§ 8.5. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Режим холостого хода. Магнитный поток при холостом ходе в машине создается только МДС Fв обмотки возбуждения. В этом случае магнитный поток Фв при симметричном воздушном зазоре между якорем и сердечником главного полюса распределяется симметрично относительно продольной оси машины (рис. 8.21).

Зависимость магнитного потока возбуждения Фв от МДС Fв (магнитная характеристика — рис. 8.22) для машин постоянного тока подобна магнитной характеристике для синхронных машин. Однако при проектировании машин постоянного тока допускают большие индукции на участках магнитной цепи (в зубцах, якоре, станине и полюсах), чем в синхронных машинах, вследствие чего для них коэффициент насыщения kнас = F/Fδ = ab/ac = 1,2 ÷ 2. Расчет магнитной цепи машины постоянного тока производят так же, как и для машин переменного тока (см. § 3.7).

Реакция якоря. При работе машины под нагрузкой по обмотке якоря проходит ток, вследствие чего возникает МДС якоря. Воздействие МДС якоря на магнитное поле машины называют реакцией якоря. Для упрощения анализа явления реакции якоря будем пренебрегать насыщением магнитной цепи машины и считать, что МДС Fв обмотки возбуждения и МДС Faq обмотки якоря расходуются на преодоление магнитными потоками воздушного зазора. В этом случае вместо указанных МДС можно рассматривать соответствующие потоки: возбуждения Фв и реакции якоря Фaq .

Рис. 8.21. Магнитное поле машины постоянного тока в режиме холостого хода: 1 — полюс; 2 — обмотка возбуждения; 3 — якорь; 4 — корпус (станина)

Рис. 8.22. Магнитная характеристика машины постоянного тока (а) и график для определения размагничивающего действия поперечного поля реакции якоря (б)

Рис. 8.23. Характер магнитного поля машины постоянного тока,: создаваемые обмоткой возбуждения  (а), обмоткой  якоря (б)и результирующего поля (в)

При холостом ходе магнитный поток возбуждения направлен по продольной оси машины (рис. 8.23, а). При работе под нагрузкой магнитный поток Фaq , созданный МДС якоря Faq , в двухполюсной машине при установке щеток на геометрической нейтрали направлен по поперечной оси машины (см. рис. 8.23,б), поэтому магнитное поле якоря называют поперечным. В результате действия реакции якоря симметричное распределение магнитного поля машины относительно оси главных полюсов искажается и результирующее поле оказывается смещенным к одному из краев каждого главного полюса (см. рис. 8.23, в). При этом физическая нейтраль О' —О' (линия, соединяющая точки окружности якоря, в которых индукция равна нулю) смещается относительно геометрической нейтрали О — О на некоторый угол β. В генераторах (обозначение Г на рис. 8.23, в) физическая нейтраль смещается по направлению вращения якоря; в двигателях (обозначение Д) — против направления вращения.

Чтобы построить кривую Врез = f(х) распределения результирующей индукции вдоль окружности якоря, применим метод суперпозиции. Его можно использовать, если пренебречь насыщением магнитной цепи машины и считать, что МДС Fв и Faq расходуются на компенсацию разности магнитных потенциалов в воздушном зазоре. Так как обмотка возбуждения является сосредоточенной, то кривая распределения создаваемой ею МДС F'в =f(x) имеет форму прямоугольника, где F'в = 0,5Fв — МДС, приходящаяся на один воздушный зазор. В этом случае кривая индукции Вв = f(x) имеет форму криволинейной трапеции (рис. 8.24, а).

Для построения кривой МДС Faqx = f(x) и создаваемой ею индукции Baqx =f(x) примем,

Рис. 8.24. Кривые распределения индукции в воздушном зазоре машины постоянного тока

что обмотка якоря равномерно распределена по его окружности. Тогда на основании закона полного тока МДС якоря, действующая вдоль контура обхода через точки воздушного зазора на расстояния х от оси главных полюсов, а МДС, приходящаяся на один зазор, где А = ia N/(πDa ) - линейная нагрузка якоря (число ампер, приходящихся на 1 см окружности якоря).

Следовательно, МДС якоря Faqx изменяется линейно вдоль его окружности (рис. 8.24, б); под серединой главного полюса она равна нулю, а в точках, где установлены щетки, имеет максимальное значение. При ненасыщенной магнитной системе магнитная индукция в воздушном зазоре

где δx — величина воздушного зазора в точке х.

Из (8.12) следует, что под полюсом при
δx = const индукция Baqx изменяется линейно вдоль окружности якоря. Но в межполюсном пространстве резко возрастает длина магнитной силовой линии, т. е. воздушный зазор δx , и поэтому резко уменьшается индукция Baqx = f(x). В результате кривая распределения индукции Baqx = f(x) приобретает седлообразную форму.

Кривую распределения результирующей индукции Врез = f(x) можно получить алгебраическим сложением ординат кривых Bв = f(x) и
Baqx = f(x). Как видно из рис. 8.24, в, эта кривая имеет пики индукции Вmax под краями главных полюсов.

Таким образом, реакция якоря оказывает неблагоприятное влияние на работу машины постоянного тока: а) физическая нейтраль О' - О' (см. рис. 8.23, в) смещается относительно геометрической нейтрали О - О на некоторый угол β; б) искажается кривая распределения индукции Врез = f(x) в воздушном зазоре и возрастает индукция под одним из краев главных полюсов, что ведет к повышению напряжения в секциях, когда их стороны проходят зоны с увеличенной индукцией. Кроме того, как показано ниже, результирующий магнитный поток машины при насыщенной магнитной цепи уменьшается.

Размагничивающее действие поперечного поля реакции якоря. Если магнитная цепь машины не насыщена, то кривая результирующей индукции в воздушном зазоре под действием реакции якоря искажается (рис. 8.24, в), однако площадь ее остается равной площади кривой индукции при холостом ходе (рис. 8.24, а). Следовательно, результирующий поток Фрез при нагрузке равен потоку Фв при холостом ходе. Однако при насыщенной магнитной цепи реакция якоря уменьшает поток Фрез . Чтобы установить влияние МДС Faq на величину потока Фрез , рассмотрим зависимость результирующей индукции Врез в воздушном зазоре от результирующей МДС Fрезx = F'в ± Faqx , действующей в некоторой точке х зазора (рис. 8.22,б).

Примем, что в машине насыщены только зубцы якоря. Тогда МДС F'в расходуется на преодоление магнитного сопротивления одного воздушного зазора и одного зубцового слоя. В точках, лежащих под серединой полюсов, эта МДС создает индукцию Вср = Вв , так как в этих точках Faqx = 0. По мере приближения к одному из краев полюса N, например к правому, индукция Врез возрастает до величины Впрх , так как здесь действует МДС F'в+ Faqx ; при приближении к другому краю того же полюса (в данном случае к левому) индукция уменьшается до Влевх , так как здесь действует МДС F'в - Faqx . Однако из-за нелинейного характера зависимости Врез = f(x) прирост индукции Впрх у правого края полюса меньше, чем снижение индукции Влевх у левого края, вследствие чего результирующий поток машины уменьшается (см. косую штриховку в кривой индукции на рис. 8.24, в). Снижение магнитного потока под действием МДС якоря обычно невелико и составляет всего 1 — 3%, однако оно существенно влияет на характеристики генераторов постоянного тока и приводит к уменьшению ЭДС Е машины при нагрузке по сравнению с ЭДС Е0 при холостом ходе.

Если машина работает при небольших токах возбуждения, т. е. на прямолинейной части (машина не насыщена), то реакция якоря размагничивающего действия не оказывает. Аналогичный эффект получается и при значительном насыщении, когда машина снова работает на прямолинейном участке магнитной характеристики. 

Реакция якоря при сдвиге щеток с геометрической нейтрали. В этом случае окружность якоря с обмоткой можно разделить на четыре зоны (рис. 8.25). Две из них охватывают стороны секций в пределах угла 2α и образуют продольную МДС Fad = (2α/π) А, а две другие охватывают стороны секций в пределах угла (π - 2α) и образуют поперечную МДС Faq = (π - 2α) А/π.

Рис. 8.25. Схемы возникновения продольной (а) и поперечной (б) МДС якоря при сдвиге щеток с геометрической нейтрали

Продольная МДС Фaq создает продольный поток Фad , который может сильно увеличивать или уменьшать результирующий магнитный поток машины Фрез в зависимости от того, совпадает МДС Faq с Fв или направлена против нее. Направление определяется тем, в какую сторону сдвинуты щетки. Если щетки сдвинуты по направлению вращения генератора или против направления вращения электродвигателя, то продольная МДС Fad размагничивает машину. При сдвиге щеток в обратном направлении МДС Fad подмагничивает машину. Свойство продольной МДС Fad изменять результирующий магнитный поток Фрез используется в некоторых специальных машинах, например в электромашинных усилителях с поперечным полем. Поперечная МДС Faq создает магнитный поток Фaq ; она действует на поток Фрез так же, как и при расположении щеток на геометрической нейтрали.