2.9. Магнитное поле нагруженной машины постоянного тока. Реакция якоря

В машинах, работающих в режиме холостого хода, магнитное поле создается только намагничивающей силой обмоток главных полюсов. При этом поле симметрично относительно оси симметрии машины ОО', и линия, проходящая через точки воздушного зазора, в которых индукция равна нулю NN', совпадает с осью симметрии машины. Первую линию называют геометрической нейтралью, а вторую линию  магнитной нейтралью. И говорят о том, что в ненагруженной машине магнитная нейтраль NN' совпадает с геометрической нейтралью ОО'.

В том же случае, когда электромагнитная мощность не равняется нулю, ток обмотки якоря не равен нулю. Магнитное поле машины так же, как величина магнитного потока и распределение индукции в зазоре, зависит не только от намагничивающей силы обмоток главных полюсов, но и от намагничивающей силы обмотки якоря, которая создает свою составляющую магнитного потока.

На рис. 2.24, а магнитное поле, созданное обмотками возбуждения главных полюсов, представлено сплошными силовыми линиями, проходящими в основном по статору машины, главным полюсам, зазору и магнитной цепи ротора. Магнитное поле, образованное обмоткой якоря при направлении тока, указанном на рисунке пунктирными линиями, сосредоточено в основном в башмаках главных полюсов, воздушном зазоре и внешней части якоря. Оно представлено пунктирными силовыми линиями под северным и южным полюсами.

Очевидно то, что под левым краем северного полюса и под правым краем южного полюса силовые линии магнитных полей противоположны, тогда как под другими краями полюсов совпадают.

Рис. 2.25

Таким образом, под левым краем северного полюса и под правым краем южного магнитное поле якоря ослабляет поле главных полюсов и усиливает под другими краями. Результирующее магнитное поле не будет симметричным (см. рис. 2.24, б). Искажение магнитного поля машины под действием намагничивающей силы обмотки якоря называют реакцией якоря. Из-за реакции якоря точки воздушного зазора с нулевым значением индукции сместятся в нашем случае против часовой стрелки относительно геометрической нейтрали. В этом случае говорят, что в нагруженной машине постоянного тока магнитная нейтраль не совпадает с геометрической нейтралью.

Распределение индукции магнитного поля в зазоре машины изображено на рис. 2.25, где пунктиром представлен график распределения индукции в зазоре машины, работающей в режиме холостого хода, а сплошной  в зазоре нагруженной машины.

Смещение магнитной нейтрали в нагруженной машине осложняет условия переключения якорной обмотки щеточно-коллектор­ным устройством и приводит к искрению на коллекторе, поэтому щетки желательно располагать на магнитной нейтрали (см. рис. 2.25). Более подробно это явление будет рассмотрено ниже.

Рис. 2.26

Искажение магнитного поля за счет реакции якоря приводит не только к смещению магнитной нейтрали, но и к ослаблению результирующего магнитного потока. Намагничивающая сила обмотки якоря ослабляет индукцию в правой части башмака северного полюса. Кривая же намагничивания электротехнической стали B = f(H) нелинейна (рис. 2.26).

Напряженность магнитного поля в левой час­ти полюсного башмака увеличивается на , а под правой частью уменьшается на ту же величину. Машины постоянного тока проектируются обычно таким образом, что в режиме холостого хода создается такая напряженность магнитного поля H_н, при которой создается номинальное значение индукции B_н . Рабочая точка А на кривой намагничивания находится в зоне перегиба, как показано на рис. 2.26.

Приращение намагничивающей силы на величину дает увеличение индукции под правой стороной полюса на . Уменьшение намагничивающей силы на ту же величину под левой стороной полюса приводит к уменьшению индукции поля на . Из рисунка следует то, что . Приращение индукции под правой стороной полюса не компенсирует уменьшение индукции в левой части полюса. Результирующий же магнитный поток нагруженной машины будет меньше, чем магнитный поток той же машины, работающей в режиме холостого хода.

Таким образом, прохождение тока в обмотке якоря приводит, с одной стороны, к искажению магнитного поля, при котором магнитная нейтраль смещается с геометрической нейтрали, а с другой стороны  к уменьшению (ослаблению) результирующего магнитного потока этой машины.