Способы повышения потенциальной устойчивости
Поскольку тяговые электродвигатели работают в режимах, близких к предельным, то следует заранее оговориться, что добиться абсолютной потенциальной устойчивости и отсутствия дугообразования не удается. Однако существует ряд способов повышения потенциальной устойчивости, к основным из которых относят:
1) применение расходящихся воздушных зазоров;
2) использование специальных полюсных наконечников;
3) применение компенсационных обмоток.
Исследования показывают, что для получения одинакового ограничивающего воздействия на реакцию якоря воздушный зазор должен возрастать по линейной зависимости, от середины главного полюса к его краям, то есть его можно описать формулой
,
где 
– коэффициент раскрытия зазора; Х – относительное расположение текущей точки х под полюсом (рис. 6.12),
;
.
Обеспечить точное выполнение уравнения технологически сложно и поэтому на практике чаще используют зазоры следующих трех видов (рис. 6.13).
Рис. 6.13. Виды воздушных зазоров: а – эксцентричный; б – клиновидный; в – частично расходящийся
Чаще всего применяют эксцентричный зазор, при котором поверхность полюса выполняется одним радиусом.
Реже применяют клиновидные и частично расходящиеся зазоры.
Как уже отмечалось, на распределение индукции под полюсом заметное влияние оказывает форма рога полюсного наконечника. Желательно для машин без компенсационной обмотки, чтобы рог имел постепенное сужение с сильно заостренным концом (рис. 6.14). При этом конец рога при больших нагрузках насыщается за счет реакции якоря и ограничивает поток реакции якоря.
Однако и применение зазора, и удлинение и заострение рога уступают по своей эффективности компенсационным обмоткам.
6.8. Компенсационная обмотка и ее влияние
на потенциальные условия
Применение компенсационной обмотки является наиболее эффективным способом повышения потенциальной устойчивости тяговых двигателей и наиболее совершенной мерой подавления поперечной реакции якоря.
Компенсационная обмотка позволяет снизить максимальное межламельное напряжение 
приблизительно на 25 % в стационарных режимах и на 40…50 % в переходных режимах.
Кроме того, компенсационная обмотка, нейтрализуя искажающее влияние реакции якоря, позволяет получить более равномерное распределение магнитного потока под главным полюсом.
Применение компенсационной обмотки благоприятно и в конструкционном плане. Применение ее позволяет уменьшить число витков как главных, так и добавочных полюсов, а значит сократить количество меди, затрачиваемой на машину.
Причем, сокращение числа витков главных полюсов осуществляется потому, что с применением компенсационной обмотки можно уменьшить воздушный зазор и снизить потоки рассеяния.
Сокращение числа витков добавочных полюсов происходит из-за того, что в основном реакцию якоря компенсирует компенсационная обмотка.
Хотя с другой стороны, компенсационная обмотка это лишний узел в машине, а это усложнение конструкции, увеличение числа возможных дефектов. Да и само расположение компенсационной обмотки снижает ремонтопригодность. Дело в том, что компенсационная обмотка закладывается в пазы двух соседних главных полюсов.
Конструктивное решение компенсационной обмотки общепринято, её выполняют катушечной, как показано на рис. 6.15. Особенность укладки заключается в том, что ее укладывают не в радиальные пазы, а в пазы главного полюса, параллельные дополнительным полюсам.
Рис. 6.15. Конструкция компенсационной обмотки
Электромагнитные процессы, происходящие в двигателе при наличии компенсационной обмотки, показаны на рис. 6.16.
Действие компенсационной обмотки зависит от степени компенсации
,
где 
, 
– мдс компенсационной обмотки и реакции якоря на любом расстоянии х от середины полюса; 
– линейная нагрузка компенсационной обмотки
,
где 
– число проводников компенсационной обмотки на полюс; 
– число параллельных ветвей компенсационной обмотки
.
Рис. 6.16. Схема расположения и действия компенсационной обмотки
Как правило, при расчетах применяют 
= 0,8…1,2, на диаграммах изображена в точках 
т. е.
,
где 
– мдс реакции якоря под краем полюса.
Наибольшее расчетное значение мдс реакции якоря под серединой дополнительного полюса при 
можно определить следующим образом
.
В этом случае мдс дополнительного полюса может быть рассчитана на компенсацию 
, которая, конечно же, меньше, чем в двигателях без компенсационной обмотки.
В тяговых двигателях с компенсационной обмоткой нет необходимости в изменении формы зазоров под главным полюсом и применении расходящихся зазоров. Поэтому в машинах с компенсационными обмотками используют обыкновенный концентрический зазор. При чем сам зазор уменьшают и в двигателях
· 
до 300 кВт – 
= 3…4 мм;
· более 300 кВт – = 4,5…6 мм.
Следует отметить, что рассматривался вариант при условии, что обмотка расположена равномерно по полюсу.
На самом деле обмотка сконцентрирована по пазам, число которых колеблется от 
= 6…12.
Поэтому из-за зубчатой структуры полюса возникает существенная неравномерность индукции.
Изображая фрагмент рис. 6.16 крупным планом (рис. 6.17) видим, что
,
где 
– зубцовое деление компенсационной обмотки
,
тогда при условии, что
.
Заменив в формуле
,
можно записать
.
Рис. 6.17. Влияние компенсационной обмотки на распределение индукции и мдс: Fвос – среднее значение мдс холостого тока в воздушном зазоре; Вво – распределение индукции
Зная максимальную и среднюю величины мдс, можно определить коэффициент искажения формы мдс
.
В действительности коэффициент искажения несколько выше из-за дискретности расположения не только компенсационной обмотки, но и обмотки якоря. Учитывается эта неравномерность с помощью коэффициента воздушного зазора 
, тогда
.
Определение коэффициента воздушного зазора уже приводилось. Ступенчатость мдс сглаживают, придавая пазам компенсационной обмотки скосы в пределах зубцового деления компенсационной обмотки .
Несмотря на явные преимущества конструкции, ее усложнение значительное, и поэтому такую обмотку применяют, лишь убедившись в ее целесообразности.
Обычно применение обмотки считается оправданным, когда отношение максимальной скорости к средней больше двух.
Компенсационную обмотку применяют всегда при мощности двигателя 
кВт.
Изготовленные заранее катушки закладываются в пазы и крепятся клиньями. Принцип крепления обмотки такой же, как и у обмотки якоря. Выбор изоляционного покрытия осуществляется так же, как и для обмотки якоря.
Развитие современной технологии позволяет создавать машины с беспазовым якорем, что тоже повышает их потенциальную устойчивость, при этом обмотка наклеивается на гладкую поверхность якоря.