Магнитное поле машины постоянного тока при нагрузке

При нагрузке результирующий магнитный поток в машине определяется совместным действием МДС обмотки возбуждения и МДС обмотки якоря. Влияние поля якоря на поле возбуждения, так же как и в синхронных машинах, называют реакцией якоря. Картину магнитного поля при нагрузке можно получить, используя принцип наложения (рис. 6.9).

При холостом ходе магнитное поле действует по оси полюсов (рис. 6.9, а). Характер распределения этого поля в воздушном зазоре определяется размерами и конфигурацией полюсных наконечников. Магнитное поле реакции якоря зависит от положения щеток. Если щетки установлены на геометрической нейтрали, то поле реакции якоря действует по поперечной оси (рис. 6.9, б). Это поле усиливает результирующее поле под одним краем полюса и ослабляет под другим. Вследствие этого ось результирующего поля поворачивается в генераторном режиме по направлению вращения якоря, а в двигательном - против направления вращения якоря (рис. 6.9, в). Линия , перпендикулярная оси результирующего магнитного поля, называется физической нейтралью.

Если щетки сдвинуть с геометрической нейтрали , то наряду с МДС поперечной реакции якоря возникает МДС продольной реакции (рис. 6.10).

Характер продольной реакции якоря зависит от направления сдвига щеток по отношению к направлению вращения якоря. Например, при сдвиге щеток на угол a по направлению вращения двигателя продольная реакция носит намагничивающий характер (рис. 6.10, б), а против направления вращения - размагничивающий (рис. 6.10, а). Направление поперечной реакции якоря не зависит от положения щеток.

Количественный учет влияния поля реакции якоря на результирующее поле производится на основе расчета магнитной цепи машины. С этой целью зубчатый якорь приводится к гладкому с равномерно распределенным по окружности якоря слоем проводников (рис. 6.11). Пусть N - общее число проводников обмотки якоря, а - ток в одном проводнике. Тогда МДС распределенной обмотки якоря в функции координаты x можно представить в виде линейного уравнения

,

где - линейная нагрузка якоря; - диаметр якоря.

Наклон зависимости меняется при изменении направления тока в проводниках якоря. Максимальная МДС

.

В общем случае при сдвиге щеток с геометрической нейтрали продольная и поперечная составляющие МДС реакции якоря имеют форму трапеций. При небольшом смещении щеток с геометрической нейтрали закон распределения МДС продольной реакции якоря можно принять прямоугольным аналогично закону распределения МДС обмотки возбуждения

,

где - смещение щеток относительно нейтрали.

Тогда результирующая МДС по продольной оси

,

где «+» соответствует намагничивающему действию МДС, а «-» - размагничивающему.

Результирующей МДС по характеристике холостого хода машины соответствует результирующий поток Ф.

Влияние поперечной реакции якоря на результирующее поле машины носит более сложный характер. Закон распределения индукции поля реакции якоря по поперечной оси

отличается от закона распределения МДС из-за неравномерности воздушного зазора (рис. 6.12). В зоне полюсов повторяет кривую , а в межполюсном пространстве индукция резко снижается из-за увеличения зазора d. Складывая кривую распределения индукции поля поперечной реакции якоря с кривой распределения индукции в зазоре от тока обмотки возбуждения, получим результирующую кривую

.

В ненасыщенной машине ослабление поля под одним краем полюса компенсируется его усилением под другим (кривая 2). В этом случае наложение двух полей ведет лишь к искажению магнитного поля, но среднее значение потока под полюсом остается неизменным.

В насыщенной машине усиление результирующего поля происходит на меньшую величину, чем его ослабление (кривая 1). Поэтому поперечная реакция якоря уменьшает результирующий поток Ф на величину, пропорциональную заштрихованной площадке каждого полюса.

Количественный учет размагничивающего действия поперечной реакции якоря осуществляется графоаналитическим методом. Линии поля поперечной реакции якоря замыкаются через полюсный наконечник, зазор, зубцы и ярмо якоря (рис. 6.9, б). Пренебрегая магнитным напряжением полюсного наконечника, рассчитывают переходную характеристику

.

По этой характеристике, задавая индукцию , находят МДС возбуждения , которая приходится на зазор, зубцы и ярмо якоря (рис. 6.13). Для определения результирующего поля в зазоре при нагрузке отложим от точки а в обе стороны отрезки , соответствующие МДС поперечной реакции якоря на расстоянии половины расчетной ширины полюсного наконечника (рис. 6.12). Треугольник bea характеризует размагничивающее действие реакции якоря, а треугольник acd - намагничивающее. Площадь треугольника acd меньше площади треугольника bea, поэтому результирующий поток ослабляется.

Треугольники bea и acd будем сдвигать вправо до тех пор, пока площади новых треугольников b¢ e¢ a и ac¢ d¢ не станут равными. Величина смещения характеризует размагничивающее действие поперечной реакции якоря, поэтому результирующая МДС машины постоянного тока при нагрузке определяется выражением

.