直流电机中的电枢反应

什么是直流电机？

使用一种称为直流电机的机电设备，可以将电能转换为机械能，或反之。

直流电机，有时也称为直流电动机或直流发电机，分别将电能转换为机械能，并将机械能转换为电能。同一设备可以充当发电机或电动机。直流发电机和直流电动机都具有相同的结构。

直流电机工作原理

直流电机运行的基础是在磁场中放置载流导体线圈时产生的转矩。该转矩导致导体线圈在磁场中旋转。要确定此产生的转矩的方向，请使用弗莱明左手定则。以下是计算出的感应力。

其中，

F = 感应力的大小

• B = 磁通密度
• I = 电流
• L = 导体的长度

直流电机中的电枢反应

在直流电机中，碳刷始终放置在磁表中性轴上。在空载状态下，几何中性轴和电磁中性轴重合。因此，当电机带负载运行时，其电枢磁通呈三角波结构，并沿极间轴（磁极之间的轴）定向。结果，主磁场发生交叉磁化，并且电刷轴成为电枢电流流动的方向。由于交叉磁化效应，当电机运行时，磁通在超前极尖处集中，当发电机运行时，磁通在滞后极尖处集中。

“电枢反应”一词是指电枢磁通如何影响主磁通。在直流电动机中，合成磁通在超前极的尖端处更强，在滞后极的尖端处更弱。

什么是超前极尖和滞后极尖？

超前极尖是电枢导体进入影响的极尖，而滞后极尖是相反方向上的相对极尖。例如，如果电机在上面的图中逆时针旋转，北极的下尖将是超前极尖，南极的尖将是超前极尖。如果运动反向（如发电机），则极尖会交换。由于交叉磁化，在直流发电机负载下，磁中性轴沿旋转方向移动，在直流电动机中则沿相反方向移动。如果电刷保留在原来的位置，发电机或电动机产生的电动势将减小，导致换向期间产生严重火花。这是因为只有电刷线圈会受到换向的影响，并且相对极会影响换向线圈（改变其位置从北极到南极或反之）。

因此，电流方向会迅速从+i变为-i或反之。结果，线圈会遇到非常高的电抗电压（L* di/dt），它会通过发热和火花逸出，从而损坏电刷和换向器部分。采用以下技术来减轻上述负面影响并改善机器的性能。

电刷位移

可以以减小磁通之间的气隙的方式移动电刷，例如，对于发电机作用，沿旋转方向移动；对于电动机作用，沿与旋转方向相反的方向移动。这将提高电机的速度，并降低发电机中感应的电压。由此产生的去磁磁动势（mmf）由以下公式提供：

F=NI

其中，N - 感应线圈的匝数

I - 电流

电刷位移受到严格限制，因此，如果负载、旋转方向或运行模式发生变化，则必须将电刷移动到新的位置。因此，只有非常小的机器才能使用电刷位移。电刷也固定在此位置，该位置对应于正常负载和运行模式。这些缺点使得此策略通常不那么受欢迎。

换向极

由于电刷位移的限制，几乎所有中型和大型直流电机现在都使用换向极。换向极是位于极间轴上的细长极。对于发电机作用，后一个极将是即将旋转的极；对于电动机作用，后一个极是发电机作用后将要旋转的极。换向极的目的是平衡极间轴上的电枢反应磁动势。由于换向极和电枢串联连接，当电枢电流反向流动时，换向极的方向也会改变。

这是因为电枢反应的磁动势方向在极间轴上。换向电压会完全抵消电抗电压（L di/dt），该电压也提供给正在换向的线圈。因此，可以防止火花。

换向极绕组承载电枢电流，并且无论负载、旋转方向或运行模式如何，它们都始终与电枢串联，因此能正常工作。为了确保它们仅影响正在换向的线圈，并且其影响不扩展到其他线圈，换向极做得较小。为了防止饱和并提高响应速度，换向极的基部做得更宽。

补偿绕组

直流设备的换向困难并非唯一问题。在重载运行时，交叉磁化的电枢反应可能导致发电机和电动机的超前极尖和滞后极尖处的磁通密度非常高。

由于该线圈位于换向区域（电刷处）附近，而换向过程可能已经导致该区域的空气温度很高，因此该线圈可能会产生足够高的感应电压，从而导致相关相邻换向器段之间发生闪络。

这种闪络可能会影响相邻的换向器段，并最终引发一场全面火灾，火势会从电刷蔓延到整个换向器表面。当机器承受快速变化的负载时，机器两端的电压 L* di/dt 也可能增加到足够高的值，导致相邻换向器段之间发生闪络。由于线圈的电感最大，这将从极芯开始。这可能会导致与上述类似的火灾。当负载从发电作用变为电动机作用时，这个问题会更严重，因为感应电动势和电压 L di/dt 会相互支持。

补偿绕组由植入极面的平行于轴线的导体组成，这些导体承载的电枢电流方向与该极弧下方的电枢导体方向相反。主磁场已得到完全补偿。电枢电路中的电感也得到减小，从而提高了系统响应速度。无论负载、旋转方向或运行模式如何，补偿绕组都能正常工作。自然，它有助于换向，因为换向极绕组无需承担补偿极弧下电枢磁动势的责任。

补偿绕组的主要问题

1. 在插入或重载的大型机器中
2. 小型电机容易发生突然反向和快速加速。

注意事项

1. 位于极弧下方的电枢导体主要负责交叉磁化的电枢反应效应。这种电枢反应效应可能导致发电机在高负载下（电动机中）的超前极尖和滞后极尖处的磁通密度增加。由于极靴饱和，磁通密度的增加可能小于极靴剩余部分的磁通密度降低。这最终会导致每极磁通净减少。由于使用了补偿绕组，这种现象有时被称为交叉磁化电枢反应的去磁效应。
2. 电枢绕组与补偿绕组和换向极绕组串联连接，这些绕组位于电枢的相对两侧。
3. 换向极绕组的主要作用是改善换向过程，而补偿绕组的作用是弥补净气隙磁通的变化，使其保持恒定。