直流发电机中的电枢反应

17 Mar 2025 | 6 分钟阅读

直流发电机

直流发电机是一种通过电磁感应将机械能转化为直流电能的装置。

当连接导体的磁通量发生变化时，就会产生电磁感应电动势（EMF），这就是直流发电机的原理。直流发电机同时具有励磁绕组和电枢绕组。

直流发电机电枢绕组中产生的交流电动势通过安装在发电机轴上的换向器转化为直流电压。虽然直流发电机的励磁绕组安装在定子上，但电枢绕组安装在转子上。

如下图所示，一台单匝单回路直流发电机中的单匝线圈“ABCD”在恒定磁场中以恒定速度顺时针旋转。随着线圈的旋转，连接线圈边“AB”和“CD”的磁通量不断变化。由于磁链的变化，一个线圈边产生的电动势与另一个线圈边产生的电动势相加。

以下描述了直流发电机如何产生电动势

由于线圈边在位置1时运动方向平行于磁通量，因此不产生电动势。
由于线圈边在位置2时与磁通量成一定角度旋转，因此产生少量电动势。
当线圈边在位置3时，与磁通量成90度角运动，产生最大电动势。
当线圈边在位置4时，与磁通量成一定角度切割磁通量，产生的电动势较小。
当线圈位于位置5时，它平行于磁通量运动，并且没有磁通量与线圈边耦合。因此，线圈不产生任何电动势。
位置6是一个极性相反的极，线圈边在其后方通过，从而改变了所产生电动势的极性。在点7处将产生最大的电动势，而在位置1处将没有电动势。这个循环会随着每个线圈的转动而重复。

很明显，线圈产生的电动势是交变的。这是因为，当一个线圈边（例如AB）在N极影响下时，电动势方向为一个方向，而在S极影响下时，电动势方向为另一个方向。因此，当负载连接到发电机端子时，可以通过负载流过交变电流。现在可以通过使用换向器将环中产生的交变电动势改变为直流电压。

“电枢磁场”是指通过电枢导体产生的电流所形成的磁场。该电枢磁场会扭曲和削弱主极产生的磁场。电枢磁场与主磁场之间的这种相互作用称为电枢反应。

考虑一台空载的两极发电机。此时，电枢导体中没有电流流过。在这种情况下，机器中只有由主极产生的气隙磁通（φ_m）。该气隙磁通相对于极轴的分布是对称的（即场极的中心线）。

磁其中性轴（MNA），即垂直于磁通轴的平面，与几何中性轴重合。MNA也称为换向轴，因为电刷始终位于其上。

考虑一个没有励磁线圈电流流过的电枢。使用螺旋规则来确定通过电枢导体电流产生的磁通方向。参考图示，在N极下的导体中，电流垂直纸面流入。因此，N极下的导体产生向下的磁通。

同理，S极下的导体将电流从纸面移出。此外，这些导体也产生了向下的磁通。因此，整个电枢导体通过电枢产生一个向下的磁通。这个磁通被称为电枢磁通（φ_A）。

本例演示了电枢和励磁电流的同时作用。因此，机器内部存在两种磁通：一种由发电机的主磁场极产生，另一种由流过电枢导体的电流产生。合成磁通（φ_R）是由这两种磁通组合而成的。

从上面的解释可以看出，作用在电枢上的气隙磁通发生了位移和扭曲。这种扭曲导致S极的下极尖和N极的上极尖的磁通密度增加。在N极的下极尖和S极的上极尖，磁通密度也在下降。因此，合成磁通的路径已改变，与发电机的旋转方向一致。

MNA也发生了位移，因为它始终垂直于合成磁通轴。由于铁芯的非线性行为和饱和，一个极尖处的磁通增加小于另一个极尖处的磁通减少。因此，气隙磁通有所减小。结果，随着负载的增加，产生的电动势（Eg ∝ Nφ_m）减小。

直流发电机中的电枢反应会导致以下不利影响。

可以使用不同的技术来减小电枢反应问题。

使用这种技术，旋转电刷机构，直到它位于中性区的正确位置。此方法只能用于固定负载的电流。

在此过程中，必须改变励磁极尖，以便高磁阻通道可以防止在高磁通量发生在极尖上。

通过在直流发电机的极间插入一系列换向极，可以减小电枢反应的影响。换向极的极性必须与旋转方向上其正前方的极的主极极性相匹配。为了使相关的磁通与负载电流一起变化，换向极绕组与电枢串联连接。

由于重载活动，电枢反应发生剧烈变化。这些发电机中的电枢磁通不能被换向极充分中和。因此，使用补偿绕组来解决这个问题。

补偿绕组是插入主极槽中的辅助绕组。补偿绕组与电枢串联连接，使得通过任一极面上的补偿导体的电流方向与相邻电枢导体的电流方向相反。因此，补偿绕组产生一个等于电枢磁通且方向相反的磁通，从而完全抵消了电枢反应。

通过使用与正在换向的换向器部分强的电刷接触电阻，可以避免电弧。让我们看一下如何做到这一点。

想象一个电刷与线圈“A”的段1相互作用，该线圈有两个换向器段。当在下面的图(a)中看到时，当段2靠近电刷时，一部分电流I以正向通过线圈“A”。

. 在图(b)中，当电刷位于两个段之间时，线圈“A”中没有电流流过。在图(c)的插图中，当段1离开电刷时，电流现在以相反的方向流动。

当段2完成过程并接触电刷时，线圈A中的电流增加。为了使电流在电刷到达段2时在线圈A中完全反向，如图(d)所示。在电流完全反向期间，在段1的表面上与电刷之间会产生火花。

因此，通过增加电刷接触电阻（使用带段的碳刷），可以避免在电流反向期间产生火花。接触电阻的设置方式是使电刷具有高电阻，而换向器段的接触面积减小（如上图(c)中的段1）。