Магнитное поле машины постоянного тока

Холостой ход. При холостом ходе магнитный поток в машине создается только м.д.с. F _вобмотки возбуждения.

В этом случае магнитный поток Ф_в при симметричном воздушном зазоре между якорем и сердечником главного полюса распределяется симметрично относительно продольной оси машины (рис. 2.22, а).

Рис. 2.22 – Магнитное поле машины постоянного тока, создаваемое:

а–обмоткой возбуждения, б – обмоткой якоря, в-результирующее

Зависимость магнитного потока возбуждения Ф_в от м.д.с. F _в(кривая намагничивания–рис. 2.23) для машин постоянного тока подобна кривой намагничивания для синхронных машин. Однако при проектировании машин постоянного тока допускают большие индукции на участках магнитной цепи, чем в синхронных машинах (в зубцах, якоре, станине и полюсах), вследствие чего для них коэффициент насыщения K _нас = F / F _δ = ab / ac = 1, 2 ÷ 2. Расчет магнитной цепи машины постоянного тока производят так же, как и для машин переменного тока.

Рис. 2.23 – Кривая намагничивания машины постоянного тока

Реакция якоря. При работе машины под нагрузкой по обмотке якоря проходит ток, вследствие чего возникает м.д.с. якоря. Воздействие м.д.с. якоря на магнитное поле машины называют реакцией якоря. Для упрощения анализа явления реакции якоря будем пренебрегать насыщением магнитной цепи машины и считать, что м.д.с. F _в обмотки возбуждения и м.д.с. F_{a q}обмотки якоря целиком расходуются на преодоление магнитными потоками воздушного зазора. В этом случае вместо указанных м.д.с. можно рассматривать соответствующие потоки: возбуждения Ф_в и реакции якоря Ф _{а q}. Магнитный поток Ф _{а q}, созданный м.д.с. якоря F_{a q}в двухполюсной машине при установке щеток на геометрической нейтрали, направлен по поперечной оси машины (рис. 2.22, б), поэтому магнитное поле якоря называют поперечным. В результате действия реакции якоря симметричное распределение магнитного поля машины искажается; при этом результирующее магнитное поле оказывается смещенным к краям главных полюсов (рис. 2.22, в). При этом физическая нейтраль 0' – 0' (линия, соединяющая точки окружности якоря, в которых индукция равна нулю) смещается относительно геометрической нейтрали 0 – 0 на некоторый угол β. В генераторах физическая нейтраль смещается по направлению вращения якоря; в двигателях – против направления вращения.

Чтобы построить кривую B _рез = f(x) распределения результирующей индукции вдоль окружности якоря, применим метод суперпозиции. Так как обмотка возбуждения является сосредоточенной, то кривая распределения создаваемой ею м.д.с. F' _в = f(x) имеет форму прямоугольника, где F' _в= 0,5 F _в – м.д.с, приходящаяся на один воздушный зазор. В этом случае кривая индукции B _в = f(x) имеет форму криволинейной трапеции (рис. 2.24, а).

Для построения кривой м.д.с. F_aqx = f(x) и создаваемой ею индукции B_aqx = f(x) примем, что обмотка якоря равномерно распределена по его окружности. Тогда на основании закона полного тока м.д.с. якоря, действующая вдоль контура обхода через точки воздушного зазора на расстоянии х от оси главных полюсов,

, (2.11)

а м.д.с, приходящаяся на один зазор,

, (2.11а)

где A = i_aN/(πD_a) – линейная нагрузка якоря (число ампер, приходящихся на 1 см окружности якоря).

Следовательно, м.д.с. якоря F_aqx изменяется линейно вдоль его окружности (рис. 2.24, б); под серединой главного полюса она равна нулю, а в точках, где установлены щетки, имеет максимальное значение. При ненасыщенной магнитной системе магнитная индукция в воздушном зазоре

, (2.12)

где δ_x –величина воздушного зазора в точке х.

Из (2.12) следует, что под полюсом при δ_x =const индукция В_aqx изменяется линейно вдоль окружности якоря. Но в междуполюсном пространстве резко возрастает длина магнитной силовой линии, т.е. величина δ_x, и индукция B_aqx резко уменьшается. В результате кривая распределения B_aqx = f(x) приобретает седлообразную форму. Кривую распределения результирующей индукции B _рез = f(x) можно получить путем алгебраического сложения ординат кривых B _в = f(x) и B_aqx = f(x). Как видно из рис. 2.24, в, максимум индукции B _макс имеет место под краями главных полюсов.

Реакция якоря, таким образом, оказывает следующее влияние на магнитное поле машины:

а) физическая нейтраль 0' – 0' (см. рис. 2.22) смещается относительно геометрической нейтрали 0 – 0 на некоторый угол β;

б) искажается кривая распределения индукции B _рез = f(x) в воздушном зазоре и возрастает индукция под краями главных полюсов, что ведет к повышению напряжения в секциях, стороны которых проходят зоны с увеличенной индукцией.

Кроме того, как будет показано ниже, результирующий магнитный поток машины при насыщенной магнитной цепи уменьшается.

Размагничивающее действие поперечного поля реакции якоря. Если магнитная цепь машины не насыщена, то кривая результирующей индукции в воздушном зазоре под действием реакции якоря искажается (рис. 2.24, в) но площадь ее остается равной площади кривой индукции при холостом ходе (рис. 2.24, а).

Рис. 2.24 – Распределение индукции в воздушном зазоре машины постоянного тока:

а–от обмотки возбуждения, б – от обмотки якоря, в-результирующее

Следовательно, результирующий поток Ф_рез при нагрузке будет равен потоку Ф_в при холостом ходе. Однако при насыщенной магнитной цепи реакция якоря будет уменьшать поток Ф_рез. Чтобы установить влияние м.д.с. F_aq на величину потока Ф_реэ, рассмотрим зависимость результирующей индукции B _рез в воздушном зазоре от результирующей м.д.с. F _{peз x} = F' _в ± F_aqx, действующей в некоторой точке х зазора (рис. 2.25).

Примем, что в машине насыщены только зубцы якоря. Тогда м.д.с F' _вбудет расходоваться на преодоление магнитного сопротивления одного воздушного зазора и одного зубцового слоя. В точках, лежащих пол серединой полюсов, эта м.д.с. создает индукцию B _ср = B _в, так как в этих точках м.д.с. F_aqx = 0. По мере приближения к одному из краев полюса, например к правому, у полюса N (см. рис. 2.24, в) индукция B _резбудет возрастать до величины B _{пр x} , так как здесь действует м.д.с. F' _в + F_aqx;при приближении к другому краю этого полюса (в данном случае к левому) индукция будет уменьшаться до В _{лев х} , так как здесь действует м. д. с. F' _в –F_aqx. Однако из-за нелинейного характера зависимости B _peз =f(x) прирост индукции Δ B _{пр x} у правого края полюса будет меньше, чем снижение индукции Δ B _{лев x} . у левого края, вследствие чего результирующий поток машины уменьшится [см. косую штриховку в кривой индукции B _рез = f(x) на рис. 2.24, в ].

Рис. 2.25 – Определение размагничивающего действия поперечного поля реакции якоря

Хотя снижение магнитного потока под действием м.д.с. якоря обычно невелико и составляет всего 1–3%, это существенно сказывается на характеристиках генераторов постоянного – тока и приводит к уменьшению э.д.с. Е машины при нагрузке по сравнению с э.д.с. Е ₀ при холостом ходе.

Если машина работает при небольших токах возбуждения, т.е. на прямолинейной части кривой намагничивания, то редакция якоря размагничивающего действия не оказывает. Аналогичный эффект будет и при очень большом насыщении, когда машина снова работает на прямолинейном участке кривой намагничивания.

Реакция якоря при сдвиге щеток с геометрической нейтрали. В этом случае окружность якоря с обмоткой можно разделить на четыре зоны (рис. 2.26). Две из них, охватывающие стороны секций в пределах угла 2α, образуют продольную м.д.с. F_ad

F_ad = (2a/n) A; (2.13)

две другие, охватывающие стороны секций в пределах угла (π–2а), – поперечную м.д.с.

F_a9 = [(n – 2a)/n] A. (2.13a)

Рис. 2.26 – Возникновение продольной (а) и поперечной (б) м. д. с. якоря при сдвиге щеток с геометрической нейтрали

Продольная м.д.с. F_ad создает продольный поток Ф_аd, который может сильно увеличивать или уменьшать результирующий магнитный поток машины Ф_рез в зависимости от того, совпадает м.д.с, F_ad с м.д.с. F _вили направлена против нее. Направление определяется тем, в какую сторону сдвинуты щетки. Если щетки сдвинуты по направлению вращения генератора или против направления вращения электродвигателя, то продольная м.д.с. F_ad размагничивает машину. При сдвиге щеток в обратном направлении м.д.с. F_ad подмагничивает машину. Свойство продольной м.д.с. F_ad изменять результирующий магнитный поток Ф_рез используется в некоторых специальных машинах, например в электромашинных Усилителях с поперечным полем. Поперечная м.д.с. F_aq создает магнитный поток Ф _aq; она действует на поток Ф_рез так же, как и при расположении щеток на геометрической нейтрали.