Магнитное поле машины постоянного тока

На холостом ходу в машине постоянного тока основной магнитный поток создается только МДС обмотки возбуждения основных полюсов. При нагрузке, когда по обмотке якоря протекает ток, возникает МДС якоря, взаимодействующая с основной МДС возбуждения. Магнитный поток Ф под нагрузкой есть результирующий поток, созданный результирующей МДС возбуждения и якоря.

Воздействие МДС якоря на основную МДС называется реакцией якоря. Реакция якоря искажает магнитное поле, делает его несимметричным относительно оси полюсов. Для ее анализа при ненасыщенной магнитной цепи пользуются методом наложения.

Линейная нагрузка якоря:

,
где – число витков проводников обмотки; – ток в одном проводнике на единицу длины окружности якоря.

Так как щетки находятся на геометрической нейтрали и шаг обмотки , то якорь можно представить в виде, показанном на рисунке 4.10.

Рис. 4.10. МДС (1) и магнитная индукция (2) поля якоря.

Линии поля якоря располагаются вокруг осевой линии полюса симметрично по обе ее стороны. Пусть одна из таких линий находится на расстоянии х от средней точки. Полный ток, охватываемый этим контуром (МДС линий, составляющих магнитное поле):

.

Кривая МДС якоря представит собой ломаную линию 1 (см. рисунок 4.10), проходящую через ось абсцисс в средней точке между щетками и достигающую максимума над каждой из щеток, т.е. при . Тогда

.

Линия поля 2 раза проходит через зазор и замыкается по якорю и полюсному наконечнику. Сопротивление стали невелико, им можно пренебречь и считать, что сопротивление линии определяется только сопротивлением двойного зазора. Тогда

.

Поле якоря изображают в виде вектора, занимающего то или иное положение в пространстве в зависимости от положения щеток.

Если щетки стоят по линии геометрической нейтрали, см. рисунок 4.11, в основном положении, то поле якоря называется поперечным (направленным под углом 90° к осевой линии основных полюсов). Наоборот, при сдвиге щеток с нейтрали па угол ±90°, (на ), поле становится продольным по отношению к оси полюсов. Его напралвение определяется полярностью щеток. Продольная и поперечная МДС якоря соответственно:

и .

Рис. 4.11. МДС поперечной и продольной реакции якоря.

В общем случае щетки могут быть сдвинуты с нейтрали на угол , что соответствует дуге по окружности якоря. При этом якорь можно рассматривать как два совмещенных ортогонально расположенных электромагнита: продольного и поперечного, – с МДС

и .

В машине, работающей под нагрузкой, МДС якоря взаимодействует с МДС основных полюсов, образуя результирующую МДС машины. В общем случае результирующий магнитный поток машины нельзя рассматривать как образованный независимым действием продольной и поперечной МДС из-за насыщения магнитной цепи.

Рассмотрим несколько важных случаев реакции якоря.

Предположим, что машина работает в режиме генератора и вращается против часовой стрелки с некоторой постоянной частотой вращения.

1. Щетки стоят на нейтрали. Магнитная индукция под набегающим краем полюса уменьшается – реакция якоря размагничивающая, а под сбегающим краем полюса увеличивается – реакция якоря намагничивающая.

В ненасыщенной машине размагничивание под набегающим краем компенсируется намагничиванием под сбегающим краем полюса. Результирующимй магнитный поток остается неизменным по величине, но смещается на некоторый угол по направлению вращения якоря. Точки, в которых кривая результирующего поля машины проходит через нуль, определяют положение физической нейтрали. При холостом ходе (отсутствии тока якоря) физическая нейтраль совпадает с геометрической, а при нагрузке – смешается по направлению вращения.

В действительности, по причине насыщения магнитной цепи, намагничивание (увеличение магнитной индукции) под сбегающим краем полюса не настолько велико как размагничивание под набегающим, поэтому результирующий магнитный поток вследствие реакции якоря несколько уменьшается.

2. Щетки сдвинуты с нейтрали по направлению вращения якоря. Имеем поперечную и продольную МДС якоря. Поперечная МДС искажает основное поле так же, как и в рассмотренных двух первых случаях. Продольная МДС действует размагничивающе. То есть в генераторе при сдвиге щеток по направлению вращения якоря возникает продольно-размагничивающая МДС якоря.

3. Щетки сдвинуты с нейтрали против направления вращения якоря. В генераторе возникает продольно-намагничивающая МДС якоря. В двигателе, в отличие от генератора, ток якоря течет против направления индуцируемой в якоре ЭДС, а в генераторе – по направлению. Поэтому МДС якоря двигателя действует в обратном направлении по сравнению с МДС якоря генератора.

Если машина работает генератором, то индуцируемая в ней ЭДС:

,
где – напражение на зажимах генератора; – падение напряжения в цепи якоря. При номинальных условиях работы падение напряжения составляет обычно 3-10 % от . При нагрузке нужно учитывать размагничивающую МДС якоря . Тогда МДС на одну пару полюсов:

,
где сумме МДС отдельных участков магнитной цепи: воздушного зазора ; зубщов ; якоря с учетом продольной и поперечной реакции , , ; полюсов ; ярма . Для всей машины значение МДС будет больше в раз.