2.5. Реакция якоря

2.5.1. Магнитодвижущаяся сила и поля электрической машины

постоянного тока

При холостом ходе в электрической машине постоянного тока существует только м. д. с. основных полюсов, которая создает основной магнитный поток Ф₀. Графически он изображен на рис.2.14. Как видно, магнитный поток имеет симметричное расположение относительно оси полюсов у—уи геометрической нейтрали (ГН).

Вследствие вращения якоря в поле Ф₀ в обмотке якоря наво­дится э.д.с., направление которой показано на рис.2.14, а точ­ками и крестиками.

Рис. 2.14. Магнитное поле машин постоянного тока:

а – основное поле; б – поле якоря.

При подключении к машине внешней цепи по обмотке якоря начнет протекать электрический ток и образуется м.д.с., которая, если применить метод суперпозиции, создаст свой магнитный поток. Направление его определяется по правилу буравчика. На рис.2.14,б показано распределение магнитных силовых линий поля якоря при условном расположении щеток непосредственно на проводниках в зоне геометрической нейтрали для генератор­ного режима работы машины. Поле, создаваемое токами в якор­ной обмотке, как видно, располагается симметрично относительно геометрической нейтрали (ось поля якоря совпадает с геометри­ческой нейтралью) и оси полюсов у—у и имеет с правой сто­роны северный полюс, а с левой — южный.

В электрической машине, работающей под нагрузкой, имеются не две м.д.с. — якоря и полюсов, а одна — результирующая, ко­торая возникает при взаимодействии м.д.с. якоря и полюсов.

Результирующая м.д.с. машины создает результирующий магнитный поток Ф.

Воздействие м.д.с. якоря на м.д.с. основных полюсов на­зывается реакцией якоря.

Рис. 2.15. Результирующие магнитные поля генератора (а)

и двигателя (б)

Под влиянием реакции якоря результирующий магнитный поток распределяется под полюсами электрической машины нерав­номерно (рис. 2.15,а). Ось результирующего магнитного потока машины сдвигается по отношению к оси полюсов.

Для количественной оценки поля якоря нужно определить м.д.с. якоря. С этой целью зубчатую поверхность якоря условно заменяют гладкой с воздушным зазором δ’=δК_δ.

Рис. 2.16. Изменение м.д.с. и индукции поля якоря машины

без дополнительных полюсов (а) и с дополнительными полюсами (б).

Найдем м.д.с. якоря на пару полюсов, предположив, что щетки установлены на геометрической нейтрали, и первый частич­ный шаг обмотки y₁ = τ. В этом случае средняя точка каждой ветви обмотки якоря находится на осевой линии соответствующего полюса. Магнитные силовые линии поля якоря будут распола­гаться по обе стороны от средней точки О и иметь взаимно проти­воположное направление (рис. 2.16,а).

Магнитодвижущая сила, создаваемая частью обмотки якоря, находящейся на расстоянии х в обе стороны от оси полюсов, будет иметь значение

Магнитодвижущая сила якоря увеличивается к краям полюсов и при х=достигает максимума

Характер изменения м. д. с. якоря показан на рис. 2.16,а ло­маной линией 1-1-1.

В пределах полюсного деления каждая магнитная силовая линия дважды проходит через воздушный зазор и замыкается по стали якоря и полюса. Магнитное сопротивление воздушного за­зора велико по сравнению с магнитным сопротивлением стали якоря и полюсов, и поэтому величина магнитной индукции под полюсом зависит в основном от величины магнитного сопротив­ления воздушного зазора. Последний сохраняется неизменным под полюсным наконечником, поэтому характер изменения маг­нитной индукции В_а будет под полюсом таким же, как и харак­тер изменения м.д.с. (рис.2.16,а , кривая 2-2-2). В междупо­люсном пространстве магнитная индукция резко уменьшается вследствие значительного увеличения магнитного сопротивления.

Авиационные генераторы постоянного тока выполняются обыч­но с дополнительными полюсами (ДП) и неподвижными щетками, расположенными, согласно принятой выше условности, на геометрической нейтрали. Распределение МДС якоря и магнит­ной индукции таких генераторов имеет соответственно вид кривых 1-1-1 и 2-2-2, указанных на рис. 2.16, б.

Когда щетки стоят на геометрической нейтрали, поле якоря, как отмечалось, направлено под углом 90° к оси полюсов (рис. 2.14,б). Такое поле якоря называется поперечным.

При сдвиге щеток с геометрической нейтрали на угол ±90°, ось поля якоря совмещается с осью полюсов. Такое поле якоря называется продольным.

В общем случае щетки могут быть сдвинуты с геометриче­ской нейтрали на угол ±β₁. При этом в электрической машине будут иметь место продольная и поперечная м.д.с. якоря.

Продольная м.д.с. якоря (рис. 2.17, а) образуется частью обмотки якоря, заключенной в двойном угле β₁, и равняется

где b - дуга по окружности якоря, соответствующая углу β₁.

Продольная м.д.с. якоря уменьшает результирующее магнит­ное поле машины в генераторном режиме работы при сдвиге ще­ток с геометрической нейтрали по направлению вращения якоря и увеличивает его при сдвиге щеток против направления вращения якоря. При одинаковых полярностях и направлениях тока в обмотке якоря генератор и двигатель имеют противоположные направления вращения. Поэтому реакция якоря в двигателе (рис. 2.15, б) действует в обратном направлении по сравнению с реакцией якоря в генераторе.

Поперечная м.д.с. якоря создается остальной частью обмот­ки, заключенной в угле 180º-2β₁ (рис.2.17,б), и равняется

Рис. 2.17.Продольная (а) и поперечная (б) м.д.с. якоря.

Поперечная м. д. с. якоря искажает результирующее магнит­ное поле, а при насыщении магнитной системы электрической машины и ослабляет его. Рассмотрим это более подробно приме­нительно к генераторному режиму работы машины, полагая, что щетки установлены на геометрической нейтрали.

На рисунке 2.18. в развернутом виде показана пара полюсов и якорь машины с обмоткой. Магнитное поле, создаваемое полю­сами, показано трапецеидальной кривой 1. Кривая поля якоря 2 имеет седлообразный характер.

При ненасыщенной магнитной системе, чтобы получить результирующую магнитную индукцию (кривая 3), достаточно сложить ординаты составляющих магнит­ных полей (кривые 1 и 2). Анализ кривой 3 показывает, что под набегающими (правыми) частями полюсов N и S магнитное поле якоря ослабляет магнитное поле полюсов, а под сбегающими (левыми) – усиливает его. При этом ослабление и усиление маг­нитного поля полюсов будет одинаковым и результирующий магнитный поток не будет отличаться по величине от магнитного потока полюсов. Однако распределение результирующей магнит­ной индукции (кривая 3) под полюсом будет уже не симметрич­ным относительно его оси. Кривая результирующего магнитного поля проходит через нулевые значения в точках а и b, которые определяют положение физической нейтрали (ФН). При холостом ходе ФН совпадает с геометрической, а при нагрузке она, как видно, смещается по направлению вра­щения якоря генератора на угол β(рис.2.15, а).

Рис.2.18. Распределение магнитной индукции

результирующего поля.

При насыщенной магнитной системе поперечная м.д.с. якоря обусловливает уменьшение результирующего магнитного потока, так как прирост потока под сбегающим краем полюса (участок кривой 4) будет меньшим, чем ослабление потока на набегающем крае полюса (участок кривой 5). При этом наибольшее размаг­ничивающее действие м.д.с. якоря оказывает при работе на колене кривой намагничивания.

Таким образом, поперечная реакция якоря при насыщенной магнитной системе не только искажает, но и уменьшает резуль­тирующее магнитное поле и соответственно уменьшает э.д.с. и напряжение генератора.