直流电动机中的电枢反应是指运行过程中电枢绕组通电产生的磁场(电枢磁场)对电动机主磁场(主磁极产生的磁场)的影响。
这种影响会改变主磁场的分布、强度和方向,从而影响电机的性能(如换向、转速、输出转矩等)。
1、核心背景:直流电机的两个磁场
要理解电枢反应,首先需要明确直流电机运行过程中存在的两个独立磁场:
主磁场(主极磁场)
电动机定子上的主磁极(通常为永磁体或直流励磁绕组)产生电动机内进行能量转换的“基本磁场”。
理想状态下,主磁场沿电机气隙(定子与转子之间的间隙)呈梯形对称分布,磁场方向由N极指向S极。
电枢磁场(转子磁场)电枢是电动机的转子部分,电枢绕组缠绕在其上。
当在电枢绕组中通入直流电(电动机运转时)或因转子旋转切割主磁场而产生感应电流(发电机运转时)时,电枢绕组就会产生自己的磁场,即电枢磁场。
电枢磁场的方向可用右手螺旋定则确定:四根手指弯曲的方向为电流方向,拇指指向磁场N极方向。
其分布特点是:磁场轴垂直于主磁场轴(称“横轴磁场”),沿电枢圆周对称分布。
2、电枢反应对铁心的影响:主磁场的畸变和减弱
电机气隙中电枢磁场与主磁场叠加,导致主磁场原有分布被破坏,对铁心的影响可分为两点:
1.主磁场发生“畸变”(distortion)
理想的主磁场是对称的,但电枢磁场会对主磁场产生“推拉”作用:
在主磁极的前极尖(电机旋转方向的磁极尖),电枢磁场与主磁场方向相同,导致该位置气隙磁场增强;
在主磁极的后极尖(旋转磁极的末端)处,电枢磁场与主磁场方向相反,导致该处的气隙磁场减弱。
最终导致主磁场的对称分布被打破,磁场轴线发生偏移(偏离主磁极轴线),这种现象被称为“磁场畸变”。
2、整体主磁场“减弱”(仅存在于直流电机)
对于直流电动机来说,电枢电流的方向与感应电动势的方向相反,电枢磁场不仅会产生正交分量,而且还会产生与主磁场方向相反的“直轴去磁分量”,导致主磁场整体强度略有减弱。
3、电枢反应的危害:影响电机性能和可靠性
电枢反应并非“有益现象”,其直接危害主要体现在两个方面:
倒车困难,产生火花
磁场畸变会在电枢绕组(正在从一个支路切换到另一个支路的绕组线圈)的“换向元件”中引起感生电动势(称为无功电动势),导致换向时电刷与换向器之间产生电火花。
火花不仅会磨损电刷和换向器,缩短电机的使用寿命,严重时还可能引起环火(火花形成电弧),烧坏电枢绕组。
电机运行性能下降
磁场畸变导致电机运行时产生“附加扭矩”,引起转速波动、振动和噪声;
主磁场减弱会导致电动机输出转矩减小、转速增加(特性软化)或发电机输出电压降低。
四、削弱电枢反应的关键措施
为了减少电枢反应的危害,工业上通常采取以下技术措施:
安装“补偿绕组”
在主磁极的极靴上绕制一组与电枢绕组串联的补偿绕组,产生与电枢磁场方向相反的磁场,直接抵消电枢磁场的影响,从根本上抑制磁场畸变和退磁效应(多用于大容量、高速直流电动机)。
设置“反转杆”(中间杆)
在两个主磁极之间安装一组小磁极(换向极),其绕组与电枢绕组串联,产生与电枢磁场方向相反的磁场,专门用于在换向元件处抵消电枢磁场,消除无功电动势,改善换向条件(中、大容量直流电机的标准配置)。
使用“宽刷”或“开槽电枢”
宽电刷可以覆盖更多的换向器片,降低单个元件的电流变化率,降低火花;
电枢铁心采用“斜槽”设计(槽与轴线成一定角度),可以削弱电枢磁场的谐波分量,减少磁场畸变。