Магнитное поле машин постоянного тока при холостом ходе?

Магнитный поток при холостом ходе в машине создается только МДС F_B обмотки возбуждения.

Режим холостого хода. В этом режиме магнитный поток Ф_в при симметричном воздушном зазоре между якорем и сердечником главного полюса распределяется симметрично относительно продольной оси машины (рис. 10.21).

Зависимость магнитного потока возбуждения Ф_в от МДС F _B(рис. 10.22) для машин постоянного тока подобна магнит-ной характеристике для синхронных машин. Однако при про-ектировании машин постоянного тока допускают большие индукции на участках магнитной цепи (в зубцах, якоре, ста-нине и полюсах), чем в синхронных машинах, вследствие чего для них коэффициент насыщения k_нac = F/F _б = =ab/ac= 1 ,2...2. Расчет магнитной цепи машины постоян-ного тока производят так же, как и для машин переменного тока (см. § 4.7).

Реакция якоря. При работе машины под нагрузкой по обмотке якоря проходит ток, вследствие чего возникает МДС якоря. Воздействие МДС якоря на магнитное поле машины называют реакцией якоря. Для упрощения анализа явления реакции якоря будем пренебрегать насыщением магнитной цепи машины и считать, что МДС F_B обмотки

Рис. 10.21. Магнитное поле машины постоянного тока в режиме

холостого хода: 1 — полюс; 2 — обмотка возбуждения; 3 — якорь; 4 — корпус (станина)

возбуждения и МДС F_a обмотки якоря расходуются на преодоление магнитными потоками воздушного зазора. В этом случае вместо указанных МДС можно рассматривать соответствующие потоки: возбуждения Ф_в и реакции яко­ря Ф_а.

При холостом ходе магнитный поток возбуждения направлен по продольной оси машины (рис. 10.23, а). При работе под нагрузкой магнитный поток, созданный МДС якоря в двухполюсной машине при установке щеток на геометрической нейтрали, направлен по поперечной оси машины (см. рис. 10.23, б), поэтому магнитное поле якоря Ф_аq и F_aq называют поперечным. В результате действия реакции якоря симметричное распределение магнитного поля машины относительно оси главных полюсов искажается и результирующее поле оказывается смещенным к одному из краев каждого главного полюса ( рис. 10.23, в). При этом физическая нейтраль О' — О' (линия, соединяющая точки

Рис. 10.22. Магнитная характеристика машины постоянного тока (а) и график для определения размагничивающего действия поперечного поля реакции якоря (б)

 

Рис. 10.23. Характер магнитного поля машины постоянного тока, создаваемые обмоткой возбуждения (а), обмоткой якоря (б) и резуль­тирующего поля (в)

окружности якоря, в которых индукция равна нулю) смеща-ется ртносительно геометрической нейтрали О — О на не-который угол β. В генераторах (обозначение Г на рис. 10.23, в) физическая нейтраль смещается по направлению вращения якоря; в двигателях (обозначение Д) — против направления вращения.

Чтобы построить кривую B_pe3=f(x) распределения резуль­тирующей индукции вдоль окружности якоря, применим метод суперпозиции. Его можно использовать, если пре­небречь насыщением магнитной цепи машины и считать, что МДС F_B и F_aq расходуются на компенсацию разности магнитных потенциалов в воздушном зазоре. Так как обмотка возбуждения является сосредоточенной, то кривая распределения создаваемой ею МДС F'_B=f(x) имеет форму прямоугольника, где F'_B = 0,5F_B — МДС, приходящаяся на один воздушный зазор. В этом случае кривая индукции B_B=f(x) имеет форму криволинейной трапеции (рис. 10.24, а).

Для построения кривой МДС 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 МДС якоря, действующая вдоль контура обхода через точки воздушного зазора на расстоянии χ от оси главных полюсов,

2 F_aqx = 2xA, (10.11)

а МДС, приходящаяся на один зазор,

F_aqx=±xA, (10.12)

где A = i_aN/( π D_a) —линейная нагрузка якоря (число ампер, приходящихся на 1 см окружности якоря).

Следовательно, МДС якоря F_aqx изме­няется линейно вдоль его окружности

(рис. 10.24,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

(10.13)

где δ_χ — значение воз­душного зазора в точ­ке х.

Рис. 10.24. Кривые распределения индукции в воздушном зазоре машины постоянного тока (а — в)

Из (10.12) следует, что под полюсом при δ _х = const индукция B_aqx изменяется линейно вдоль окружности яко­ря. Но в межполюсном пространстве резко возрастает длина магнитной силовой линии, т. е. воздушный зазор δ_χ, и поэтому резко уменьшается индукция B_aqx=f(x). В резуль­тате кривая распределения индукции B_aqx=f(x) приобретает седлообразную форму.

Кривую распределения результирующей индукции В_рсз = =f(x) можно получить алгебраическим сложением ординат

кривых B_B=f(x) и B_aqx=f(x). Эта кривая (рис. 10.24, в) имеет пики индукции В_тах под краями главных полюсов.

Таким образом, реакция якоря оказывает неблагоприят­ное влияние на работу машины постоянного тока: а) физи­ческая нейтраль О' — О' (см. рис. 10.23, в) смещается относи­тельно геометрической нейтрали О — О на некоторый угол β· б) искажается кривая распределения индукции B_pe3=f(x) в воздушном зазоре и возрастает индукция под одним из краев главных полюсов, что ведет к повышению напряжения в секциях, когда их стороны проходят зоны с увеличенной индукцией. Кроме того, как 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. 10.24, в), однако площадь ее остается равной площади кривой индукции при холостом ходе (рис. 10.24, а). Следовательно, результиру­ющий поток Ф_рез при нагрузке равен потоку Ф_в при холостом ходе. Однако при насыщенной магнитной цепи реакция якоря уменьшает поток Ф_рез. Чтобы установить влияние МДС F_aq на величину потока Ф_рез, рассмотрим зависимость результирующей индукции В_рез в воздушном зазоре от результирующей МДС F_pe3X = F'_B ± F_aqx, дейст­вующей в некоторой точке χ зазора (см. рис. 10.22, б).

Примем, что в машине насыщены только зубцы якоря. Тогда МДС F'_B расходуется на преодоление магнитного сопротивления одного воздушного зазора и одного зубцо-вого слоя. В точках, лежащих под серединой полюсов, эта МДС создает индукцию В_ср = В_в, так как в этих точках F_aqx = 0. По мере приближения к одному из краев полюса N, например к правому, индукция В возрастает до величины B_прх,так как здесь действует МДС F'_B + F_aqx; при приближении к другому краю того же полюса (в данном случае к левому) индукция уменьшается до В_левх, так как здесь действует МДС F'_B-F_aqx. Однако из-за нелинейного характера зависимости В_рез=f(х) прирост индукции В_прх у правого края полюса меньше, чем снижение индукции B_лев x y левого края, вследствие чего результирующий поток машины уменьшается (см. косую штриховку в кривой индукции на рис. 10.24, в). Снижение магнитного потока под действием МДС якоря обычно невелико и составляет всего 1...3%, однако оно существенно влияет на характеристики генераторов постоянного тока и приводит к уменьшению ЭДС Ε машины при нагрузке по сравнению с ЭДС Е_о при холостом ходе.

Если машина работает при небольших токах возбуж­дения, т. е. на прямолинейной части (машина не насыщена), то реакция якоря размагничивающего действия не оказывает. Аналогичный эффект получается и при значительном насы­щении, когда машина снова работает на прямолинейном участке магнитной характеристики.

Реакция якоря при сдвиге щеток с геометрической нейтрали. В этом случае окружность якоря с обмоткой можно разделить на четыре зоны (рис. 10.25). Две из них охва­тывают стороны секций в пределах угла 2 а и образуют продольную МДС F_ad = (2 α / π )A, а две другие охватывают стороны секций в пределах угла (π — 2α) и образуют поперечную МДС F =( π -2 α )А/ π.

Продольная МДС F_ad создает продольный поток Φ_αd, который может сильно увеличивать или уменьшать результи­рующий магнитный поток машины Ф_рез в зависимости от того, совпадает МДС F_ad с F_B или направлена против нее.

 

Рис. 10.25. Схемы возникновения продольной (а) и по­перечной (б) МДС якоря при сдвиге щеток с геометри­ческой нейтрали

Направление определяется тем, в какую сторону сдвинуты щетки. Если щетки сдвинуты по направлению вращения генератора или против направления вращения электро­двигателя, то продольная МДС F_ad размагничивает машину. При сдвиге щеток в обратном направлении МДС F_ad подмагничивает машину. Свойство продольной МДС F_ad изменять результирующий магнитный поток Ф_рез исполь­зуется в некоторых специальных машинах, например в эле­ктромашинных усилителях с поперечным полем. Поперечная МДС F_aq создает магнитный поток Ф_аq; она действует на поток Ф_рез так же, как и при расположении щеток на геометрической нейтрали.