Электромагнитный момент

При нагрузке машины по проводникам обмотки протекает ток i_а = I_а/2а (I_а — ток цепи якоря). При взаимодействии этого тока с магнитным полем возникает электромагнитная сила, которая для одного проводника обмотки равна:

f_x= B_δx i_а l_δ

Будем считать, что индукция B_δxсохраняет своё значение по всей активной длине проводника. Сила f_x создает момент

M_x= f_x D_a/2

Все N проводников обмотки якоря создадут электромагнитный момент

Так как длина l_δ всех проводников одинакова и через них протекает один и тот же ток i_а то

(2.5)

Если принять, как и ранее, что индукция во всех точках полюсного деления τ равна (рис. 2.1):

В_ср=Ф/(τ l_δ)=2pФ/(πD_a l_δ), (2.6)

то получим

. (2.7)

Подставляя (2.7) в (2.5), а также учитывая (2.6), в окончательном виде получаем

M=pN/(2πa) I_аФ=с I_аФ (2.8)

Из (2.8) следует, что электромагнитный момент машины постоянного тока будет пропорционален магнитному потоку и току якоря.

При неизменном направлении вращения якоря направление момента зависит от режима работы машины. При работе машины в генераторном режиме ЭДС, наводимая в обмотке якоря, будет больше, чем напряжение на выводах машины, поэтому ток в якорной цепи имеет такое же направление, что и ЭДС.

На рис. 2.3 показано направление ЭДС и тока в активных проводниках обмотки кольцевого якоря двухполюсного генератора. Для упрощения условно принято, что щётки скользят непосредственно по проводникам обмотки. Применяя правило левой руки, устанавливаем, что силы, действующие на проводники, и электромагнитный момент, ими созданный, направлены в сторону, противоположную вращению якоря, т. е. будут оказывать тормозящее действие. Для преодоления тормозящего действия электромагнитного момента генератора, нужно увеличить момент и мощность двигателя, которым приводится во вращение якорь генератора.

В двигательном режиме работы машины приложенное к обмотке якоря напряжение сети будет больше, чем ЭДС обмотки якоря. Вследствие этого ток в цепи якоря изменит свое направление и будет направлен навстречу ЭДС (рис. 2.4). С изменением направления тока изменится направление момента. Он будет действовать в сторону вращения якоря, т. е. будет движущим.

Рис. 2.3. Направление момента в генераторном режиме

Рис. 2.4. Направление момента в двигательном режиме

РЕАКЦИЯ ЯКОРЯ

При холостом ходе, когда ток якоря близок к нулю, в двигателе действует только МДС обмотки возбуждения F_в, которая создает магнитное поле, симметрично распределенное относительно оси полюсов. График распределения магнитной индукции в зазоре В_δ представляет собой трапецеидальную кривую (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Картина магнитного поля и распределения индукции при холостом ходе машины

Если по обмотке якоря проходит ток, то появится МДС якоря F_а, вектор которой неподвижен и направлен перпендикулярно оси полюсов. МДС создает магнитное поле якоря (рис. 3.2). Если щетки двигателя расположены на геометрической нейтрали пп', то вектор МДС F_а, направлен по геометрической нейтрали, т. е. по поперечной оси двигателя.

На рис. 3.2 показан также график распределения магнитной индукции поля якоря в зазоре. При этом полагаем, что ток возбуждения равен нулю.

Рис. 3.2. Картина магнитного поля и распределения индукции якоря

Сердечник якоря намагничивается, и его участки, расположенные по геометрической нейтрали, приобретают полярность N_a и S_a. Уменьшение магнитной индукции поля якоря по геометрической нейтрали (в точках п и n') объясняется резким увеличением воздушного зазора в межполюсном пространстве двигателя.

В реальных условиях работы с нагрузкой в машине одновременно действуют МДС F_в и F_а, которые создают результирующее поле, которое можно рассматривать как сумму двух магнитных полей.

Воздействие магнитного поля якоря на магнитное поле возбуждения называют реакцией якоря.

На рис. 3.3 показана картина результирующего магнитного поля и график распределения магнитной индукции поля в зазоре.

Рис. 3.3. Картина магнитного поля и распределения индукции при нагрузке машины

Из сравнения картин магнитного поля и графиков распределения магнитной индукции в зазоре для режимов идеального холостого хода (рис. 3.1) и нагрузки (рис. 3.3) можно сделать следующие выводы:

1) при нагрузке машины под влиянием поперечной реакции якоря происходит искажение магнитного поля. Под одним краем полюса оно ослабляется, а под другим усиливается. При работе машины в качестве генератора ослабление происходит на набегающем крае полюса, а усиление на сбегающем. В двигательном режиме картина обратная.

2) точки m и m', в которых кривая результирующего поля проходит через нуль, смещаются из геометрической нейтрали. Эти точки (m и m') определяют положение так называемой физической нейтрали. По отношению к геометрической нейтрали физическая нейтраль смещается в сторону вращения якоря при работе машины в качестве генератора и в противоположную сторону при работе как двигателя. Положение физической нейтрали меняется с изменением нагрузки. При холостом ходе физическая и геометрическая нейтрали совпадают.

3) в ненасыщенной машине поток сохранит то же значение, что и при холостом ходе.

Подавляющее большинство машин постоянного тока в той или иной мере насыщены, и в этом случае уже нельзя получить результирующее поле при нагрузке сложением составляющих полей. Более насыщенным будет участок магнитной цепи под частью полюса, где индукция больше. Поэтому результирующая индукция на этом участке меньше суммы индукций полей возбуждения и якоря. Под другой частью полюса из-за перераспределения индукция несколько возрастает. Картина результирующего поля в воздушном зазоре машины, имеющей насыщенную магнитную цепь, показана на рис. 3.3, б штриховой линией. Поток при нагрузке, пропорциональный площади, ограниченной штриховой кривой, всегда меньше потока при холостом ходе. В этом смысле говорят, что при нагрузке машины с насыщенной магнитной цепью поперечная реакция якоря оказывает размагничивающее действие.

Влияние реакции якоря на результирующий магнитный поток зависит также от положения щеток. Когда щетки находятся на геометрической нейтрали (рис. 3.2), МДС якоря F_а направлена по поперечной оси и в двигателе имеет место поперечная реакция якоря.

Рис. 3.4. Смещение щеток с геометрической нейтрали

Если щетки сместить с геометрической нейтрали по направлению вращения якоря в генераторном режиме, или против направления вращения в двигательном режиме, то размагничивающее действие реакции якоря усилится.

Это объясняется тем, что одновременно со смещением щеток на угол α изменяется направление МДС якоря F_а (рис. 3.4). При этом МДС якоря помимо поперечной составляющей F_аq = F_а cosα приобретает еще и продольную составляющую F_аd = F_а sinα, направленную по оси полюсов встречно МДС обмотки возбуждения F_в, что ведет к размагничиванию магнитной системы двигателя.

Если же щетки сместить в противоположном направлении, то продольная составляющая F_аd будет направлена согласно с МДС возбуждения F_в, что приведет к подмагничиванию двигателя.

Искажения картины магнитного поля в зазоре машины продольная реакция якоря не производит.