6 . Магнитная цепь машины постоянного тока

Магнитный поток при холостом ходе создается только обмоткой возбуждения Ф_f . Магнитный поток всегда замкнут. Магнитный поток проходит через полюсы 1, воздушный зазор 2, зубцовую зону якоря 3, ярмо ротора 4 и станину 5. При симметричном воздушном зазоре между якорем и сердечником полюса поток распределяется симметрично относительно продольной оси машины.

Зависимость магнитного потока от МДС Ф_f= f(F_f) или от тока возбуждения Ф_f= f(I_f) называется магнитной характеристикой машины.

Н а первом участке зависимость прямолинейна. Вся МДС машины тратится на преодоление воздушного зазора с постоянным магнитным сопротивлением. Участки выполненные из ферромагнитного материала сопротивление магнитному потоку практически не оказывают.

С ростом тока возбуждения и магнитного потока сталь насыщается и начинает оказывать сопротивление магнитному потоку. Поэтому характеристика теряет свою линейность.

Ток возбуждения принимают такой, чтобы рабочая точка "А" находилась в месте перегиба характеристики. Магнитная система будет насыщена. Степень насыщения характеризуется коэффициентом насыщения — отношением МДС машины к МДС воздушного зазора:

Для машины постоянного тока .

При расчете магнитная цепь машины разбивается на 5 вышеуказанных участков и задаются оптимальным значением магнитного потока Ф_f.

Магнитную индукцию на каждом участке определяют по формуле:

где П_i— площадь сечения участков, м².

Зная магнитную индукцию, определяют напряженность магнитного поля на каждом из участков по кривым намагничивания стали В_i =f(H_i).

Для воздушного зазора :

где — индукция в воздушном зазоре, Тл;

— магнитная постоянная, равна 410^-7, Г/м.

Магнитодвижущую силу участков определим по формуле:

где — длина каждого участка, по которому проходит магнитный поток.

МДС, необходимая для создания требуемого магнитного потока, будет равна сумме МДС участков.

По закону полного тока найдем ток возбуждения и количество витков обмотки возбуждения :

где — количество участков магнитной цепи машины.

7. Реакция якоря машины постоянного тока

При работе машины под нагрузкой по обмотке якоря протекает ток, который создает МДС якоря. Воздействие МДС якоря на магнитное поле машины называется реакцией якоря.

Для упрощения анализа пренебрегаем насыщением магнитной цепи и считаем, что МДС обмотки возбуждения и МДС реакции якоря расходуются на преодоления магнитными потоками воздушного зазора. Тогда вместо указанных МДС можно рассматривать соответствующие потоки обмотки возбуждения Ф_f и реакции якоря Ф_а.

В режиме холостого хода поток возбуждения Ф_f направлен по продольной оси машины (рис. 2.12,а). Так как обмотка возбуждения является сосредоточенной, то распределение МДС в воздушном зазоре в пределах полюсного деления F_f =f(τ) имеет форму прямоугольника. При этом кривая В_f=f(τ) в воздушном зазоре имеет форму криволинейной трапеции (рис. 2.12,а).

При работе под нагрузкой, если щетки установлены на геометрическую нейтраль, магнитный поток якоря направлен поперек основного магнитного потока (рис. 2.12,в) – имеет место поперечная реакция якоря. Если обмотка якоря равномерно распределена по его окружности, то МДС якоря изменяется линейно вдоль этой окружности. Под серединой полюса она равна нулю, а в месте установки щеток имеет максимальное значение. Под полюсом при =const индукция В_а изменяется линейно вдоль окружности якоря. В межполюсном пространстве резко увеличивается воздушный зазор, а индукция уменьшается. Поэтому индукция якоря в воздушном зазоре имеет седлообразную форму (рис. 2.12,в).

Кривую распределения результирующей индукции можно получить алгебраическим сложением ординат кривых В_f=f(τ) и В_а=f(τ (рис. 2.12,с). Результирующая магнитная индукция под одним краем полюса значительно выше, чем под другим. Магнитный поток по полюсу распределен неравномерно. Максимальное значение магнитной индукции сдвинуто с середины полюса и физическая нейтраль смещена относительно геометрической на угол .

Геометрическая нейтраль - место на коллекторе, к которому присоединены секции, стороны которых находятся под серединами полюсов ( в этих точках индукция при холостом ходе равна нулю).

Физическая нейтраль - место на коллекторе, к которому присоединены секции, ЭДС которых максимальны с учетом реакции якоря при работе машины ( в этих точках индукция при нагрузке равна нулю).

В генераторах постоянного тока физическая нейтраль смещается по направлению вращения якоря, у двигателей – против направления вращения.

В машинах постоянного тока щетки установлены на физической нейтрали. Правильная установка щеток на нейтраль производится экспериментально заводом-изготовителем.

При ненасыщенной магнитной системе поперечная реакция якоря искажает форму индукции под полюсом, но результирующий магнитный поток остается неизменным. При насыщенной магнитной системе из-за нелинейности магнитной характеристики машины прирост индукции у одного края полюса меньше, чем снижение индукции у другого края. Результирующий магнитный поток при этом уменьшается (на 1-3%), что приводит к уменьшению ЭДС генератора или вращающего момента двигателей.

Искажение магнитного поля машины приводит к повышению напряжения между соседними коллекторными пластинами, когда секции, соединенные с указанными пластинами, проходят под краем полюса с большей индукцией. Это может вызвать искрообразование между пластинами.

Для устранения влияния реакции якоря:

1 ). Используют компенсационную обмотку, которую укладывают продольно в пазы полюсных наконечников (рис. 2.14) и включают последовательно и встречно с обмоткой якоря. Количество витков такое, чтобы поток обмотки был равен потоку реакции якоря и компенсировал его.

2

Рис. 2.14 Компенсационная обмотка:1 — станина, 2 — обмотка возбуждения, 3 — полюс, 4 — пазы для компенсационной обмотки, 5 — якорь

). Увеличивают зазора под главными полюсами, что ослабляет поток реакции якоря. Но это ослабляет и основной магнитный поток. Поэтому требуется большая МДС главных полюсов.

3). Используют добавочные полюса, обмотки которых включаются последовательно и встречно с обмоткой якоря.

Если щетки сдвинуты с геометрической нейтрали, якорь можно разделить на четыре зоны.

Первая и третьи зоны будут создавать поперечную реакцию якоря.

Во II и IV зонах будет продольная реакция якоря. Если щетки сдвинуты по направлению вращения генератора или против или против направления вращения двигателя, то продольная составляющая реакции якоря размагничивает машины. При сдвиге щеток в обратном направлении – подмагничивает.

Первая и третьи зоны будут создавать поперечную реакцию якоря, как описано выше.