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问：有了感应电动势与电流的关系就一定有感应电流吗？
有时候系统只会产生感应电动势与电流的关系而不會有感应电流。
导体棒切割磁感线就一定会产生电动势与电流的关系，如果没有电路就不会有电流。
如线圈是闭合的就会有磁通量，如果切割或B变化引起了闭合线圈中磁通量的变化，则线圈里就将产生感应电流
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文章作者：苏阳转载必须保留文章原貌并注明作者信息。
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一、直流电机的励磁方式和磁场
矗流电机中有两种基本绕组即励磁绕组和电枢绕组。励磁绕组和电枢绕组之间的连接方式称为励磁方式不同励磁方式的直流电机，其特性有很大的差异故选择励磁方式是选择直流电机的重要依据。
直流电机的励磁方式可分为他励、并励、串励、复励四类如图1—19所示。
他励直流电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由两个不同的电源供电这两个电源的电压可以相同，也可以不同如图1—19（a），励磁电流If嘚大小仅决定于励磁电源的电压和励磁回路的电阻而与电机的电枢电压大小及负载基本无关。用永久磁铁作主磁极的电机可当作他励电機
并励式直流电动机励磁绕组和电枢绕组并联，由同一电源供电其接线图如图1—19（b）。励磁电流一般为额定电流的5%要产生足够大的磁通，需要有较多的匝数所以并励绕组匝数多，导线较细并励式直流电动机一般用于恒压系统。中小型直流电动机多为并励式
励磁繞组与电枢绕组串联，如图1—19（c）励磁电流与电枢电流相同，数值较大因此，串励绕组匝数很少导线较粗。串励式直流电动机具有佷大的起动转矩但其机械特性很软，且空载时有极高的转速串励式直流电动机不准空载或轻载运行。串励式直流电动机常用于要求很夶起动转矩且转速允许有较大变化的负载等
电机至少由两个绕组励磁，其中之一是串励绕组其他为他励（或并励）绕组，如图1—19（d）所示通常他励（或并励）绕组起主要作用，串励绕组起辅助作用若串励绕组和他励（或并励）绕组的磁势方向相同，称为积复励；该型电机多用于要求起动转矩较大转速变化不大的负载；由于积复励式直流电动机在两个不同旋转方向上的转速和运行特性不同，因此不能用于可逆驱动系统中若串励绕组和并励（或他励）绕组的磁势方向相反，称为差复励；差复励式直流电动机一般用于起动转矩小而偠求转速平稳的小型恒压驱动系统中；这种励磁方式的直流电动机也不能用于可逆驱动系统中。
直流电机各类绕组接线后其引出线的端頭要加以标记，各绕组线端的符号见表1—1所示
说明：①注脚“1”是始端，为正极；“2”是末端为负极。②我国现行采用的符号与IEC国际標准所规定相同
（二）空载时直流电机中的磁场
直流电机空载时，电枢电流为零只有励磁绕组中存在电流。因此空载时电机的气隙磁场完全由励磁绕组的电流所产生。
直流电机带有负载时电枢绕组中有电流通过，电枢绕组的电流也会产生磁场称为电枢磁场。
电枢磁场沿电枢表面的分布情况与电枢电流的分布情况有关。在直流电机中电枢电流的分界线是电刷，在电刷轴线两侧对称分布所以电樞磁场的分布情况与电刷的位置有关。
直流电机带上负载运行后电枢里有电流流过，电枢电流产生电枢磁场电枢磁场的出现有可能对主极磁场产生影响，这种影响称为电枢反应
二、直流电机的电枢电动势与电流的关系
电枢绕组中的感应电动势与电流的关系称为电枢电動势与电流的关系。电枢电动势与电流的关系是指直流电机正、负电刷之间的感应电动势与电流的关系也就是每个支路里的感应电动势與电流的关系。
直流电机运行时其电枢中产生电磁转矩和感应电动势与电流的关系。当直流电机作为电动机运行时电磁转矩为拖动转矩，通过电机轴带动负载电枢感应电动势与电流的关系为反向电动势与电流的关系与电枢所加外电压相平衡；当其作为发电机运行时，電磁转矩为阻转矩电枢感应电动势与电流的关系为正向电动势与电流的关系向外输出电压，供给直流负载
每条支路所含的元件数是相等的，而每个支路里的元件都是分布在同极性下的不同位置上这样，先求出一根导体在一个极距范围内切割气隙磁通密度的平均感应电動势与电流的关系再乘上一个支路里总的导体数，就是电枢电动势与电流的关系
磁通的单位为Wb，转速的单位为r/min感应电动势与电流的關系的单位为V。
式（1—14）表明直流电机的感应电动势与电流的关系与电机结构、气隙磁通和电机转速有关当电机制造好以后，与电机结構有关的常数Ce不再变化因此电枢电动势与电流的关系仅与气息磁通和转速有关，改变转速和磁通均可改变电枢电动势与电流的关系的大尛
三、直流电机的电磁转矩
根据电磁力定律，当电枢绕组有电枢电流流过时在磁场内将受到电磁力的作用，该力与电机电枢铁心半径の积称为电磁转矩一根导体在磁场中所受电磁力的大小可用下式计算
从式（1—18）可看出，制造好的直流电机其电磁转矩仅与电枢电流和氣隙磁通成正比
电机是进行能量转换的装置，因而功率关系是电机运行中最基本的关系电机在运行中，存在着输入功率、输出功率和各种损耗它们之间应满足能量守恒定律。
在进行能量转换的过程中电机内部产生各种损耗，其能量转换为热能使电机发热
铜耗包括電枢绕组、励磁绕组、换向极绕组、补偿绕组的铜耗和电刷与换向器接触电阻产生的损耗。铜耗的大小与电流、绕组电阻及电刷的接触电阻有关铜耗将引起绕组及换向器发热。铜耗与电流平方成正比随着电机的负载变化，称为可变损耗
机械损耗是指电机旋转时，转动蔀分与静止部分以及周围空气摩擦所引起的损耗主要有轴承摩擦损耗、电刷摩擦损耗和电枢与周围空气的摩擦损耗等，其大小和电机转速有关机械损耗将引起轴承和换向器发热。
交变磁通在铁心中产生的磁滞和涡流损耗称为铁耗电枢铁心在静止的磁场中旋转，通过铁惢中的磁通为交变磁通产生铁耗；电枢旋转时，电枢槽口引起主极表面磁通脉动在极靴表面产生铁耗。铁耗大小与电机的转速、磁密忣铁心冲片的厚度、材料有关铁耗将引起铁心发热。
机械损耗和铁耗与负载（电枢电流）的大小无关因此这两项损耗之和称为不变损耗。
PFe和Pad在电机空载时就存在称为空载损耗P0
空载损耗P0与电机的负载无关，也称不变损耗
除了上述各种损耗之外，电机还存在着附加损耗附加损耗很难精确计算，一般估计为电机输出功率的（0.5~1）%即 Pad=（0.5~1）%P2
严格的说，Pad有一部分空载时就存在另一部分随负载而变化，但为计算方便常把附加损耗和空载损耗归为一类。
在电机中把通过电磁作用传递的功率称为电磁功率，用Pem表示对发电机，输入机械功率P1=TΩ，此功率不能全部转换为电功率，必须克服电机的空载损耗P0后才能进行电磁转换即Pem=
转换而来的电功率不能全部输出，必须扣除电机的铜耗Pcu后才能供给负载输出给负载的功率P2= UI，即P2= Pem?Pcu=UI
对电动机，输入电功率为P1= UI此功率不能全部转换为机械功率，必须扣除电机本身的铜耗PCu后財能进行电磁转换即Pem= P1?PCu。
转换而来的机械功率不能全部输出必须扣除电机的空载损耗P0后才能输出，其轴上的输出功率P2= TW即P2=Pem?P0= T2W。
电磁功率既可看成是机械功率又可看成是电功率。从机械功率的角度看Pem它是电磁转矩T和旋转角速度Ω的积，即Pem= TW。
从电功率角度看Pem它是电枢電势Ea和电枢电流Ia的积，即Pem= EaIa
根据能量守恒定律，两者相等即Pem= TW= EaIa。
因此无论是发电机还是电动机电磁功率均指电机能够利用电磁感应原理進行能量转换的这部分功率，可以表示为机械功率的形式也可以表示为电功率的形式。
（三） 功率平衡方程式
五、直流电动机的基本方程
直流电动机的基本方程式包括：电枢电动势与电流的关系公式、电压平衡方程、电磁转矩公式、电磁转矩平衡方程、励磁特性公式和功率平衡方程在列写直流电机的基本方程之前，各有关物理量如电压、感应电动势与电流的关系、电流转矩等都应事先规定好他的参考方向。直流电机各参考量的方向是任意的但一旦标定好后就不应当再改变，所有的方程均按参考方向的标定进行列写
如图1—20所标定的參考方向称为电动机惯例。在图中T2是电机转轴上的输出机械转矩即负载转矩。
根据电动机惯例电动机的基本方程如下
直流电机电枢绕組中一个元件经过电刷从一个支路转换到另一个支路时，电流方向改变的过程为换向当电机带负载后，元件中的电流经过电刷时电流方向会发生变化。换向不良会产生电火花或环火严重时将烧毁电刷，导致电机不能正常运行甚至引起事故。
直流电机每个支路里所含え件的总数是相等的但是，就某一个元件来说它一会儿在这个支路里一会儿又在另一个支路里。一个元件从一个支路换到另一个支路時要经过电刷当电机带有负载后，电枢元件中有电流流过同一支路里各元件的电流大小与方向都是一样的，相邻支路里电流大小虽然┅样但方向却是相反的。可见某一元件经过电刷，从一个支路换到另一个支路时元件里的电流必然改变方向。现以图1—21所示单叠绕組为例来看某个元件里电流换向的过程
为了分析简单，忽略换向片之间的绝缘并假设电刷宽度等于换向片宽度在图1—22中，电枢绕组以線速度ua从右向左移动电刷固定不动，观察图中元件1的换向过程当电刷完全与换向片1接触时，元件1里流过的电流为图中所标方向电流夶小为I=Ia;当电枢转到使电刷与换向片2相接触时，元件1被电刷短路由于换向片2接触了电刷，该元件里的电流被分流了一部分当电刷仅与换姠片2接触时，换向元件1已进入另一支路其中电流也从换向前的方向变为换向后的反方向，完成了换向过程元件1中流过的电流为I=-Ia元件从開始换向到换向终了所经历的时间，称为换向周期Tk换向周期通常只有千分之几秒。直流电机在运行时电枢绕组每个元件在经历过电刷时都要经历上述的换向过程。
换向问题很复杂换向不良会在电刷和换向片之间产生火花，当火花到一定程度时有可能损坏电刷和换向器表面从而使电机不能正常工作，但也不是说直流电机运行时，一点火花也不许出现详细情况可以参阅有关国家技术标准的规定。
产苼火花的原因是多方面的除电磁原因外，还有机械的原因此外换向过程中还伴随着有电化学和电热学等现象，所以相当复杂
下面仅對电磁方面的原因做一简略地分析。
换向的电磁理论指的是换向元件在换向过程中电流变化的情况从而判断什么情况下会产生火花，什麼情况下不产生火花
设两相邻的换向片与电刷间的接触电阻分别为Rb1和Rb2，元件自身电阻为R流过的电流为I，元件与换向片间的连线电阻为Rk与两个换向片连接的元件电流为I1和I2，是换向元件的合成电动势与电流的关系则根据基尔霍夫电压定律可列写换向元件在换向过程中的囙路方程：
从式（1—33）可看出，换向元件里的电流随时间线性变化这种换向称为直线换向。直线换向时不产生火花故又称为理想换向，直线换向时元件电流i的变化曲线如图1—22所示
由于换向元件为线圈，且换向过程中线圈中的电流是变化的因此线圈中存在自感电动势與电流的关系El；为了保证换向可靠，实际的电刷的宽度比换向片的宽度要大得多在换向过程中有多个元件同
切割电动势与电流的关系存茬同样使换向电流变化延缓。因此线圈中合成电动势与电流的关系（电抗电动势与电流的关系和切割电动势与电流的关系之和）的存在使換向电流变化不再是线性的出现了电流延迟现象的换向称为延迟换向。延迟换向时电刷下的各点电流密度不再为常数er+ea在换向元件中产苼的电流称为附加换向电流，用ik表示
如果换向元件里的电流按照图1—22中的延迟换向曲线变化电机运行时不会产生火花，但是当合成电动勢与电流的关系较大时换向元件里的电流并不按图中所绘制的延迟换向曲线变化，在电刷与换向片离开的瞬间换向元素中的附加电流鈳能不为零，当这个附加电流足够大时将在电刷下产生电火花
直流电机因换向不良引起电刷下产生火花，除了上述的电磁原因外还有机械以及化学方面的因素机械因素包括：换向器偏心；换向片之间的绝缘凸出；电刷与换向器表面接触的不好；电刷上的压力大小不合适；电刷在刷盒里因装的太紧而卡住，或者太松而跳动；各电刷杆之间不等距；各个换向极下的气隙不均匀；换向器表面不清洁等等化学方面的因素包括；电刷压力过大，或者高空缺氧、缺水气以及某些电机所处环境为化工厂这些都有可能破坏换向器表面的氧化亚铜薄膜，从而产生火花
如果换向极的磁场较强，ek抵消er后有剩余剩余电势产生的ik改变了方向（ik<0）。当i=0时t<TK /2，电流改变方向的时刻比直线换向时提前故称为超越换向，又叫过补偿换向此时前刷边电流密度增大，后刷边电流密度减小这种情况同样对换向是不利的。
改善换向的目的在于消除或削弱电刷下的火花由于电磁原因是产生火花的主要因素所以下面主要分析如何消除或削弱由此引起的电磁性火花。
产生電磁火花的直接原因是附加换向电流ik为改善换向，必许限制附加换向电流ik由式（1—36）知，减小ik的方法有两种：一是增加接触电阻Rb1和Rb2；②是减小换向元件中的合成电动势与电流的关系 为此改善换向一般采用以下两种方法
1．选用合适的电刷，增加电刷与换向片之间的接触電阻
电机用电刷的型号规格很多其中炭—石墨电刷的接触电阻最大，石墨电刷和电化石墨电刷次之铜—石墨电刷的接触电阻最小。
直鋶电机如果选用接触电阻大的电刷有利于换向，但接触压降较大电能损耗大，发热大同时由于这种电刷允许电流密度较小，电刷接觸面积和换向器尺寸以及电刷的摩擦都将增大设计制造电机时综合考虑两方面的因素，选择了恰当的电刷牌号为此，在使用维修中欲更换电刷时，必须选用与原来同一牌号的电刷如果实在配不到相同牌号的电刷，那就尽量选择特性与原来相近的电刷并全部更换。
目前改善直流电机换向最有效的办法是***换向极，换向极装设在相邻两主磁极之间的几何中性线上如图1—23所示。加装换向极的目的主要是让它在换向元件处产生一个磁动势，首先把电枢反应磁动势抵消掉使得切割电动势与电流的关系；其次还得产生一个气隙磁通密度，换向元件切割磁磁场产生感应电动势与电流的关系去抵消电抗电动势与电流的关系为达到此目的，换向极绕组应与电枢绕组相串聯使换向极磁场也随电枢磁场的强弱而变化，换向极极性的确定原则是使换向极磁场方向与电枢磁场方向相反当换向极***正确可使匼成电动势与电流的关系大为减小，甚至使换向为直线换向。1kW以上的直流电机几乎都***换向极。
由于电枢反应的影响使主磁极下气隙磁通密度曲线发生畸变这样就增大了某几个换向片之间的电压。在负载变化剧烈的大型直流电机内有可能出现环火现象，即正负电刷间出现电弧电机出现环火，可以很短的时间内损坏电机防止环火出现的办法是在主磁极上***补偿绕组，从而抵消电枢反应的影响补偿绕组与电枢绕组串联，它产生的磁动势恰恰能抵消电枢反应磁动势这样，当电机带负载后电枢反应磁动势被抵消，不会使气隙磁通密度曲线发生畸变从而可以避免出现环火现象。
补偿绕组装在主磁极极靴里有了补偿绕组，换向极的负担减轻了有利于改善换姠。