Среднее профессиональное образование а. В. Грищенко, В. В. Стрекопытов электрические машины и преобразователи подвижного состава

1.8. Реакция якоря. 
При работе машины постоянного тока в режиме холостого хода ток в обмотке якоря 
отсутствует, и в магнитной цепи машины действует лишь МДС обмотки возбуждения F
о.в
. 
Магнитное поле машины в этом случае является симметричным относительно оси полюсов, 

---

26 / 203 
а график распределения магнитной индукции в воздушном зазоре представляет собой 
кривую, близкую к трапецеидальной. Если же машину нагрузить, то в обмотке якоря 
появится ток, который создаст собственную МДС обмотки якоря F
оя
. Предположим, что 
МДС обмотки возбуждения равна нулю и в машине действует лишь МДС F
оя
. Магнитное 
поле, создаваемое обмоткой якоря, изображено на рис. 1.18. Как видно из рисунка, МДС 
обмотки якоря направлена по линии щеток (в данном случае по геометрической нейтрали). 
Несмотря на то, что якорь вращается, пространственное направление МДС обмотки якоря 
остается неизменным, так как зависит исключительно от положения щеток. Наибольшее 
значение МДС F
оя
имеет на линии щеток, а по оси полюсов она равна нулю. Однако 
распределение магнитной индукции поля якоря в воздушном зазоре совпадает с 
распределением МДС лишь в пределах полюсных наконечников. В межполюсном 
пространстве магнитная индукция резко уменьшается, что объясняется увеличением 
магнитного сопротивления. Величина МДС обмотки якоря F
оя
определяется числом 
проводников обмотки якоря, приходящихся на одно полюсное деление τ, и величиной тока i
a
в этих проводниках: 
F
оя
= (N / πD) i
a
τ (1.49) 
где N / πD – число проводников обмотки якоря на единицу длины окружности якоря; 
i
a
= I
я
/ 2а – ток в проводниках обмотки якоря, равный току параллельной ветви, А. 
Обозначив (N / πD) i
a
= А, получим следующее выражение для МДС обмотки якоря: 
F
оя
= Аτ (1.50) 
где А– линейная нагрузка якоря, А/м, характеризующая часть МДС якоря, приходящуюся на 
единицу длины его окружности. Значение линейной нагрузки может находиться в пределах 
6500... 70000 А/м в зависимости от мощности машины. 
Рис. 1.18. Магнитное поле, создаваемое обмоткой якоря. 
В нагруженной машине постоянного тока действуют две МДС – обмотки возбуждения F
оя
и 
обмотки якоря F
оя
. Влияние МДС обмотки якоря на основное магнитное поле машины 
называется реакцией якоря. Реакция якоря искажает основное магнитное поле, делая его 
несимметричным относительно оси полюсов машины. На рис. 1.19 показано распределение 
линий результирующего магнитного поля машины, работающей в режиме генератора, при 
вращении якоря по часовой стрелке. Такое же распределение линий магнитного поля имеет и 
двигатель, но только при вращении якоря против часовой стрелки. Если предположить, что 
магнитная система машины не насыщена, то реакция якоря лишь искажает результирующий 
магнитный поток, не изменяя его величины. Край полюса и находящийся под ним зубцовый 
слой сердечника якоря, где направление МДС обмотки якоря F
оя
совпадает с направлением 
МДС главных полюсов F
оя
, подмагничиваются. Другой край полюса и зубцы, где МДС якоря 
и МДС главных полюсов направлены встречно, размагничиваются. При этом 
результирующий магнитный поток как бы поворачивается относительно оси главных 
полюсов на некоторый угол, а физическая нейтраль А'В' (линия, проходящая через точки на 

---

27 / 203 
якоре, в которых индукция равна нулю) смещается относительно геометрической нейтрали 
АВ на некоторый угол. Чем больше нагрузка машины, тем сильнее искажается 
результирующее поле, а следовательно, тем на больший угол смещается физическая 
нейтраль. При работе машины в режиме генератора физическая нейтраль смещается по 
направлению вращения якоря, а при работе в режиме двигателя – навстречу вращению 
якоря. Искажение результирующего поля машины неблагоприятно сказывается на ее 
рабочих характеристиках. Во-первых, сдвиг физической нейтрали относительно 
геометрической приводит к более тяжелым условиям работы щеточного контакта и может 
служить причиной искрообразования на коллекторе. 
Рис. 1.19. Форма результирующего магнитного поля машины в режиме нагрузки. 
Во-вторых, искажение результирующего поля машины влечет за собой перераспределение 
магнитной индукции в воздушном зазоре. В результате мгновенные значения ЭДС секций 
обмотки якоря в моменты попадания их активных сторон в зоны максимальных значений 
индукции (под подмагниченные края полюсных наконечников) повышаются. Это приводит к 
росту напряжения U
к
между смежными коллекторными пластинами. При значительных 
перегрузках машины напряжение U
к
может превысить допустимые значения, в результате 
чего между пластинами может возникнуть электрическая дуга. Имеющиеся на коллекторе 
частицы графита и металлическая пыль способствуют развитию электрической дуги, 
нарушающей работу электрической машины. Если же магнитная система машины насыщена 
(как и бывает в большинстве случаев), то подмагничивание одного края полюсного 
наконечника и находящегося под ним зубцового слоя сердечника якоря происходит в 
меньшей степени, чем размагничивание другого края и находящегося под ним зубцового 
слоя якоря. Это благоприятно сказывается на распределении индукции в зазоре, которое 
становится более равномерным. Однако величина результирующего потока при этом 
уменьшается. Другими словами, реакция якоря в машине с насыщенной магнитной системой 
размагничивает машину. В результате ухудшаются рабочие характеристики машины: у 
генераторов снижается величина вырабатываемой ЭДС, у двигателей уменьшается крутящий 
момент. Размагничивающее влияние реакции якоря усиливается при смещении щеток с 
геометрической нейтрали. Объясняется это тем, что вместе со щетками смещается и вектор 
МДС обмотки якоря F
oя 
(рис. 1.20). При этом F
oя
помимо поперечной составляющей F
oяq
= 
F
oя
соsβ приобретает еще и продольную составляющую F
oяq
= F
oя
sinβ, направленную вдоль 
оси полюсов. Если машина работает в режиме генератора, то при смещении щеток в 
направлении вращения якоря продольная составляющая МДС якоря F
oяd
действует встречно 
МДС обмотки возбуждения F
oв
, что ведет к ослаблению основного магнитного потока 
машины. При смещении щеток против направления вращения якоря продольная 
составляющая F
oяd
действует согласованно с F
oв
, что ведет к некоторому увеличению 
основного магнитного потока машины. 

---

28 / 203 
Рис. 1.20. Смещение вектора МДС магнитного поля якоря 
Если же машина работает в режиме двигателя, то при смещении щеток в направлении 
вращения якоря продольная составляющая МДС якоря F
oяd
действует согласованно с МДС 
F
oв
. При смещении щеток против направления вращения якоря F
oяd
действует встречно МДС 
F
oв
и размагничивает машину. Вместе с тем смещение щеток с геометрической нейтрали АВ 
ослабляет искажающее влияние реакции якоря. Дело в том, что когда щетки расположены на 
геометрической нейтрали, МДС обмотки якоря F
oя
имеет только поперечную составляющую 
(F
oяq
= F
oя
)
а при
смещении щеток на угол β относительно геометрической нейтрали 
поперечная составляющая МДС обмотки якоря уменьшается (F
oяq
= F
oя
соsβ). В 
коллекторных машинах постоянного тока компенсация реактивной ЭДС е
ря
осуществляется 
смещением щеток с геометрической нейтрали на угол β по направлению вращения якоря в 
генераторах, или против вращения якоря в двигателях. Щетки следует смещать за 
электрическую нейтраль так, чтобы индукция в зоне коммутации имела такое направление и 
величину, при которых в коммутирующих секциях индуцируется ЭДС, достаточная для 
компенсации реактивной ЭДС. Однако для полной компенсации реактивной ЭДС е
ря
при 
различных нагрузках машины пришлось бы каждый раз менять положение щеток, так как 
положение физической нейтрали изменяется в зависимости от нагрузки. Поэтому обычно 
щетки устанавливают в определенное фиксированное положение, при котором полная 
компенсация реактивной ЭДС соответствует некоторой средней нагрузке при 
продолжительном режиме работы машины. Следует также напомнить, что при смещении 
щеток с геометрической нейтрали усиливается размагничивающее действие реакции якоря. 
Для машин, работающих с изменением направления вращения (с реверсом), смещение щеток 
с геометрической нейтрали недопустимо, так как направление смещения физической 
нейтрали меняется с изменением направления вращения.