載勵(lì)磁磁勢(shì)![]()
或![]()
較大時(shí)也出現(xiàn)飽和，如圖3.15所示。為充分利用鐵磁材料，又不致于使磁阻太大，電機(jī)的工作點(diǎn)一般選在磁化特性開始轉(zhuǎn)彎.亦即磁路開始飽和的部分(圖中A點(diǎn)附近)。
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繞組只有一個(gè)整距元件，其軸線與磁極軸線相垂直，如圖3.18所示。該元件有Wc匝。元件中電流為ia，每個(gè)元件的磁勢(shì)為iaWc安匝，由該元件建立的磁場(chǎng)的磁力線分布如圖3.17所示，如果假想將此電機(jī)從幾何中性線處切開展平，如圖3.18所示。以圖中磁力線路徑為閉合磁路，根據(jù)全電流定律可知，作用在這一閉合磁路的磁勢(shì)等于它所包圍的全電流iaWc，當(dāng)忽略鐵磁性材料的磁阻，并認(rèn)為電機(jī)的氣隙均勻時(shí)，則每個(gè)氣隙所消耗的磁勢(shì)為![]()
的矩形波。
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的矩形波，把這許多個(gè)矩形波磁勢(shì)疊加起來，可得電樞磁勢(shì)在空間的分布為一個(gè)以兩個(gè)極距2τ為周期的多級(jí)階梯形波，為分析簡(jiǎn)便起見或者元件數(shù)目足夠多時(shí)，可近似地認(rèn)為電樞磁勢(shì)空間分布為一個(gè)三角形波，三角形波磁勢(shì)的最大值在幾何中性線位置，磁極中心線處為零，如圖3.19所示。
如果忽略鐵心中的磁阻，認(rèn)為電樞磁勢(shì)全都消耗在氣隙上，則根據(jù)磁路的歐姆定律，可得電樞磁場(chǎng)磁密的表達(dá)式為： ![]()
圖3.19直流電機(jī)電樞反應(yīng)磁密分布
由上式可知，在磁極極靴下，氣隙δ較小且變化不大，所以氣隙磁密Bax與電樞磁勢(shì)成正比，而在兩磁極間的幾何中性線附近，氣隙較大，超過Fax增加的程度，使Bax反而減小，所以，電樞磁場(chǎng)磁密分布波形為馬靴形，如圖3.19中曲線3所示。
（3）負(fù)載時(shí)的氣隙合成磁場(chǎng)
如果磁路不飽和或者不考慮磁路飽和現(xiàn)象時(shí)，可以利用疊加原理，將空載磁場(chǎng)的氣隙磁密分布曲線1和電樞磁場(chǎng)的氣隙磁密分布曲線3相加，即得負(fù)載時(shí)氣隙合成磁場(chǎng)的磁密分布曲線，如圖3.19中的曲線4所示。對(duì)照曲線l和4可見：電樞反應(yīng)的影響是使氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變，使半個(gè)磁極下的磁場(chǎng)加強(qiáng)，磁通增加，另半個(gè)極下的磁場(chǎng)減弱，磁通減少。由于增加和減少的磁通量相等，每極總磁通Φ維持不變。由于磁場(chǎng)發(fā)生畸變，使電樞表面磁密等于零的物理中性線偏離了幾何中性線，如圖3.19所示。利用圖3.19可以分析得知，對(duì)發(fā)電機(jī)，物理中性線順著旋轉(zhuǎn)方向(nF的方向)偏離幾何中性線；而對(duì)電動(dòng)機(jī)，則是逆著旋轉(zhuǎn)方向(nD的方向)偏離幾何中性線。
考慮磁路飽和影響時(shí)，半個(gè)極下磁場(chǎng)相加，由于飽和程度增加，磁阻增大，氣隙磁密的實(shí)際值低于不考慮飽和時(shí)的直接相加值；另半個(gè)極下磁場(chǎng)減弱，飽和程度降低，磁阻減小，氣隙磁密的實(shí)際值略大于不考慮飽和時(shí)的直接相加值，實(shí)際的氣隙合成磁場(chǎng)磁密分布曲線如圖3.19中的曲線5所示。由于鐵磁性材料的非線性，曲線5與曲線4相比較，減少的面積大于增加的面積，亦即半個(gè)極下減少的磁通大于另半個(gè)極下增加的磁通，使每極總磁通有所減小。
由以上分析可以知電刷放在幾何中性線上時(shí)電樞反應(yīng)的影響為：
a)使氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變。半個(gè)極下磁場(chǎng)削弱，半個(gè)極下磁場(chǎng)加強(qiáng)。對(duì)發(fā)電機(jī)，是前極端(電樞進(jìn)入端)的磁場(chǎng)削弱，后極端(電樞離開端)的磁場(chǎng)加強(qiáng)；對(duì)電動(dòng)機(jī)，則與此相反。氣隙磁場(chǎng)的畸變使物理中性線偏離幾何中性線。對(duì)發(fā)電機(jī)，是順旋轉(zhuǎn)方向偏離；對(duì)電動(dòng)機(jī)，是逆旋轉(zhuǎn)方向偏離。
b)磁路飽和時(shí)，有去磁作用。因?yàn)榇怕凤柡蜁r(shí)，半個(gè)極下增加的磁通小于另半個(gè)極下減少的磁通，使每個(gè)極下總的磁通有所減小。
