Следовательно, ЭДС якоря зависит от потока и скорости вращения.В процессе работы двигателя обмотки возбуждения и якоря создают магнитные поля. Результирующее магнитное поле двигателя можно рассматривать как сумму двух магнитных полей. При идеальном холостом ходе, когда ток якоря Ia≈0, в двигателе действует только МДС обмотки возбуждения Fв, которая создает магнитное поле, симметрично распределенное относительно оси полюсов. График распределения магнитной индукции в зазоре Bδ представляет собой трапецеидальную кривую (рис. 3.4, а). Если двигатель нагрузить, то по обмотке якоря потечет ток и появится МДС якоря Fa, вектор которой неподвижен и направлен перпендикулярно оси полюсов. МДС создает магнитное поле якоря (рис. 3.4, б). Если щетки двигателя расположены на геометрической нейтрали nn', то вектор МДС Fa направлен по геометрической нейтрали, т. е. по поперечной
оси двигателя. На рис. рис. 3.4, б показан также график распределения магнитной индукции поля якоря в зазоре. Сердечник якоря намагничивается, и его участки, расположенные по геометрической нейтрали, приобретают полярность Na и Sa. Уменьшение магнитной индукции поля якоря по геометрической нейтрали (в точках n и n') объясняется резким увеличением воздушного зазора в межполюсном пространстве двигателя.
Рис. 3.4 Картины магнитных полей и графики магнитной индукции машины постоянного тока
В реальных условиях работы с нагрузкой в двигателе одновременно действуют МДС Fв и Fa, которые создают результирующее поле двигателя. Воздействие магнитного поля якоря на магнитное поле возбуждения называют реакцией якоря.
На рис. 3.4, в показана картина результирующего магнитного поля и график распределения магнитной индукции поля в зазоре. Из сравнения картин магнитного поля и графиков распределения магнитной индукции в зазоре для режимов идеального холостого хода (рис. 3.4, а) и нагрузки (рис. 3.4, в) следует, что реакция якоря искажает магнитное поле двигателя. Физическая нейтраль mm' результирующего магнитного поля смещается на угол а относительно геометрической нейтрали nn'. Поэтому в точках n и n' магнитная индукция отличается от нуля и поэтому в сторонах секций обмотки якоря при их переходе через геометрическую нейтраль наводится ЭДС вращения евр, действие которой нарушает работу щеточного контакта, вызывая искрение . Искажение магнитного поля двигателя приводит к тому, что одни края полюсных наконечников и расположенные под ними зубцы якоря подмагничиваются, а другие – размагничиваются. Но так как магнитная система двигателей насыщена, подмагничивание одних краев полюсных наконечников и участка зубцового слоя якоря ограничивается, а размагничивание других краев полюсных наконечников не ограничивается. В итоге реакция якоря вызывает некоторое уменьшение результирующего магнитного потока, т. е. размагничивание двигателя.
Влияние реакции якоря на результирующий магнитный поток зависит также от положения щеток. Когда щетки находятся на геометрической нейтрали (рис. 3.4, б), МДС якоря Fa направлена по поперечной оси и в двигателе имеет место поперечная реакция якоря. Если щетки сместить с геометрической нейтрали против направления вращения якоря, размагничивающее действие реакции якоря усилится. Это объясняется тем, что одновременно со смещением щеток на угол β изменяется направление МДС якоря Fa (рис. 3.5). При этом МДС якоря помимо поперечной составляющей Faq=Facosβ приобретает еще и продольную составляющую Fad=Fasinβ, направленную по оси полюсов встречно МДС обмотки возбуждения Fв, что ведет к размагничиванию магнитной системы двигателя. Если же щетки сместить в противоположном направлении, то продольная составляющая Fad будет направлена согласно с МДС возбуждения Fв, что приведет к некоторому подмагничиванию двигателя. Но такое смещение щеток недопустимо, так как вызывает чрезмерное увеличение магнитной индукции Вк в зоне переключения тока в секциях обмотки якоря.
Вредное влияние реакции якоря проявляется также в том, что в моменты прохождения проводников обмотки якоря через зоны подмагниченных краев полюсных наконечников в проводниках увеличивается ЭДС. Напряжение между смежными коллекторными пластинами, к которым подключены эти проводники, может превысить допустимые пределы 25–30 В, что вызовет ионизацию пространства между коллекторными пластинами и возникновение электрической
дуги на коллекторе. Описанное явление называется «круговой огонь», оно очень опасно для электродвигателя.
Таким образом, вредное влияние реакции якоря в двигателях постоянного тока заключается в следующем: уменьшается основной магнитный поток Ф, что может привести к нарушению устойчивой работы двигателя за счет роста частоты вращения якоря при увеличении нагрузки, искажается результирующее магнитное поле двигателя, что вызывает появление на геометрической нейтрали (в зоне коммутации) магнитной индукции Вк и может вызвать нарушение работы щеточного контакта и привести к недопустимому искрению на коллекторе, повышается напряжение между смежными коллекторными пластинами, что может привести к появлению «кругового огня».
Чем меньше номинальная мощность коллекторного двигателя, тем слабее проявляются нежелательные последствия реакции якоря. Поэтому в двигателях малой мощности (менее 1 кВт) не применяют специальных мер по ослаблению реакции якоря. Однако при анализе работы коллекторных двигателей последствия явления реакции якоря необходимо учитывать.