Магнитное поле машины постоянного тока при нагрузке

При холостом ходе машины тока в якоре нет и магнитное поле создается намагничивающей силой полюсов. Оно симметрично относительно оси полюсов и распределяется равномерно в воздушном зазоре (изо, а).

Предположим, что щетки установлены на геометрической нейтрали, т. е. на линии, проходящей через центр якоря и перпендикулярной оси полюсов.
При нагрузке машины в обмотке якоря протекает ток, который создает свое магнитное поле, которое, воздействуя на магнитное поле полюсов, изменяет и искажает его, т. е. по магнитной цепи замкнется результирующий магнитный поток Фр под действием намагничивающих сил полюсов и якоря.

Магнитное поле машины постоянного тока:
а - магнитное поле полюсов, б - магнитное поле якоря,
в - результирующее магнитное поле при нагрузке

Результирующий магнитный поток Фр не равен потоку полюсов Фm при холостом ходе. Воздействие поля, созданного током в якоре при нагрузке машины, на магнитное поле полюсов называется реакцией якоря.

Если по проводникам обмотки якоря невозбужденной машины пропустить от постороннего источника такой ток, который протекал бы при нагрузке машины, то будет создано магнитное поле якоря (изо, б). Это поле якоря замкнется в направлении, перпендикулярном оси полюсов, и называется поперечным полем реакции якоря.

Магнитодвижущая сила якоря под одним краем полюса (под набегающим для генератора и под сбегающим для двигателя) направлена встречно магнитодвижущей силе полюсов, а под другим краем полюса (под сбегающим для генератора и под набегающим для двигателя) согласно магнитодвижущей силе полюсов. Следовательно, под одним краем полюса происходит уменьшение, а под другим - увеличение магнитной индукции.
Таким образом, при нагрузке машины результирующее магнитное поле будет несимметрично относительно оси полюсов (изо, в), т. е. поперечное поле реакции якоря перераспределяет магнитное поле полюсов, ослабляя его под одним краем и усиливая под другим. Поле реакции якоря также смещает физическую нейтраль,
т. е. линию, проходящую через центр якоря и перпендикулярную мдс результирующего магнитного поля.

При вращении якоря его обмотка и коллектор перемещаются относительно неподвижной щетки справа налево. В некоторый момент, соответствующий началу коммутации, щетка соприкасается с коллекторной пластиной 1, соединенной с двумя проводами обмотки, в каждом из которых проходит ток одной параллельной ветви.

Таким образом, через коллекторную пластину и щетку проходит ток, равный сумме токов двух параллельных ветвей 2iя. В выделенной нами секции ток равен току одной параллельной ветви и в данный момент направлен против часовой стрелки.
В дальнейшем при вращении якоря щетка будет соприкасаться с коллекторными пластинами 1 и 2, замыкая рассматриваемую нами секцию (изо, б).

В определенный момент щетка полностью перейдет на коллекторную пластину 2, и ток в этой секции изменит направление на обратное (изо, в), т. е. секция переключится из одной параллельной ветви в другую.
Время переключения секции, называемое периодом коммутации, мало, и за это время в секции ток изменяется от + iя до - iя.
При изменении тока в секции создается эдс самоиндукции, которая может достигать сравнительно больших значений.

Кроме того, поскольку процесс коммутации происходит одновременно в нескольких секциях под всеми щетками, то в каждой секции создаются эдс взаимоиндукции.
Эдс самоиндукции и взаимоиндукции, называемые реактивными эдс, препятствуя изменениям тока, вызывают неравномерное распределение плотности тока под щеткой, что является причиной образования искрения, которое особенно интенсивно в момент размыкания щеткой секции обмотки.

Чрезмерная плотность тока при наличии разности потенциалов между щеткой и коллектором приводит к образованию дугового разряда, который ионизирует тончайшие слои воздуха, находящегося между щеткой и коллектором и способствует развитию дуги.
Дуга может перейти к щетке другой полярности, образовав круговой огонь на коллекторе, и это приведет к повреждению последнего.
Искрение щеток может быть также вызвано рядом других причин: неровностью поверхности коллектора, биением щеток, загрязненностью поверхности коллектора, наличием влаги на, ней и т. д.
Даже незначительное искрение щеток нежелательно, так как увеличивается износ щеток и коллектора и повышается нагрев последнего вследствие увеличения переходного сопротивления между щеткой и коллектором.

Наиболее эффективным способом улучшения коммутации является компенсация реактивных эдс. Для этого в зоне коммутации, в которой находятся активные стороны коммутируемых секций, необходимо создать такое внешнее магнитное поле, при котором индуктируемая в секциях эдс вращения ev будет равна и противоположна реактивной эдс еr, т. е. ev = - er.
Для создания такого внешнего магнитного поля устанавливают дополнительные полюсы NK и SК, размещая их между главными полюсами.
Если якорь (изо) вращается каким-либо двигателем в направлениилении часовой стрелки, то в обмотке якоря индуктируется здс и при нагрузке проходит ток.

Направления эдс и тока в проводниках обмотки совпадают. На схеме выделены проводники 1 и 2 коммутируемой секции.
Реактивная эдс еr, препятствуя изменениям тока в коммутируемой секции, будет направлена в проводниках 1 и 2 встречно изменениям тока.

Для компенсации реактивной эдс в проводниках 1 и 2 нужно создать эдс вращения ev = - er,
для чего и установлены дополнительные полюсы NK и SК.

Полярность дополнительных полюсов
в генераторах постоянного тока:
1 и 2 проводники

Таким образом, полярность дополнительного полюса в генераторе должна соответствовать полярности следующего за ним в направлении вращения якоря главного полюса.
В двигателе полярность дополнительного полюса должна соответствовать полярности предыдущего по направлению вращения якоря главного полюса.

Обмотку возбуждения дополнительных полюсов соединяют последовательно с обмоткой якоря для того, чтобы реактивная эдс была компенсирована при любой нагрузке машины.

Для этой же цели магнитная цепь дополнительных полюсов ненасыщена, т. е. между сердечником якоря и дополнительным полюсом создан сравнительно большой воздушный промежуток. Так как реактивная эдс пропорциональна току в якоре, то она компенсируется при любой нагрузке машины в том случае, если эдс вращения также пропорциональна току нагрузки.
Поэтому магнитное поле в зоне коммутации должно изменяться пропорционально току якоря.