直流電機(jī)中除主極磁場外，當(dāng)電樞繞組中有電流流過時，還將會產(chǎn)生電樞磁場。電樞磁場與主磁場的合成形成了電機(jī)中的氣隙磁場，它是直接影響電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩大小的。要了解氣隙磁場的情況，就要先分析清楚主磁場和電樞磁場的特性。
1、直流電機(jī)的空載磁場
直流電機(jī)的空載是指電樞電流等于零或者很小，且可以不計(jì)其影響的一種運(yùn)行狀態(tài)，此時電機(jī)無負(fù)載，即無功率輸出。所以直流電機(jī)空載時的氣隙磁場可以看作就是主磁場，即由勵磁磁通勢單獨(dú)建立的磁場。
當(dāng)勵磁繞組通入勵磁電流，各主磁極極性依次呈現(xiàn)為 極和 極，由于電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)對稱，不論極數(shù)多少，每對極的磁路是相同的，因此只要分析一對極的磁路情況就可以了。
圖1是一臺四極直流電機(jī)空載時的磁場分布示意圖（一對極的情形）。從圖中看出，由 極出來的磁通，大部分經(jīng)過氣隙進(jìn)入電樞齒部，再經(jīng)過電樞磁軛到另一部分的電樞齒，又通過氣隙進(jìn)入 極，再經(jīng)過定子磁軛回到原來出發(fā)的 極，成為閉合回路。這部分磁通同時匝鏈著勵磁繞組和電樞繞組，電樞旋轉(zhuǎn)時，能在電樞繞組中感應(yīng)電動勢，或者產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，把這部分磁通稱為主磁通，用φ0表示。此外還有一小部分磁通不進(jìn)入電樞而直接經(jīng)過相鄰的磁極或者定子磁軛形成閉合回路，這部分磁通僅與勵磁繞組相匝鏈，稱為漏磁通，用φ 表示。由于主磁通磁路的氣隙較小，磁導(dǎo)較大，漏磁通磁路的氣隙較大，磁導(dǎo)較小，而作用在這兩條磁路的磁通勢是相同的，所以漏磁通在數(shù)量上比主磁通要小得多，大約是主磁通的20%左右。
圖1 直流電機(jī)空載時的磁場分布示意圖
1— 極靴；2—極身；3—元子磁軛；4—勵磁繞組；5—?dú)庀叮?—電樞齒；7—電樞磁軛
由于主磁極極靴寬度總是比一個極距要小，在極靴下的氣隙又往往是不均勻的，所以主磁通的每條磁力線所通過的磁回路不盡相同，在磁極軸線附近的磁回路中氣隙較?。唤咏鼧O尖處的磁回路中氣隙較大。如果不計(jì)鐵磁材料中的磁壓降，則在氣隙中各處所消耗的磁通勢均為勵磁磁通勢。因此，在極靴下，氣隙小，氣隙中沿電樞表面上各點(diǎn)磁密較大；在極靴范圍外，氣隙增加很多，磁密顯著減小，至兩極間的幾何中性線處磁密為零。不考慮齒槽影響時，直流電機(jī)空載磁場的磁密分布如圖2所示。
圖2 直流電機(jī)空載磁場的磁密分布
在直流電機(jī)中，為了感應(yīng)電動勢或產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，氣隙里要有一定數(shù)量的主磁通φ0，也就是需要有一定的勵磁磁通勢 ，或者當(dāng)勵磁繞組匝數(shù)一定時，需要有一定的勵磁電流 。把空載時主磁通φ0與空載勵磁磁通勢 或空載勵磁電流 的關(guān)系，即φ0= 或φ0= ，稱為直流電機(jī)的磁化曲線，它表明了電機(jī)磁路的特性。電機(jī)的磁化曲線可通過電機(jī)磁路計(jì)算來得到。
直流電機(jī)磁路計(jì)算內(nèi)容是：已知?dú)庀睹繕O磁通為φ0，求出直流電機(jī)主磁路各段中的磁壓降，各段磁壓降的總和便是勵磁磁通勢 。對于給定的不同大小的φ0用同一方法計(jì)算，得到與φ0相應(yīng)的不同 ，經(jīng)多次計(jì)算，便得到了空載磁化曲線φ0 。
直流電機(jī)主磁通的磁回路從圖1中可看出主要包括這樣幾段：兩段主磁極、兩段氣隙、兩段電樞齒部、電樞磁軛、定子磁軛。對于每一段磁路，都是根據(jù)已知的φ0，算出磁密b，再找出相應(yīng)的磁場強(qiáng)度h，分別乘以各段磁路長度后便得到磁壓降。氣隙部分的磁導(dǎo)率是常數(shù)，不隨φ0而變，或者說氣隙磁壓降與φ0成正比。但其它各段磁路，都是鐵磁材料構(gòu)成，它們的b與h之間是非線性關(guān)系，具有磁飽和的特點(diǎn)，也就是說它們的磁壓降與φ0不成正比，也具有飽和現(xiàn)象，當(dāng)φ0大到一定程度后，出現(xiàn)飽和，φ0再增大，h或磁壓降就急劇增大。因此，造成了直流電機(jī)φ0大到一定程度后，磁路總磁壓降即勵磁磁通勢 急劇增大，電機(jī)的磁化曲線具有飽和現(xiàn)象，如圖3所示。
圖3 電機(jī)的磁化曲線
考慮到電機(jī)的運(yùn)行性能和經(jīng)濟(jì)性，直流電機(jī)額定運(yùn)行的磁通額定值的大小取在磁化曲線開始彎曲的地方（稱為膝部），如圖3中的a點(diǎn)（稱為膝點(diǎn)），對應(yīng)的φn系指在空載額定電壓時的每極磁通，對應(yīng)的勵磁磁通勢為ffn。
2、直流電機(jī)負(fù)載時的磁場和電樞反應(yīng)
當(dāng)電機(jī)帶上負(fù)載后，電樞繞組中就有電流流過，在電機(jī)磁路中，又形成一個磁通勢，這個磁通勢稱為電樞磁通勢。因此，負(fù)載時的氣隙磁場將由勵磁磁通勢和電樞磁通勢共同作用所建立。電樞磁通勢的出現(xiàn)，必然會影響空載時只有勵磁磁通勢單獨(dú)建立的磁場，有可能改變氣隙磁密分布及每極磁通量的大小。通常把負(fù)載時電樞磁通勢對主磁場的這種影響稱為電樞反應(yīng)，電樞反應(yīng)對直流電機(jī)的運(yùn)行性能影響很大。
電樞磁通勢如何影響電機(jī)中的主磁場呢？
下面先分析清楚電樞磁通勢和電樞磁場的特性，然后把兩種磁場合成起來，再考慮到飽和問題，就可以看清楚電樞磁通勢對主磁場的影響了。
1．電樞磁通勢和電樞磁場
電樞磁通勢是由電樞電流所產(chǎn)生的，從對電樞繞組的分析可知，不論什么型式的繞組，其各支路中的電流是通過電刷引入或引出的。在一個極下元件邊中電流方向是相同的，相鄰的不同極性的磁極下元件邊中電流方向總是相反的。因此，電刷是電樞表面電流分布的分界線。在電樞磁通勢的作用下，電刷在幾何中性線上時的電樞磁場分布如圖4所示。
圖4 電刷在幾何中性線上時的電樞磁場分布
由于電刷和換向器的作用，盡管電樞是旋轉(zhuǎn)的，但是每極下元件邊中的電流方向是不變的，因此電樞磁通勢以及由它建立的電樞磁場是不動的。電樞磁場的軸線總是與電刷軸線重合，并與勵磁磁通勢產(chǎn)生的主磁場軸線相互垂直。
現(xiàn)在研究電樞磁通勢的大小和電樞磁場的磁密沿電樞表面分布的情況。首先討論一個元件所產(chǎn)生的電樞磁通勢。
設(shè)電樞槽內(nèi)僅嵌放一個元件，該元件軸線（即元件的中心線）與磁極軸線垂直，即元件邊位于磁極軸線上，如圖5（a）所示。元件有 匝，元件中的電流為 ，則元件邊所產(chǎn)生的磁通勢為 安培導(dǎo)線數(shù)。由該元件所建立的磁場的磁力線的路徑如圖5（a）所示。設(shè)想將電機(jī)從 處切開，展平如圖5（b）所示。根據(jù)全電流定律可知，每個磁回路的磁通勢均為 。每根磁力線通過兩次氣隙，若不計(jì)鐵磁材料中的磁壓降，則磁通勢全部消耗在氣隙中。在直流電機(jī)中，與磁極軸線等距離處的氣隙大小相等，所以磁力線通過一次氣隙所消耗的磁通勢則為磁力線所包圍的全電流的一半，即1/2 。若以幾何中性線為縱軸，電樞周長為橫軸，但規(guī)定磁通勢方向與磁力線方向一致，即正磁通勢表示由它產(chǎn)生的磁通方向從電樞到主磁極，負(fù)磁通勢則為從主磁極到電樞。作這些規(guī)定后，一個元件所消耗于氣隙的磁通勢的空間分布為
（1）
將式（1）用曲線形式表示，如圖5（b）中所示。從圖中看出，一個寬度為一個極距 的元件所產(chǎn)生的電樞磁通勢在空間的分布為一個以2 為周期，幅值為1/2 的矩形波。
圖5 一個元件所產(chǎn)生的電樞磁通勢
a)磁力線分布 b）磁通勢分布
若電樞表面均勻分布四個元件，如圖6所示。根據(jù)上面分析，每個元件的磁通勢空間分布均為一個高為1/2 、寬度為 的矩形波。把這樣的四個矩形波疊加起來，可得一個每級高度為 、階梯級數(shù)為2的階梯形波。
圖6 四個元件所產(chǎn)生的電樞磁通勢
如果電樞表面均勻分布的元件數(shù)目較多，那么總的電樞磁通勢波形會接近圖6中所表示的三角形波。由于實(shí)際電機(jī)中，電樞上元件很多，可近似地認(rèn)為電樞磁通勢分布波形為一三角形波，其軸線即位于三角形的頂點(diǎn)上。
設(shè) 為電樞繞組的總導(dǎo)線數(shù)， 為元件數(shù)， 為極對數(shù)， 為極距， 為電樞直徑，則階梯級數(shù)為 ，且階梯形波或三角形波的幅值為
（2）
把 和 代入式（2）得
（3）
式中 ——電樞表面單位長度上的安培導(dǎo)體數(shù)，稱為線負(fù)荷（a/m）。
知道了電樞磁通勢分布曲線，在忽略鐵心中磁阻的情況下，即可求出電樞磁場的磁密沿電樞表面的分布曲線。這條曲線表示為
（4）
式中 ——?dú)庀堕L度（m）；
——真空中的磁導(dǎo)率， 。
如果氣隙是均勻的，即 為常數(shù)，則在極靴范圍內(nèi)，磁密分布也是一條直線。但在兩極極靴之間的空間內(nèi)，因氣隙長度大為增加，磁阻急劇增加，雖然此處磁通勢較大，磁密卻反而減小，因此磁密分布曲線是馬鞍形，如圖7中所示。
圖7 磁場分布和電樞反應(yīng)
2．負(fù)載時的合成磁場和電樞反應(yīng)
以直流電動機(jī)為例，把主磁場與電樞磁場合成，將合成磁場與主磁場比較，便可看出電樞反應(yīng)的作用。
在圖7中，表明了磁極極性和極下元件邊中的電流方向。根據(jù)左手定則，決定轉(zhuǎn)動方向?yàn)橛捎蚁蜃?。再按磁力線方向與磁通勢方向一致的原則，分別畫出主磁場分布曲線 及電樞磁場分布曲線 。若磁路不飽和，可用迭加原理，將 沿電樞表面逐點(diǎn)相加，便得到負(fù)載時氣隙內(nèi)合成磁場分布曲線 （如圖7中實(shí)線所表示）。將 和 比較，得出：
（1）使氣隙磁場發(fā)生畸變。每一磁極下，因?yàn)殡姌写艌鍪怪鞔艌鲆话氡幌魅?，另一半被加?qiáng)，并使電樞表面磁密為零的位置由空載時在幾何中性線逆轉(zhuǎn)向移動了一個角度 。稱通過電樞表面磁密為零的這條直線為物理中性線。故在空載時，物理中性線與幾何中性線重合；負(fù)載時，由于電樞反應(yīng)的影響，氣隙磁場發(fā)生畸變，物理中性線與幾何中性線不再重合，而且磁場的分布曲線也與空載時不同。
（2）對主磁場起去磁作用。在磁路不飽和時，主磁場被削弱的數(shù)量恰好等于被加強(qiáng)的數(shù)量（圖8中表示出面積 ），因此負(fù)載時每極下的合成磁通量與空載時相同。但在實(shí)際電機(jī)中，磁路總是飽和的。因?yàn)樵谥鞔艠O兩邊磁場變化情況不同，一邊是增磁的，另一邊是去磁的。主極的增磁作用會使飽和程度提高，鐵心磁阻增大，從而使實(shí)際的合成磁場曲線（圖中用虛線表示）比不計(jì)飽和時要低些，與不飽和時相比，增加的磁通要少些；主極的去磁作用可使飽和程度降低，鐵心磁阻減小，結(jié)果使實(shí)際的合成磁場曲線（圖中用虛線表示）比不計(jì)飽和時略高些，與不飽和時相比，減少的磁通要少些。由于磁阻變化的非線性，磁阻的增大比磁阻的減小要大些，增加的磁通就會小于減少的磁通（圖7中表示出面積 ＜ )，因此負(fù)載時合成磁場每極磁通比空載時每極磁通略有減少，這就是電樞反應(yīng)的去磁作用。
總的來說，電樞反應(yīng)的作用不僅使電機(jī)內(nèi)氣隙磁場發(fā)生畸變，而且還會呈去磁作用。
3、直流電機(jī)的勵磁方式
直流電機(jī)的勵磁方式是指對勵磁繞組如何供電、產(chǎn)生勵磁磁通勢而建立主磁場的問題。根據(jù)勵磁方式的不同，直流電機(jī)可分為下列幾種類型。
1．他勵直流電機(jī)
勵磁繞組與電樞繞組無聯(lián)接關(guān)系，而由其他直流電源對勵磁繞組供電的直流電機(jī)稱為他勵直流電機(jī)，接線如圖8（a）所示。圖中m表示電動機(jī)，若為發(fā)電機(jī)，則用g表示。永磁直流電機(jī)也可看作他勵直流電機(jī)。
2．并勵直流電機(jī)
并勵直流電機(jī)的勵磁繞組與電樞繞組相并聯(lián)，接線如圖8（b）所示。作為并勵發(fā)電機(jī)來說，是電機(jī)本身發(fā)出來的端電壓為勵磁繞組供電；作為并勵電動機(jī)來說，勵磁繞組與電樞共用同一電源，從性能上講與他勵直流電動機(jī)相同。
3．串勵直流電機(jī)
串勵直流電機(jī)的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)后，再接于直流電源，接線如圖8（c）所示。這種直流電機(jī)的勵磁電流就是電樞電流。
4．復(fù)勵直流電機(jī)
復(fù)勵直流電機(jī)有并勵和串勵兩個勵磁繞組，接線如圖8（d）所示。若串勵繞組產(chǎn)生的磁通勢與并勵繞組產(chǎn)生的磁通勢方向相同稱為積復(fù)勵。若兩個磁通勢方向相反，則稱為差復(fù)勵。
不同勵磁方式的直流電機(jī)有著不同的特性。一般情況直流電動機(jī)的主要勵磁方式是并勵式、串勵式和復(fù)勵式，直流發(fā)電機(jī)的主要勵磁方式是他勵式、并勵式和和復(fù)勵式。
圖8 直流電機(jī)的勵磁方式
a)他勵； b)并勵； c)串勵； d）復(fù)勵