一、 直流电机的励磁方式
励磁是指在主磁极的励磁绕组中通入直流电流以建立主磁场。根据励磁电流的来源，即励磁方式的不同，直流电机可分为以下几种，其运行性能也有很大差别。
1. 他励直流电机
- 接线方式：励磁绕组与电枢绕组无电气连接，由一个独立的直流电源（）为其供电。
- 电流关系：
- 电枢电流 等于电机的出线端电流 。
- 励磁电流 由励磁电源电压 和励磁绕组电阻 决定，与电枢回路的电压和电流无关。
值得说明的是，虽然转子是旋转的，但是由于电刷和换向器的作用，转子电流在转子上的分布是不变的，所以转子电流产生的磁场在空间中不旋转，不切割励磁绕组，所以也不产生感应电动势
- 特点：励磁电流独立可调，控制灵活。
- 说明：永磁直流电机由于其磁场由永磁体建立，等效于励磁电流恒定，因此也可视为一种他励电机。
2. 并励直流电机
- 接线方式：励磁绕组与电枢绕组并联，由同一个直流电源供电。
- 电流关系：
- 电机出线端电流 等于电枢电流 与励磁电流 之和。
- 励磁电流 取决于端电压 。
3. 串励直流电机
- 接线方式：励磁绕组与电枢绕组串联，由同一个直流电源供电。
- 特点：励磁绕组匝数少，导线粗，以承受较大的电枢电流。
- 电流关系：
- 电机出线端电流、电枢电流和励磁电流三者相等。
4. 复励直流电机
- 接线方式：主磁极上同时有并励和串励两套励磁绕组。
- 分类：
- 连接方式：
- 长复励：并励绕组与"电枢绕组和串励绕组的串联支路"相并联。此时
- 短复励：并励绕组先与电枢绕组并联，然后再与串励绕组串联。此时 。
- 磁动势关系：
- 积复励：并励磁动势 与串励磁动势 方向相同，总磁动势为两者之和 ()。
- 差复励：并励磁动势 与串励磁动势 方向相反，总磁动势为两者之差 ()。
二、 直流电机空载时的磁场
- 空载状态：指电枢电路中没有电流，即 。
- 空载磁场：此时的气隙磁场仅由励磁绕组的磁动势 单独建立，也称为主磁场。这是一个空间静止磁场。
1. 磁路分析
- 主磁路：磁通 从主极出发，经过气隙、电枢齿、电枢铁心，再经另一侧的气隙回到相邻主极，最后经定子磁轭闭合。这部分磁通同时交链励磁绕组和电枢绕组，是实现机电能量转换的关键。
- 漏磁路：磁通 未穿过电枢，仅通过主极间的空气闭合。这部分磁通不参与能量转换，但会增加主磁路的磁饱和程度。
由于电机磁路对称，每对极的磁场相同，只需分析一对极下磁场
2. 直流电机的磁动势和总磁通
- 每对极的励磁磁动势（MMF）：沿闭合磁路线积分
其中， 为每极励磁绕组匝数， 为空载励磁电流， 为每个气隙侧的磁动势。
- 气隙上的磁压降：忽略铁心磁压降时，主要压降在气隙
- 每极总磁通：由主磁通和漏磁通组成
其中 为漏磁系数，工程上常取 （与结构有关）。
- 含义： 为通过电枢的主磁通， 为不通过电枢的漏磁通；设计与运行分析常以 把漏磁折算到主磁通上以便计算。
3. 磁化曲线
- 定义：描述空载时每极主磁通 与励磁电流 (或励磁磁动势 ) 之间关系的曲线，即 。
- 特点：
- 非线性：由于铁心材料的磁饱和效应， 与 不成正比。
- 气隙线：假设铁心不饱和， 与 呈线性关系，这条直线称为气隙线。
- 饱和系数：，表示产生同样磁通 时，考虑饱和所需励磁电流与不考虑饱和所需励磁电流之比，工作点通常设置在饱和系数为 。
重要结论：磁化曲线仅与电机的尺寸、材料有关，与励磁方式无关。
4. 空载气隙磁密分布
- 分布特点：
- 在主极极靴下，气隙 较小且均匀，磁密较大（），波形顶部较平坦。
- 在主极极靴外，气隙迅速增大，磁密急剧减小。
- 在两极间的几何中性线上，磁密为零。
- 波形：空载气隙磁密 的波形为平顶波。
- 因为在极靴下()，气隙长度是均匀的
- 在极靴外部，气隙长度增大
- 极弧系数：极靴长度比上极矩
- 计算公式：
5. 空载每极主磁通
- 以极弧中心线为原点，沿圆周坐标 ，取极靴下任意一小段宽度 的气隙带。
- 该带所穿过的主磁通微元为
其中 为空载气隙磁密的局部值， 为电机的轴向铁心长度。
- 对单极范围积分（极距为 ，积分限取 ）得每极主磁通：
- 定义该极距内的气隙平均磁密
则
- 物理含义： 正比于"气隙磁密波形 与横轴在一个极距内所围成的面积"以及轴向长度 。当波形近似为平顶波且极靴外区磁密很小，可用近似式
其中 为极靴弧长， 为极靴下近似恒定的磁密。
- 变量说明： 极距。 轴向铁心长度。 极距平均气隙磁密。 为空载气隙磁密分布。 为极弧系数。
三、 直流电机负载时的磁场和电枢反应
当电机带上负载后，电枢绕组中流过电流 ，它也会产生磁动势 和对应的电枢磁场。
1. 负载磁场 - 叠加原理
- 负载时的气隙合成磁场，是励磁磁场 (主磁场) 和电枢磁场线性叠加的结果。
- 励磁磁场轴线称为直轴 (d-axis)，电枢磁场轴线称为交轴 (q-axis)。
上图中，值得说明的是：
- 电刷是电流方向的分界点
- 发电机和电动机的区别仅仅在于电机旋转方向不同
- 主磁场的方向称为直轴；电枢磁场方向（也就是电刷安装的方向）被成为交轴
- 在电刷正确安装的条件下，交直轴磁场一定是相互垂直的
2. 电枢磁场
- 定义：由电枢电流 单独产生的磁场。
- 重要特性：尽管电枢在旋转，但由于换向器和电刷的共同作用，电枢绕组中电流的空间分布形态始终不变（以电刷为分界线），因此电枢磁场是一个空间静止磁场。
基本原理：
任何电机，只有当定、转子磁场相对静止时，才能产生持续的、平均值不为零的电磁转矩。
2.1 电枢磁场的定量模型（依据安培环路定理）
- 设圆周坐标 沿着电枢表面，从电刷中心线（几何中性线）取 ，极距为 ，气隙长度为 。
- 电枢等效"线负荷"（电流线密度）：
其中 为电枢总导体安培数， 为电枢直径。
- 忽略铁心磁压降，安培环路积分得电枢产生的气隙磁压（每侧气隙的磁动势）：
结论：
在一个极距内，电枢磁动势沿 呈线性变化，关于刷区（）成奇对称，在 达峰值。
- 峰值与平均量：
- 电枢场产生的气隙磁密分布（单侧气隙）：
若 在极靴下近似常数，则 在一个极距内为"斜坡波"，在几何中性线处为 0，于极边达正负峰值。
- 峰值近似：
- 波形与物理图像： 为锯齿/三角形奇对称分布， 随之为线性斜坡型。与主磁场 叠加后，极下半区被加强，另一半被削弱，对应图中黑色与红色曲线的畸变关系。
3. 电枢反应
- 定义：电机带负载时，电枢磁动势 对主磁场产生的影响，称为电枢反应。
- 交轴电枢反应：
电刷位于几何中性线上时，电枢磁动势 的轴线（交轴）与主磁场轴线（直轴）正交。
- 直轴电枢反应：
当电刷从几何中性线移开一个角度 时，电枢磁动势 可分解为交轴分量 和直轴分量 。其中直轴分量会产生直轴电枢反应。
4. 交轴电枢反应的影响
- 磁场畸变：使每个磁极下一半的磁场被加强，另一半被削弱。
- 去磁效应： 由于铁心磁路的饱和，磁场加强的部分磁通增加量 小于 磁场削弱的部分磁通减少量，导致每极总磁通 有所减小。这是一种去磁效应。 上图中的蓝色和蓝色虚线的对比就直观的表现了去磁效应
- 中性线偏移：合成磁场的零点（物理中性线）不再与几何中性线重合，而是发生偏移。这会恶化换向。
- 几何中性线：电枢展开图中的几何中点
- 物理中性线：
- 磁极中心线：每个N极和S极的中心位置
- 正面作用：交轴电枢磁场与主磁场的正交，两者作用产生最大的电磁转矩
5. 直轴电枢反应的影响
- 助磁或去磁：直轴分量 与主磁动势 在同一直线上，根据电刷移动方向和运行状态（发电机/电动机），会产生直接的助磁或去磁效应，从而改变每极总磁通。
- 应用 - 弱磁扩速：在电动机调速时，可通过移动电刷或设置专门的去磁绕组，人为产生去磁的直轴电枢反应，减小主磁通，从而在端电压不变的情况下提高电机转速。
四、 电枢反应的补偿
1. 补偿原因
严重的电枢反应会导致磁场严重畸变，极尖下磁密过高，可能使相邻换向片间的电压超过允许限度，引起火花甚至环火，损坏电机。
2. 补偿方法 - 补偿绕组，换向极
- 结构：在主磁极的极靴上开槽，嵌入补偿绕组。极尖部分加入换向极
- 连接：补偿绕组与电枢绕组串联。
- 原理：使补偿绕组中的电流方向与正对它的电枢导体电流方向相反。这样，补偿绕组产生的磁动势正好可以抵消主极下方的电枢磁动势，从而消除该区域的磁场畸变。
- 极下的部分由补偿绕组进行补偿
- 极尖的部分（下图中蓝色凸起处）由换向极进行补偿
