Реакция якоря машины постоянного тока
При работе машины в режиме холостого хода ток в обмотке якоря практически отсутствует, поэтому в машине действует лишь МДС обмотки возбуждения Fв0. Магнитное поле машины в этом случае симметрично относительно оси полюсов (рис. 14, а). График распределения магнитной индукции в воздушном зазоре представляет собой кривую, близкую к трапеции.
Если же машину нагрузить, то в обмотке якоря появится ток, который создаст в магнитной системе машины МДС якоря Fa. Допустим, что МДС возбуждения равна нулю и в машине действует лишь МДС якоря. Тогда магнитное поле, созданное этой МДС, будет иметь вид, представленный на рис. 14, б. Из рисунка видно, что МДС обмотки якоря направлена по линии щеток (в данном случае по геометрической нейтрали). Несмотря на то что якорь вращается, пространственное положение МДС обмотки якоря остается неизменным, так как направление этой МДС определяется положением щеток.
Наибольшее значение МДС якоря — на линии щеток (рис. 14, б, график 1), а по оси полюсов эта МДС равна нулю. Однако распределение магнитной индукции в зазоре от потока якоря совпадает с графиком МДС лишь в пределах полюсных наконечников. В межполюсном пространстве магнитная индукция резко ослабляется (рис. 14, б, график 2). Объясняется это увеличением магнитного сопротивления потоку якоря в межполюсном пространстве. МДС обмотки якоря на пару полюсов пропорциональна числу проводников в обмотке N и току якоря Iа:
Таким образом, в нагруженной машине постоянного тока действуют две МДС: возбуждения Fb0 и якоря Fa.
Влияние МДС обмотки якоря на магнитное поле машины называют реакцией якоря. Реакция якоря искажает магнитное поле машины, делает его несимметричным относительно оси полюсов.
Рис. 14. Магнитное поле машины и распределение магнитной индукции в воздушном зазоре окружности по наружному диаметру якоря Da:
На рис. 14, в показано распределение магнитных силовых линий результирующего поля машины, работающей в генераторном режиме при вращении якоря по часовой стрелке. Такое же распределение магнитных линий соответствует работе машины в режиме двигателя, но при вращении якоря против часовой стрелки.
Если принять, что магнитная система машины не насыщена, то реакция якоря будет лишь искажать результирующий магнитный поток, не изменяя его: край полюса и находящийся под ним зубцовый слой якоря, где МДС якоря совпадает по направлению с МДС возбуждения, подмагничиваются; другой край полюса и зубцовый слой якоря, где МДС направлена против МДС возбуждения, размагничиваются. При этом результирующий магнитный поток как бы поворачивается относительно оси главных полюсов на некоторый угол, а физическая нейтраль mm 1 (линия, проходящая через точки на якоре, в которых индукция равна нулю) смещается относительно геометрической нейтрали пп’ на угол α. Чем больше нагрузка машины, тем сильнее искажение результирующего поля, а следовательно, тем больше угол смещения физической нейтрали. При работе машины в режиме генератора физическая нейтраль смещается по направлению вращения якоря, а при работе двигателем — против вращения якоря.
Искажение результирующего поля машины неблагоприятно отражается на ее рабочих свойствах. Во-первых, сдвиг физической нейтрали относительно геометрической приводит к более тяжелым условиям работы щеточного контакта и может послужить причиной усиления искрения на коллекторе. Во-вторых, искажение результирующего поля машины влечет за собой перераспределение магнитной индукции в воздушном зазоре машины. На рис. 19, в показан график распределения результирующего поля в зазоре, полученный совмещением кривых, изображенных на рис. 14, а, б. Из этого графика следует, что магнитная индукция в зазоре машины распределяется несимметрично относительно оси полюсов, резко увеличиваясь под подмагниченными краями полюсов. Это приводит к тому, что мгновенные значения ЭДС секций обмотки якоря в моменты попадания их пазовых сторон в зоны максимальных значений магнитной индукции (под подмагниченные края полюсных наконечников) резко повышаются. В результате возрастает напряжение между смежными коллекторными пластинами UK. При значительных нагрузках машины напряжение UK может превзойти допустимые пределы и миканитовая прокладка между смежными пластинами будет перекрыта электрической дугой. Имеющиеся на коллекторе частицы графита будут способствовать развитию электрической дуги, что приведет к возникновению мощной электрической дуги, перекрывающей весь коллектор или значительную его часть, — явления, чрезвычайно опасного.
Влияние реакции якоря на работу машины усиливается при смещении щеток с геометрической нейтрали. Если машина работает в генераторном режиме, то при смещении щеток в направлении вращения якоря продольная составляющая МДС якоря действует встречно МДС обмотки возбуждения Fв0, что ослабляет основной магнитный поток машины.Если машина работает в двигательном режиме, то при смещении щеток по направлению вращения. якоря продольная составляющая МДС якоря Fad подмагничивает машину, а при смещении щеток против вращения якоря продольная составляющая Fad размагничивает машину. |
Магнитное поле машины постоянного тока
Холостой ход.При холостом ходе магнитный поток в машине создается только м.д.с. Fвобмотки возбуждения.
В этом случае магнитный поток Фв при симметричном воздушном зазоре между якорем и сердечником главного полюса распределяется симметрично относительно продольной оси машины (рис. 2.22, а).
Рис. 2.22 – Магнитное поле машины постоянного тока, создаваемое:
а–обмоткой возбуждения, б – обмоткой якоря, в-результирующее
Зависимость магнитного потока возбуждения Фв от м.д.с. Fв(кривая намагничивания–рис. 2.23) для машин постоянного тока подобна кривой намагничивания для синхронных машин. Однако при проектировании машин постоянного тока допускают большие индукции на участках магнитной цепи, чем в синхронных машинах (в зубцах, якоре, станине и полюсах), 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.
Рис. 2.23 – Кривая намагничивания машины постоянного тока
Реакция якоря.При работе машины под нагрузкой по обмотке якоря проходит ток, вследствие чего возникает м.д.с. якоря. Воздействие м.д.с. якоря на магнитное поле машины называют реакцией якоря. Для упрощения анализа явления реакции якоря будем пренебрегать насыщением магнитной цепи машины и считать, что м.д.с. Fв обмотки возбуждения и м.д.с. Faqобмотки якоря целиком расходуются на преодоление магнитными потоками воздушного зазора. В этом случае вместо указанных м.д.с. можно рассматривать соответствующие потоки: возбуждения Фв и реакции якоря Фаq. Магнитный поток Фаq, созданный м.д.с. якоря Faqв двухполюсной машине при установке щеток на геометрической нейтрали, направлен по поперечной оси машины (рис. 2.22, б), поэтому магнитное поле якоря называют поперечным. В результате действия реакции якоря симметричное распределение магнитного поля машины искажается; при этом результирующее магнитное поле оказывается смещенным к краям главных полюсов (рис. 2.22, в). При этом физическая нейтраль 0′–0′ (линия, соединяющая точки окружности якоря, в которых индукция равна нулю) смещается относительно геометрической нейтрали 0–0 на некоторый угол β. В генераторах физическая нейтраль смещается по направлению вращения якоря; в двигателях – против направления вращения.
Чтобы построить кривую Bрез = f(x) распределения результирующей индукции вдоль окружности якоря, применим метод суперпозиции. Так как обмотка возбуждения является сосредоточенной, то кривая распределения создаваемой ею м.д.с. F’в = f(x) имеет форму прямоугольника, где F’в= 0,5Fв – м.д.с, приходящаяся на один воздушный зазор. В этом случае кривая индукции Bв = f(x) имеет форму криволинейной трапеции (рис. 2.24, а).
Для построения кривой м.д.с. Faqx = f(x) и создаваемой ею индукции Baqx = f(x) примем, что обмотка якоря равномерно распределена по его окружности. Тогда на основании закона полного тока м.д.с. якоря, действующая вдоль контура обхода через точки воздушного зазора на расстоянии х от оси главных полюсов,
, (2.11)
а м.д.с, приходящаяся на один зазор,
, (2.11а)
где A = iaN/(πDa) – линейная нагрузка якоря (число ампер, приходящихся на 1 см окружности якоря).
Следовательно, м.д.с. якоря Faqx изменяется линейно вдоль его окружности (рис. 2.24, 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
, (2.12)
где δx–величина воздушного зазора в точке х.
Из (2.12) следует, что под полюсом при δx =const индукция Вaqx изменяется линейно вдоль окружности якоря. Но в междуполюсном пространстве резко возрастает длина магнитной силовой линии, т.е. величина δx, и индукция Baqx резко уменьшается. В результате кривая распределения Baqx = f(x) приобретает седлообразную форму. Кривую распределения результирующей индукции Bрез = f(x) можно получить путем алгебраического сложения ординат кривых Bв = f(x) и Baqx = f(x). Как видно из рис. 2.24, в, максимум индукции Bмакс имеет место под краями главных полюсов.
Реакция якоря, таким образом, оказывает следующее влияние на магнитное поле машины:
а) физическая нейтраль 0′–0′ (см. рис. 2.22) смещается относительно геометрической нейтрали 0–0 на некоторый угол β;
б) искажается кривая распределения индукции Bрез = f(x) в воздушном зазоре и возрастает индукция под краями главных полюсов, что ведет к повышению напряжения в секциях, стороны которых проходят зоны с увеличенной индукцией.
Кроме того, как будет 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. 2.24, в) но площадь ее остается равной площади кривой индукции при холостом ходе (рис. 2.24, а).
Рис. 2.24 – Распределение индукции в воздушном зазоре машины постоянного тока:
а–от обмотки возбуждения, б – от обмотки якоря, в-результирующее
Следовательно, результирующий поток Фрез при нагрузке будет равен потоку Фв при холостом ходе. Однако при насыщенной магнитной цепи реакция якоря будет уменьшать поток Фрез. Чтобы установить влияние м.д.с. Faq на величину потока Фреэ, рассмотрим зависимость результирующей индукции Bрез в воздушном зазоре от результирующей м.д.с. Fpeзx = F’в ± Faqx, действующей в некоторой точке х зазора (рис. 2.25).
Примем, что в машине насыщены только зубцы якоря. Тогда м.д.с F’вбудет расходоваться на преодоление магнитного сопротивления одного воздушного зазора и одного зубцового слоя. В точках, лежащих пол серединой полюсов, эта м.д.с. создает индукцию Bср = Bв, так как в этих точках м.д.с. Faqx = 0. По мере приближения к одному из краев полюса, например к правому, у полюса N (см. рис. 2.24, в) индукция Bрезбудет возрастать до величины Bпрx, так как здесь действует м.д.с. F’в + Faqx;при приближении к другому краю этого полюса (в данном случае к левому) индукция будет уменьшаться до Влевх, так как здесь действует м. д. с. F’в–Faqx.Однако из-за нелинейного характера зависимости Bpeз=f(x) прирост индукции ΔBпрxу правого края полюса будет меньше, чем снижение индукции ΔBлевx. у левого края, вследствие чего результирующий поток машины уменьшится [см. косую штриховку в кривой индукции Bрез = f(x) на рис. 2.24, в].
Рис. 2.25 – Определение размагничивающего действия поперечного поля реакции якоря
Хотя снижение магнитного потока под действием м.д.с. якоря обычно невелико и составляет всего 1–3%, это существенно сказывается на характеристиках генераторов постоянного – тока и приводит к уменьшению э.д.с. Е машины при нагрузке по сравнению с э.д.с. Е0 при холостом ходе.
Если машина работает при небольших токах возбуждения, т.е. на прямолинейной части кривой намагничивания, то редакция якоря размагничивающего действия не оказывает. Аналогичный эффект будет и при очень большом насыщении, когда машина снова работает на прямолинейном участке кривой намагничивания.
Реакция якоря при сдвиге щеток с геометрической нейтрали.В этом случае окружность якоря с обмоткой можно разделить на четыре зоны (рис. 2.26). Две из них, охватывающие стороны секций в пределах угла 2α, образуют продольную м.д.с. Fad
две другие, охватывающие стороны секций в пределах угла (π–2а), – поперечную м.д.с.
Рис. 2.26 – Возникновение продольной (а) и поперечной (б) м. д. с. якоря при сдвиге щеток с геометрической нейтрали
Продольная м.д.с. Fad создает продольный поток Фаd, который может сильно увеличивать или уменьшать результирующий магнитный поток машины Фрез в зависимости от того, совпадает м.д.с, Fad с м.д.с. Fвили 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 м.д.с. Fad размагничивает машину. При сдвиге щеток в обратном направлении м.д.с. Fad подмагничивает машину. Свойство продольной м.д.с. Fad изменять результирующий магнитный поток Фрез используется в некоторых специальных машинах, например в электромашинных Усилителях с поперечным полем. Поперечная м.д.с. Faq создает магнитный поток Фaq; она действует на поток Фрез так же, как и при расположении щеток на геометрической нейтрали.
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Режим холостого хода. Магнитный поток при холостом ходе в машине создается только МДСFв 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 Faqобмотки 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 графикдля 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) |
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,
Следовательно, МДС якоря Faqxизменяется 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.
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.
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.
| 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.
Реакция якоря машины постоянного тока
При работе машины в режиме х.х. ток в обмотке якоря практически отсутствует, а поэтому в машине действует лишь МДС обмотки возбуждения FВ0. Магнитное поле машины в этом случае симметрично относительно оси полюсов (рис. 9, а).График распределения магнитной индукции в воздушном зазоре представляет собой кривую, близкую к трапеции.
Если же машину нагрузить, то в обмотке якоря появится ток, который создаст в магнитной системе машины МДС якоря Fa.Допустим, что МДС возбуждения равна нулю и в машине действует лишь МДС якоря. Тогда магнитное поле, созданное этой МДС, будет иметь вид, представленный на рис. 9, б.Из этого рисунка видно, что МДС обмотки якоря направлена по линии щеток (в данном случае по геометрической нейтрали). Несмотря на то что якорь вращается, пространственное положение МДС обмотки якоря остается неизменным, так как направление этой МДС определяется положением щеток.
Наибольшее значение МДС якоря – на линии щеток (рис. 9, б,кривая 1), а по оси полюсов эта МДС равна нулю. Однако распределение магнитной индукции в зазоре от потока якоря совпадает с графиком МДС лишь в пределах полюсных наконечников. В межполюсном пространстве магнитная индукция резко ослабляется (рис. 9, б, кривая 2). Объясняется это увеличением магнитного сопротивления потоку якоря в межполюсном пространстве.
Влияние МДС обмотки якоря на магнитное поле машины называют реакцией якоря. Реакция якоря искажает магнитное поле машины, делает его несимметричным относительно оси полюсов.
Рис. 9. Магнитное поле машины и распределение магнитной индукции
в воздушном зазоре
На рис. 9, в показано распределение магнитных силовых линий результирующего поля машины, работающей в генераторном режиме при вращении якоря по часовой стрелке. Такое же распределение магнитных линий соответствует работе машины в режиме двигателя, но при вращении якоря против часовой стрелки. Если принять, что магнитная система машины не насыщена, то реакция якоря будет лишь искажать результирующий магнитный поток, не изменяя его значения: край полюса и находящийся под ним зубцовый слой якоря, где МДС якоря совпадает по направлению с МДС возбуждения, подмагничиваются; другой край полюса и зубцовый слой якоря, где МДС направлена против МДС возбуждения, размагничиваются. При этом результирующий магнитный поток как бы поворачивается относительно оси главных полюсов на некоторый угол, а физическая нейтраль mm’ (линия, проходящая через точки на якоре, в которых индукция равна нулю) смещается относительно геометрической нейтрали nn’ на угол α. Чем больше нагрузка машины, тем сильнее искажение результирующего поля, а следовательно, тем больше угол смещения физической нейтрали. При работе машины в режиме генератора физическая нейтраль смещается по направлению вращения якоря, а при работе двигателем – против вращения якоря.
Искажение результирующего поля машины неблагоприятно отражается на ее рабочих свойствах. Во-первых, сдвиг физической нейтрали относительно геометрической приводит к более тяжелым условиям работы щеточного контакта и может послужить причиной усиления искрения на коллекторе. Во-вторых, искажение результирующего поля машины влечет за собой перераспределение магнитной индукции в воздушном зазоре машины. На рис. 9, в показан график распределения результирующего поля в зазоре, полученный совмещением кривых, изображенных на рис. 9, а, б. Из этого графика следует, что магнитная индукция в зазоре машины распределяется несимметрично относительно оси полюсов, резко увеличиваясь под подмагниченными краями полюсов. Это приводит к тому, что мгновенные значения ЭДС секций обмотки якоря в моменты попадания их пазовых сторон в зоны максимальных значений магнитной индукции (под подмагниченные края полюсных наконечников) резко повышаются. В результате возрастает напряжение между смежными коллекторными пластинами UK.