第三章直流电机的的运行原理
第一节直流电机的空载运行
直流电机的空载是指电枢电流等于零时的运行，即发电机出线端没有电流输出，也称为理想空载；当电枢电流近似为零时称为理想空载，即电动机轴上不带机械负载，电枢电流可忽略不计，电动机要达到理想空载需用一原动机拖动转子，使其电枢电流等于零。这时电机内的磁场由励磁绕组的磁动势单独建立。四极直流电机空载时，由励磁电流单独建立的磁场分布如图A3-3a所示。
部分。漏磁通仅交链励磁绕组本身，不进入电枢铁心，
不参与能量转换。主磁通经过主磁极、气隙、电枢铁心
及机座构成磁回路，在气隙中形成主磁场，亦称为气隙
磁场；它同时与励磁绕组及电枢绕组交链，能在电枢绕
组中感应电动势及产生电磁转矩。Φ0和Φfδ虽是由同一
磁动势所建立，但是主磁通Φ0所走的路径（称为主磁
路）的气隙部分小，磁阻小；而漏磁通Φfδ所走的路径
（称为漏磁路）的气隙部分大，磁阻大，所以Φ0要比Φfδ
大得多（Φfδ≈20％Φ0）。
由于主磁极极靴下气隙是不均匀的，在磁极轴线处极靴下气隙最小，气隙磁通密度最大；极尖处气隙较大，靠近极尖处气隙磁通密度逐渐减小；在极靴以外则气隙磁通密度减小得更明显，在两极之间的几何中性线处气隙磁通密度为零。不计电枢齿、槽的影响时，直流电机的空载气隙磁场分布如图1-3-1所示。
第二节直流电机的负载运行
电机负载时，如电动机拖动生产机械运行或发电机发出了电功率，电枢绕组中就有电流通过，电枢绕组电流将产生磁动势，称为电枢磁动势。此时，气隙磁场就由主极磁动势与电枢磁动势两者的合成磁动势所建立。正是这两个磁动势的相互作用，直流电机中才能实现机电能量转换。
一、负载时的电枢磁动势
下面分析电枢磁动势的大小和性质。设电枢表面为光滑，电枢绕组为整距，各导体均
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32 匀地分布在电枢表面。
交轴电枢磁动势 设电刷放在几何中性线上，如图1-3-2所示（实际电机中，电刷放在磁极中心线的换向片上，画示意图时常省去换向器，而把电刷直接放在几何中性线的导体上）。
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或引出，因此电刷是电枢表面上电流分布的分界．．．．．．．．．．．．．．．线．
。在图1-3-2a 中，若电枢上半周的电流为流出，则下半周为流入，根据右手螺旋定则，该电枢磁动势所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，因此当电刷位于几何中性线上时，电枢磁动势是交轴电枢磁动势．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
。 把电枢外圆从几何中性线展开，并画出主极、电刷和导体中电流的方向，如图1-3-2b 所示。以主极轴线和电枢表面的交点处为原点。根据安培环路定律，在一个极距范围内，取一经过距原点为＋x 及－x 的闭合回路。设Z a 为电枢绕组的总导体数，i a 为导体内的电流，D 为电枢外径，则此回路所包含的总电流为
a a 2xZ i f D
=
π (1-3-1)
也就是作用于该闭合回路
的电枢磁动势。设磁路不饱和，并取μ Fe ＝∞，因而可以忽略铁心中的磁压降，则此电枢磁动势将全部消耗在两段气隙上；此时作用在x 点处每段气隙的磁动势f a (x )应为
a a a 21()()2xZ i f x Ax D π==(安/极)， －2
τ≤x ≤ 2τ (1-3-2)
式中，a a
Z i A D
=
π称为电负荷．．．，它是沿电枢表面单位长度上的安培导体数。电枢磁动势沿电枢表面呈三角形分布，在几何中性线处．．．．．．．
，即x ＝τ/2，交轴电枢磁动势达到最大值．．．．．．．．．．．．
A F 2
=
τ
aq (安/极) (1-3-3)
直轴电枢磁动势 若电刷从
图1-3-2 电刷放在几何中性线上时的电枢磁动势和磁场
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几何中性线移过β角（相应的电枢表面弧长为b β），则电枢磁动势的三角形波亦随之移动β角，如图1-3-3a 。此时，可以把电枢磁动势分解为两部分：一部分为τ-2b β范围内的导体电流所产生的交轴电枢磁动势，如图1-3-3b ，其最大值为
)(βaq b A F -2
=τ
(安/极) (1-3-4)
另一部分为由2b β范围内导体电流所产生的直轴电枢磁动势，如图1-3-3c ，其最大值为
βad Ab F =(安/极) (1-3-5) 由此可见，当电刷从几何中性线移过β角时，除产生交轴电枢磁动势外，还产生直轴电枢磁动势。
无论电枢是静止或是旋转，上述分析结果都是正确的。电枢旋转时，组成各支路的线圈虽然在不断轮换，但由于换向器的换向作用，每一支路中线圈的电流方向总保持不变，因此电枢磁动势总在空间静止不动。
二、电枢反应
负载时，电枢磁动势对主极磁场的影响称为电枢反应．．．．。如果电枢磁动势有交轴和直轴分量，就有交轴电枢反应和直轴电枢反应。
交轴电枢反应 若忽略铁心的磁阻，则可得交轴电枢磁场沿电枢表面的分布为
aq aq 0
()()f x b x x =μδ() (1-3-6)
该式表明，b aq (x )与f aq (x )成正比，与气隙长度δ(x )成反比。由于极靴下的气隙较小且基本为均匀，所以极靴下的电枢磁场随电枢磁动势的增大而正比增大；而极间气隙较大，所以极间部分的电枢磁场大为削弱，整个交轴电枢磁场的分布曲线呈马鞍型，如图1-3-4b 所示。不计饱和时，可把主极磁场和电枢磁场叠加，即得到负载时的气隙合成磁场。
下面以直流发电机为例具体分析。由图1-3-4可见，电枢以逆时针方向旋转，由右手定则可知，N 极下导体中的感应电动势方向为从纸面出来⊙，S 极下导体中的感应电动势
方向为进入纸面○×；在发电机中，电枢电流与感应电动势的方向一致，因此图中的⊙和○
×亦代表电枢导体中电流的方向。再利用右手螺旋关系，即可确定交轴电枢磁动势和磁场的方向。例如，在图1-3-4a 中，交轴电枢磁动势的方向应为自左至右，在图1-3-4b 的展开图中，x ＝0→τ的范围内，交轴电枢磁场的方向应为自下向上，即自电枢表面指向主极；在x ＝0→-τ/2
图1-3-4 交轴电枢反应
a ）负载时的合成磁场
b ）交轴电枢磁场和气隙合成磁场分布