Процесс коммутации
Период коммутации
Период коммутации Tк представляет собой время, в течение которого секция замкнута накоротко щеткой и коммутируется.
В случае простой петлевой обмотки секция, изображенная на рисунке 1, а в виде петли, присоединяется к соседним коллекторным пластинам. При этом значение Tк равно времени перемещения коллектора, вращающегося с окружной скоростью vк, на ширину щетки bщ:
Рисунок 1. Определение периода коммутации
Обозначим: Dк – диаметр коллектора,
– коэффициент перекрытия (обычно βк = 2,0 – 4,0, а при сложных петлевых обмотках βк достигает 7,0). Тогда
(n – число оборотов якоря; K – число пластин коллектора) и для простой петлевой обмотки, согласно выражению (1),
При сложной, m-ходовой петлевой обмотке (рисунок 1, б) между началом и концом секции располагается m – 1 коллекторных пластин. При этом секция замкнута накоротко в течение времени перемещения коллектора на длину дуги bщ – (m – 1) × bк, и, следовательно,
Подставив сюда bщ = βк × bк, число ходов обмотки m = a / p (где а – число пар параллельных ветвей обмотки; p – число пар полюсов) и значение vк из формулы (4), получим
Выражение (6) действительно также для простой петлевой обмотки (a / p = 1) и, кроме того, как можно показать, для простой и сложной волновых обмоток.
Пусть, например, мы имеем машину с простой петлевой обмоткой и n = 1500 об/мин = 25 об/с, K = 100, βк = 2,5. Тогда по формуле (5) или (6)
Таким образом, процесс коммутации протекает быстро и по отношению к внешней цепи машины является периодическим процессом с частотой порядка 1000 – 3000 Гц.
Уравнения коммутации
Исследуем закономерности коммутации секции для простой петлевой обмотки и примем сначала для простоты, что ширина щетки равна коллекторному делению (рисунок 2).
Рисунок 2. Последовательные моменты коммутации секции
Составим второе уравнение Кирхгофа для коммутируемой секции (рисунок 2):
где i – ток в коммутируемой секции, принимаемый положительным для начального момента коммутации (рисунок 2, а); i1, i2 – токи, протекающие через соединительные проводники («петушки») и коллекторные пластины 1 и 2 к щетке; rс – сопротивление секции; rп – сопротивление «петушка»; rщ1, rщ2 – сопротивление щеточного контакта между пластинами 1 и 2 и щеткой; ∑e – сумма электродвижущих сил, индуктируемых в коммутируемой секции в результате процесса самоиндукции в короткозамкнутой секции и других явлений.
Кроме того, для узловых точек а и б на рисунке 2 можно составить два первых уравнения Кирхгофа:
Процесс коммутации определяется изменением во времени токов i, i1, i2. Эти токи могут быть определены из уравнений (7) и (8), если известны все другие величины. Однако в общем случае решение этих уравнений весьма затруднительно. Действительно, iа, rс и rп можно считать постоянными и заданными величинами. Однако rщ1 и rщ2 являются весьма сложными математическими трудно определимыми функциями токов i1, i2 и времени t. То же можно сказать и о сумме электродвижущих сил ∑e. Поэтому ниже, следуя так называемой классической теории коммутации, находим приближенное решение, которое позволяет выявить основные закономерности процесса коммутации и определить способы ее улучшения.
Подставим i1 и i2 из уравнений (8) и (7). Тогда получим
Первый член этого выражения представляет собой так называемый основной ток коммутации секции, а второй член – добавочный ток коммутации. Очевидно, что знаменатели в выражении (9) определяют сопротивление короткозамкнутого контура коммутируемой секции. Добавочный ток коммутации поэтому можно рассматривать как ток короткого замыкания секции, определяемый электродвижущей силой ∑e.
Коммутация сопротивлением, прямолинейная коммутация
Рассмотрим сначала случай, когда ∑e = 0. При этом в секции существует только основной ток коммутации. Изменение тока секции i определяется только изменением rщ1 и rщ2, вследствие чего этот случай называется коммутацией сопротивлением.
В классической теории коммутации принимается, что rщ1 и rщ2 обратно пропорциональны контактным площадям S1 и S2 пластин 1 и 2 со щетками (рисунок 2). При этом предполагается также, что токи i1 и i2 распределяются равномерно по этим площадям.
Пусть начало коммутации соответствует времени t = 0 (рисунок 2, а), а конец t = Tк (рисунок 2, в). Тогда при bщ = bк
где S – полная контактная площадь коллекторной пластины со щеткой в положении, показанном на рисунке 2, а и в.
Пусть, далее, переходное сопротивление между щеткой и пластиной в предельных положениях в соответствии с рисунком 2, а и в равно rщ. Тогда при указанных выше предположениях
Подставим теперь значения rщ1 и rщ2 из (12) в (10). Тогда найдем, что
Зависимость i от t, согласно выражению (13), является линейной (рисунок 3, а). Такую коммутацию поэтому называют прямолинейной.
Рисунок 3. Прямолинейная (а) и криволинейная (б) коммутация сопротивлением
Установим распределение плотности тока под щеткой для этого случая коммутации. Плотности тока под сбегающим и набегающим краями щетки соответственно равны:
На рисунке 3, а для некоторого момента времени t в соответствии с уравнениями (8) показаны также значения токов i1 и i2. При этом из рисунка 3, а следует, что
Очевидно, что при прямолинейной коммутации (рисунок 3, а) α1 = α2 = const. Поэтому в течение всего периода коммутации также jщ1 = jщ2 = const.
Таким образом, при прямолинейной коммутации плотность тока под всей щеткой на протяжении всего времени коммутации неизменна, как если бы щетки находились на сплошном вращающемся контактном кольце, а не на коллекторе. Такой случай коммутации поэтому является теоретически идеальным.
Можно показать, что и при bщ > bк коммутация простой петлевой обмотки является прямолинейной, если только ∑e = 0 и rс = rп = 0.
Если rс ≠ 0 и rп ≠ 0, то по равенствам (9) и (12) можно установить, что при ∑e = 0 ток i изменяется так, как показано на рисунке 3, б. Следовательно, в общем случае коммутация сопротивлением не является прямолинейной. Однако в обычных условиях отклонение кривой на рисунке 3, б от прямой линии мало, и им можно пренебречь.
Замедленная и ускоренная коммутация
В общем случае, при ∑e ≠ 0, на основной ток коммутации накладывается добавочный ток, определяемый последним членом равенства (9):
или в соответствии с равенствами (12)
Зависимость сопротивления короткозамкнутого контура секции rк от времени согласно выражению (16) изображена на рисунке 4. Если предположить, что ∑e по абсолютной величине постоянна, то характер зависимости iк.д от t при ∑e > 0 и ∑e 0 ток iк.д складывается с основным током коммутации, который можно принять линейным. При этом получается случай так называемой замедленной коммутации (рисунок 5, а), когда изменение тока i в начале коммутации происходит медленно и ускоряется к концу.
Значение тока на сбегающем краю щетки i1 в этом случае сохраняется большим вплоть до конца коммутации, вследствие чего и плотность тока jщ1 под этим краем щетки к концу коммутации становится большой. Размыкание контура короткозамкнутой секции сбегающим краем щетки при этом аналогично выключению или разрыву цепи тока с r и L при помощи рубильника.
По изложенным причинам при замедленной коммутации возникают благоприятные условия для искрения под сбегающим краем щетки.
Рисунок 5. Замедленная (а) и ускоренная (б) коммутация
Этому способствует также то обстоятельство, что контакт на краях щетки менее устойчив (из-за наличия зазора между щеткодержателем и щеткой, последняя качается, и края щетки стираются больше и так далее).
§30. Коммутация
Под коммутацией в широком смысле слова понимают все явления и процессы, возникающие под щетками при работе коллекторных электрических машин. Если щетки искрят, то говорят, что машина имеет плохую коммутацию; если искрение отсутствует, то коммутацию называют хорошей. Качество коммутации в значительной степени определяет работоспособность машины и ее надежность в эксплуатации.
Причины искрения щеток. Искрение может вызываться большим количеством причин; обычно их разбивают на две группы: механические и электромагнитные. Механическими причинами являются биение коллектора, его эллиптичность, шероховатость, наличие выступающих коллекторных пластин и изоляционных прокладок, вибрация щеткодержателей и т. д. Все эти причины приводят к вибрации щеток, в связи с чем возможны кратковременный разрыв контакта между щеткой и коллектором и возникновение кратковременной электрической дуги. Особенно трудно обеспечить отсутствие вибрации щеток при больших окружных скоростях коллектора (50 м/с и выше).
Электромагнитные причины приводят к тому, что даже при идеальном состоянии щеточного контакта при выходе коллекторной пластины из-под щетки разрывается ток и возникает короткая электрическая дуга, повреждающая сбегающие части щетки и коллекторных пластин. Искрение, вызванное электромагнитными причинами, повреждает поверхность коллектора и, как следствие, приводит к вибрации щеток, т. е. способствует возникновению искрения из-за механических причин. Неустойчивость же щеточного контакта оказывает существенное влияние на электромагнитные процессы в секциях, переходящих из одной параллельной ветви обмотки якоря в другую. Поэтому, как правило, искрение щеток на коллекторе вызывается совместным действием многих причин.
Качество коммутации оценивается степенью искрения (классом коммутации) под сбегающим краем щетки, из-под которого выходят пластины коллектора при его вращении. Допускаемые степени искрения согласно Государственному стандарту приведены в табл. 3.
Физическая Сущность процесса коммутации. Как было установлено в § 28, щетки разделяют обмотку якоря на несколько параллельных ветвей. При вращении якоря каждая секция его обмотки переходит из одной параллельной ветви в другую, что сопровождается резким изменением направления тока в секции и замыканием этой секции накоротко щетками. Процесс переключения секций обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую и изменения направления в них тока называется процессом коммутации.
Предположим, что в какой-либо момент секция 1 (рис. 112, а) находится в нижней параллельной ветви, при этом ток ветви iя протекает по секции в направлении от ее начала Н к концу К (для простоты принимаем, что щетки скользят не по коллектору, а непосредственно по виткам обмотки якоря). Через некоторое время якорь повернется и секция 1 окажется в верхней параллельной ветви (рис. 112, б). При этом ток iя будет уже проходить по секции в обратном направлении, т. е. от ее конца К к началу Н.
Большую часть времени, соответствующего одному обороту якоря, ток секции равен току параллельной ветви iя. Однако поскольку секция, перемещаясь под полюсами, попадает то в одну, то в другую параллельную ветвь, направление тока в ней периодически меняется (рис. 112,в). Изменение направления тока в секции происходит за период времени, в течение которого соединенные с секцией коллекторные пластины соприкасаются со щеткой. Это время называется периодом коммутации Тк. Секция начинает коммутироваться в момент, когда коллекторные пластины, между которыми подключена секция, перекрываются набегающим краем щетки; заканчивается же процесс коммутации этой секции в момент выхода указанных коллекторных пластин из-под противоположного (сбегающего) края щетки.
Рис. 112. Переход секции обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую (а и б) и кривая изменения тока в секции (в)
Рассмотрим более подробно процесс коммутации в какой-либо секции обмотки якоря двухполюсной машины при различных положениях щетки относительно коллекторных пластин. При этом ради простоты будем считать, что ширина щетки равна ширине коллекторной пластины. В начальный момент коммутации (рис. 113, а) щетка перекрывает коллекторную пластину 1, и ток в обмотке якоря Iя = 2iя, пройдя щетку и коллекторную пластину, разветвляется на две ветви, при этом по каждой параллельной ветви (правой и левой) протекают токи iя. При вращении якоря коллекторные пластины сдвигаются относительно щетки, и через некоторое время щетка начинает перекрывать обе коллекторные пластины 1 и 2, замыкая накоротко коммутируемую секцию 1—4, обозначенную жирной линией (рис. 113,б). При этом через коммутируемую секцию будет протекать некоторый ток i, в обеих же параллельных ветвях будут проходить токи iя. Поэтому через набегающую коллекторную пластину 1 будет проходить ток i1=iя+i, а через сбегающую пластину 2 — ток i2 = iя — i.
Рис. 113. Распределение тока в коммутируемой секции в различные моменты коммутации
В конце процесса коммутации (рис. 113, в) щетка сходит с коллекторной пластины У и перекрывает только одну пластину 2, при этом ток в коммутируемой секции будет направлен противоположно его направлению в начале коммутации.
Рассмотренный выше процесс коммутации не вызывает каких-либо неприятных последствий в машине. Для нее характерно:
сбегающая коллекторная пластина 2 выходит из-под края щетки без разрыва тока;
плотность тока под щетками в течение периода коммутации остается неизменной, так как по мере уменьшения тока i1 пропорционально уменьшается перекрываемая щеткой площадь S1 коллекторной пластины 1. Точно так же по мере увеличения тока i2 пропорционально увеличивается перекрываемая щеткой площадь S2 коллекторной пластины 2.
По этим причинам прямолинейная коммутация считается оптимальной. Если при расчете машины выбрать площадь щеток так, чтобы плотность тока под ними не превышала некоторую предельную для щеток данной марки, то данная машина будет работать без искрения.
Однако в действительных условиях работы машин постоянного тока процесс коммутации протекает более сложно. В современных машинах период коммутации Тк весьма мал и составляет примерно 0,001—0,0001 с. Вследствие этого скорость изменения тока в коммутируемой секции очень велика и в ней индуцируется довольно большая э. д. с. самоиндукции eL. Обычно в процессе коммутации участвует несколько секций, одновременно замыкаемых накоротко щетками. При этом в них возникает также и э. д. с. взаимоиндукции ем. Сумма возникающих в каждой коммутируемой секции э. д. с.
Рис. 114. Зависимости изменения токов i, i1, i2 в коммутируемой секции во времени при прямолинейной (а), замедленной и ускоренной (б) коммутации
Рис. 115. Возникновение реактивной э.д.с. (а) и добавочного тока коммутации (б)
самоиндукции и взаимоиндукции носит название реактивной э. д. с: ер = еL + ем (рис. 115, а). Эта э.д.с, действуя в замкнутой накоротко секции, сильно изменяет характер коммутации и вызывает добавочный ток коммутации iк (рис. 115,б).
Согласно правилу Ленца э. д. с. самоиндукции и взаимоиндукции должны противодействовать вызывающей их причине, т. е. замедлять изменение тока i в коммутируемой секции. Так как этот ток в процессе коммутации стремится уменьшиться, а затем изменить свой знак, реактивная э. д. с. ер должна противодействовать этому уменьшению; следовательно, она будет иметь направление, совпадающее с направлением тока i в коммутируемой секции в первую половину периода коммутации. Такое же направление имеет и добавочный ток коммутации iк.
Циркулируя в цепи коммутируемой секции, замкнутой накоротко щеткой, ток iк уменьшает ток i2 на набегающем крае щетки и увеличивает ток i1 на сбегающем крае. В результате плотность тока под щетками становится неравномерной: пониженной на набегающем крае щетки и повышенной на сбегающем. Такая коммутация называется замедленной. Ток в коммутируемой секции в этом случае изменяется по кривой 1 или 2 (см. рис. 114, б).
Влияние коммутации на работу машины. При замедленной коммутации площадь S1 соприкосновения пластины 1 (см. рис. 113) со щеткой уменьшается быстрее, чем ток i1, вследствие чего увеличивается плотность тока под сбегающим краем щетки.
Рис. 116. Возникновение искрения под сбегающим краем при замедленной коммутации
В конце процесса коммутации эта плотность тока может достичь большого значения и вызвать искрение под щетками. В этом случае небольшая площадь электрического контакта между щеткой и сбегающей пластиной не может пропустить через себя значительный ток, и он начинает проходить помимо этого контакта. Практически при этом образуется искровой разряд (рис. 116, а) между щеткой и сбегающей коллекторной пластиной 1.
При большом значении реактивной э. д. с. ер ток i1 к моменту схода щетки со сбегающей пластины не успевает уменьшиться до нуля (кривая 2 на рис. 114, б). При этом через сбегающую пластину проходит остаточный ток iост, который разрывается щеткой. В этом случае запас электромагнитной энергии в цепи коммутируемой секции оказывается достаточным, чтобы ионизировать воздушный промежуток между щеткой и сбегающей коллекторной пластиной, поэтому между ними появляется довольно значительный дуговой разряд, т. е. интенсивное искрение (рис. 116,б). В результате длительного искрения неизбежен преждевременный износ коллектора и щеток. Коллектор загрязняется, чернеет и становится непригодным к работе. Необходимо периодически выполнять его очистку. При сильном искрении разрушаются щетки и поверхность коллектора, которую приходится подвергать обточке. При неблагоприятных условиях (в машинах с сильным искажением магнитного поля от действия реакции якоря) дуга будет переходить от пластины к пластине, что приведет к возникновению кругового огня.
Чем больше мощность электрической машины и чем выше частота вращения якоря, тем большая реактивная э. д. с. индуцируется в коммутируемых секциях и тем неблагоприятнее протекает процесс коммутации.
На протекание процесса коммутации оказывает также вредное влияние сдвиг физической нейтрали относительно геометрической, возникающий под действием реакции якоря. Обычно щетки устанавливают под серединами полюсов так, чтобы замыкаемые ими коллекторные пластины были соединены с секциями обмотки якоря, расположенными на геометрической нейтрали. В этом месте не действует магнитный поток, созданный обмоткой возбуждения машины, и при холостом ходе в указанных секциях не индуцируется никакой э. д. с. Однако при нагрузке из-за сдвига физической нетрали относительно геометрической расположенные на геометрической нейтрали коммутируемые секции оказываются в зоне действия магнитного потока якоря Фя (см. рис. 105, б), поэтому при вращении якоря в них так же, как и в остальных секциях обмотки якоря, будут индуцироваться э. д. с, называемые э. д. с. вращения. Э. д. с. вращения, созданная потоком якоря, ухудшает коммутацию, так как совпадает по направлению с реактивной э. д. с. ер.
Способы улучшения коммутации. Основной причиной искрения в машинах постоянного тока является разрыв щетками остаточного тока, созданного в коммутируемой секции реактивной э. д. с. и э. д. с. вращения от действия потока якоря. Следовательно, улучшение коммутации может быть осуществлено тремя путями:
1) уменьшением реактивной э. д. с;
2) компенсацией реактивной э. д. с. и э. д. с. вращения от потока якоря некоторой добавочной э. д. с, называемой коммутирующей; эта э. д. с. может быть индуцирована при помощи какого-либо дополнительного внешнего (коммутирующего) магнитного поля;
3) уменьшением тока коммутации iк путем увеличения сопротивления цепи коммутируемой секции.
Рассмотрим более подробно эти способы.
Уменьшение реактивной э. д. с. Это достигается путем уменьшения индуктивности секции различными конструктивными мерами. Индуктивность секции стараются сделать возможно меньшей, уменьшая число витков. Поэтому в тяговых двигателях и тепловозных генераторах секции делают одновитковыми. Пазы якоря стараются также делать открытыми и не очень глубокими (глубина их не превышает 4,5—5,5 см даже у самых крупных машин).
На значение индуктивности оказывает влияние положение стороны секции в пазу; индуктивность верхнего слоя всегда меньше индуктивности нижнего слоя. Чтобы индуктивности всех секций были примерно одинаковыми, одну сторону каждой секции располагают в верхнем слое, а другую — в нижнем.
Определенное значение для коммутации имеет и ширина щетки. Чем шире щетка, тем больше число коллекторных пластин перекрывает она одновременно и тем больше коммутируется одновременно секций. Поэтому уменьшение ширины щетки обеспечивает уменьшение реактивной э. д. с. Практика тягового электромашиностроения выработала наиболее рациональное соотношение между шириной щетки и шириной коллекторной пластины; обычно в тяговых двигателях и генераторах щетка перекрывает 3,5—4,5 коллекторных пластины.
Однако в крупных машинах все рассмотренные конструктивные меры не могут снизить индуктивность секций и реактивную э. д. с. до допустимых значений. Поэтому в таких машинах приходится уменьшать длину, окружную скорость и суммарный ток проводников, лежащих в пазах якоря, а для получения необходимой мощности машины увеличивать диаметр якоря, что приводит к увеличению габаритных размеров и массы машины. По этим причинам машины постоянного тока имеют примерно на 20—25 % меньшую мощность, чем машины переменного тока при тех же габаритных размерах и частоте вращения.
Поскольку конструктивные меры уменьшения реактивной э. д. с. влекут за собой увеличение габаритных размеров и массы, этими способами добиваются лишь снижения реактивной э. д. с. при номинальной нагрузке до уровня 3—5 В. При такой реактивной э. д. с. обычно удается наладить коммутацию, применив добавочные полюсы.
Создание в коротко замкну той секции коммутирующей э. д. с. В машинах мощностью свыше 1 —1,5 кВт для создания коммутирующего поля с целью компенсации реактивной э. д. с. и э. д. с. вращения от потока якоря применяют добавочные полюсы. Они расположены между главными полюсами на геометрической нейтрали машины (см. рис. 111, а), т. е. там же, где находятся коммутируемые секции, замыкаемые накоротко щетками. Ширину этих полюсов выбирают небольшой (рис. 117, а), чтобы созданное ими магнитное поле действовало только в зоне, где происходит процесс коммутации (коммутационной зоне). Магнитный поток добавочных полюсов направлен против потока якоря в коммутационной зоне и компенсирует его; в этом случае в коммутируемых секциях не будет индуцироваться э. д. с. вращения. Кроме того, поток добавочных полюсов индуцирует в коммутируемых секциях коммутирующую э. д. с. ек, направленную против реактивной э. д. с. ер (рис. 117, б). Добавочные полюсы рассчитывают так, чтобы коммутирующая э. д. с. ек была приблизительно равна реактивной э. д. с. ер. В этом случае имеют место рассмотренные выше условия идеальной коммутации, обеспечивающие безыскровую работу машин. Полярность каждого добавочного полюса в генераторах должна быть такой же, как у следующего по направлению вращения главного полюса, а в двигателях — как у предшествующего главного полюса. Если коммутирующая э. д. с. ек будет больше реактивной э. д. с. ер, то имеет место ускоренная коммутация, при этом ток в коммутируемой секции изменяется по кривой 3 (см. рис. 114,б). При небольшом преобладании э. д. с. ек коммутация протекает благоприятно, плотность тока под сбегающей пластиной становится малой (образуется так называемая «ступень малого тока») и сход этой пластины из-под щетки происходит без искрения. Однако если ек значительно превосходит ер, то искрение возникает под набегающим краем щетки. Осуществить точную компенсацию реактивной э. д. с. коммутирующей невозможно из-за технологических неточностей
Рис. 117. Электромагнитная схема машины с добавочными полюсами (а) и индуцирование в короткозамкнутых секциях коммутирующей э.д.с. (б): 1, 3 — добавочный и главный полюсы; 2 — обмотка добавочного полюса; 4 — якорь; 5 – коммутируемые секции; 6 — щетка; 7 — коллектор
Рис. 118. Схема включения обмоток якоря, возбуждения, добавочных полюсов и компенсационной в машине постоянного тока (а) и зависимости э.д.с. ер и ек от тока якоря Iя (б): Я — обмотка якоря; ОВ — обмотка возбуждения; ОДП — обмотка добавочных полюсов; КО — компенсационная обмотка
При изменении нагрузки машины изменяется ток, протекающий по обмотке якоря, а следовательно, и реактивная э. д. с. ер в коммутируемой секции. Для того чтобы поле добавочных полюсов автоматически компенсировало э. д. с. ер при различных нагрузках, обмотку добавочных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря (рис. 118, а), а их магнитную цепь делают ненасыщенной. Поэтому создаваемое этими полюсами коммутирующее магнитное поле, а следовательно, и коммутирующая э. д. с. ек будут изменяться пропорционально току в обмотке якоря, т. е. так же, как и реактивная э. д. с.
Чтобы увеличить предельную нагрузку, при которой происходит насыщение магнитной цепи добавочных полюсов, поперечное сечение их сердечников делают достаточно большим, а воздушный зазор под добавочными полюсами устраивают значительно большим, чем воздушный зазор под главными полюсами (рис. 119, а). В машинах
Рис. 119. Магнитная цепь добавочных полюсов в машинах большой мощности (а и б) и схема магнитных потоков, проходящих через добавочный полюс (в): 1 — остов; 2 — обмотка добавочного полюса; 3 — дополнительный воздушный зазор (немагнитная прокладка); 4 — сердечник добавочного полюса; 5 — основной воздушный зазор; 6 — якорь; 7 — главный полюс; 8 — междуполюсное пространство; 9 — коммутационная зона
большой и средней мощности при конструировании магнитной цепи добавочных полюсов приходится принимать специальные меры для уменьшения магнитного потока рассеяния Ф? добавочного полюса, который проходит через междуполюсное пространство помимо якоря (рис. 119, в). Этот поток превышает в 2—4 раза полезный поток добавочного полюса Фдп, проходящий через коммутационную зону. Для уменьшения потока рассеяния, который может вызвать насыщение сердечников добавочных полюсов, обмотку добавочного полюса размещают ближе к якорю и делят воздушный зазор на две части, устанавливая немагнитные прокладки 3 между остовом и торцами сердечников добавочных полюсов (рис. 119, б). Дополнительный воздушный зазор у остова повышает магнитное сопротивление для потока рассеяния, что обеспечивает уменьшение этого потока. Кроме того, такой зазор улучшает коммутацию при переходных режимах.
При прохождении тока между щеткой и коллектором происходят сложные электролитические процессы. Вследствие этого поверхность коллектора покрывается политурой — тонкой пленкой светло или темно-коричневого цвета, содержащей, главным образом, окислы меди и углерод. Наличие политуры благотворно сказывается на работе щеток; коэффициент трения уменьшается и возрастает переходное сопротивление контакта между щеткой и коллектором. Процесс появления политуры при обычных условиях длится от 2 до 10 ч. При очень больших скоростях перемещения щетки по коллектору (свыше 50—60 м/с) может происходить частичное разрушение политуры.
Улучшение условий коммутации можно обеспечить при применении разрезных щеток (см. рис. 87,б). В этом случае удлиняется путь, по которому проходит добавочный ток коммутации ik, и увеличивается сопротивление цепи коммутируемой секции. Следовательно, уменьшается ток ik.
Особенности коммутации при переходных режимах. Тяговые двигатели электроподвижного состава нередко работают при переходных режимах, вызываемых резкими колебаниями напряжения в сети, нарушением электрического контакта между токоприемником и контактной сетью (отрыв токоприемника от контактного провода), нарушением сцепления между колесными парами и рельсами (бок-сование, юз и восстановление нормального сцепления) и переключениями электрических цепей в процессе управления локомотивами.