14.5. Реакция якоря

При холостом ходе, т. е. когда по обмотке якоря не проходит ток, магнитный поток Ф_в в машине создается только м. д. с. F_B обмот­ки возбуждения. Этот магнитный поток распределяется симметрично относительно продольной оси машины (рис. 14.10, а) при условии, что она имеет симметричный воздушный зазор между якорем и сердечни­ком главного полюса. Если машина работает под нагрузкой и по обмотке якоря проходит ток, который создает м. д. с. якоря, то эта м. д. с. оказывает воздействие на магнитное поле полюсов, которое называют реакцией якоря. Реакция якоря обычно обусловливает раз­магничивание машины.

При исследовании реакции якоря будем пренебрегать насыщением магнитной цепи машины и считать, что м. д. с. обмотки возбуждения и м. д. с. обмотки якоря расходуются на преодоление магнитными потоками воздушного зазора. Благодаря этому вместо м. д. с. можно рассматривать магнитные потоки возбуждения и реакции якоря. Сущ­ность реакции якоря удобно исследовать методом наложения, хотя этот метод неточен, так как реакция якоря происходит в нелинейной цепи (поле в ферромагнитных телах не является линейной функцией тока). При холостом ходе, когда реакция якоря в машине отсут­ствует, магнитное поле главных полюсов можно представить таким образом, как это показано на рис. 14.10, а для двухполюсной машины, причем при холостом ходе геометрическая нейтраль О—О, т. е. линия, перпендикулярная оси полюсов, является и физической нейтралью (линия, проходящая через точки окружности якоря, в которых магнитная индукция равна нулю). На рис. 14.10,б,в щетки установлены на геометрической нейтрали и условно показаны опирающимися на якорь (хотя в действительности их устанавливают на коллекторе). На рис. 14.10, б показано поле якоря, когда ток возбуждения в обмотке полюсов равен нулю, а через обмотку якоря проходит ток, имеющий то же направ­ление, что и при нормальной работе машины. Образовавшееся в этом случае магнитное поле якоря направлено по поперечной оси машины, т. е. вдоль геометрической нейтрали. Таким образом, магнитный поток Ф_аq этого поля, созданный м. д. с. якоря F_aq, в двухполюсной машине при установке щеток на геометрической нейтрали направлен по поперечной оси машины, вследствие чего его называют поперечным.

Если наложить друг на друга поле главных полюсов Ф_в (рис. 14.10, а) и поле якоря Ф_aq (рис. 14.10, б), то получим результирующее поле, показанное на рис. 14.10, в, откуда видно, что в результате реакции якоря симметричное распределение магнитного поля машины отно­сительно оси главных полюсов искажается и результирующее поле ввиду этого смещается к одному из краев полюсов. Магнитный поток машины смещается в генераторном режиме по направлению ее вращения, в двигательном режиме - против направления вращения. В результате реакции якоря физическая нейтраль О'-О' тоже смещается по отноше­нию геометрической нейтрали О-О на некоторый угол β, причем в гене­раторах физическая нейтраль смещается по направлению вращения якоря, а в двигателях — против направления вращения.

Влияние поперечной реакции якоря на результирующий магнитный поток зависит от степени насыщения магнитной цепи и от тока якоря. Если бы магнитная цепь машины обладала линейными свойствами, т. е. в процессе работы машина находилась бы в ненасыщенном состоянии, то ослабление поля под одним краем полюса было бы равно усилению поля под другим краем полюса и результирующий магнитный поток не изме­нялся бы. Практически же из-за насыщения той части полюса, которая должна пропускать больший магнитный поток, ее магнитное сопротивление возрастает в большей мере, чем уменьшается сопротивление дру­гой части полюса. В результате, например в генераторах, под набегаю­щим краем полюса поле уменьшается больше, чем увеличится под сбегающим, и, следовательно, уменьшится результирующий магнитный поток, а также, согласно (14.3), уменьшится э. д. с.

В двигателях при уменьшении результирующего магнитного потока уменьшается электромагнитный момент и, как будет показано далее, изменяется частота вращения. Реакция якоря в двигателях постоянного тока приводит к тем же результатам, что и в генераторах, с той лишь разницей, что физическая нейтраль в двигателях сдвигается против вращения (рис. 14.10, в).

Помимо уменьшения э. д. с. в результате реакции якоря в секциях обмотки якоря, расположенных на геометрической нейтрали и замыкае­мых щетками накоротко, возникает э. д. с., являющаяся одной из причин искрения под щетками. Кроме того, между коллекторными пластинами, соединенными с секциями, находящимися в зоне усиленного магнитного поля главных полюсов, может возникнуть повышенное напряжение, кото­рое может послужить причиной образования дуги между коллекторными пластинами. Возникновение искрения снижает надежность работы ма­шин постоянного тока, так как возникновение разрядов приводит к раз­рушению поверхности коллектора и щеток.

Для устранения искажения магнитного поля под полюсами в маши­нах средней и большой мощности применяют компенсационную обмотку. Эту обмотку укладывают в пазы, выштампованные в полюсных наконеч­никах, и включают последовательно с обмоткой якоря таким образом, чтобы создаваемый компенсационной обмоткой магнитный поток был равен по значению и противоположен по направлению потоку якоря в зоне полюсов. Компенсационная обмотка усложняет и удорожает машину, поэтому ее применяют в специальных случаях. Иногда для компенсации реакции якоря используют увеличение м. д. с. главных полюсов путем добавления соответствующего количества витков в обмотку возбуждения.

Для того чтобы исключить смещение физической нейтрали, в маши­нах постоянного тока мощностью свыше 0,3 кВт используют дополни­тельные полюсы, которые устанавливают на геометрической нейтрали. Эти полюсы создают магнитный поток, направленный навстречу потоку реакции якоря, компенсируя тем самым поле реакции якоря в относительно узкой зоне поверхности якоря, где находятся проводники замы­каемых щетками секций. Обмотки дополнительных полюсов соединяют через щетки последовательно с обмоткой якоря таким образом, чтобы направление м. д. с. дополнительных полюсов было противоположно направлению м. д. с. реакции якоря. При наличии дополнительных полюсов щетки нужно устанавливать на коллекторе по линии геометри­ческой нейтрали. Дополнительные полюсы служат также для улучше­ния коммутации.

В машинах небольшой мощности, не имеющих дополнительных полюсов, для уменьшения искрения под щетками их смещают с геометри­ческой нейтрали в направлении физической нейтрали (рис. 14.11): в гене­раторе — по направлению вращения (I), в двигателе — против вращения (II). При смещении щеток распределе­ние токов в проводниках обмотки якоря относительно оси главных полюсов ока­зывается несимметричным, вследствие чего появляются продольная м. д. с. F_ad, создающая продольный поток Ф_ad реак­ции якоря, и поперечная м. д. с. F_aq, создающая поперечный поток Ф_аq По­перечный поток реакции якоря действует на результирующий магнитный поток машины Ф_рез так же, как при располо­жении щеток на геометрической нейтра­ли. Продольный поток реакции якоря может сильно увеличивать или умень­шать Ф_рез в зависимости от того, совпадает м. д. с. F_ad с м. д. с. обмотки возбуждения F_B или направлена противо­положно ей.

Направление м. д. с. F_ad зависит от того, в какую сторону сдвинуты щетки от геометрической нейтрали. Если щетки сдвинуты по направле­нию вращения в генераторе (в двигателе — против направления вра­щения), то м. д. с. размагничивает машину. При сдвиге щеток против направления вращения в генераторе (в двигателе — по направлению вращения) м. д. с. подмагничивает машину. Однако второй вариант сдви­гов недопустим, так как может возникнуть искрение под щетками.