При работе машины постоянного тока в режиме холостого хода (Iа =0) ток в обмотке якоря практически отсутствует и в магнитной цепи машины действует лишь одна МДС обмотки возбуждения Fo. Магнитное поле машины в этом случае является симметричным относительно полюсов и не зависит от направления вращения машины и расположения щеток на коллекторе (рис. 1).
Рис. 1 — Работа машины постоянного тока в режиме холостого хода
Обмотка возбуждения является сосредоточенной на главных полюсах и любая замкнутая магнитная линия основного потока охватывает всю сумму токов обмотки. МДС такой обмотки в пределах полюсного деления ? постоянна и равна Fo/? (рис. 1.б). Распределение магнитной индукции поля вдоль окружности якоря зависит от величины воздушного зазора и приближенно показано на рис. 1.б.
При нагрузке машины по обмотке якоря протекает ток, который создает собственное магнитное поле. Поэтому магнитный поток в воздушном зазоре и пространственное распределение магнитного поля при нагрузке машины будет определяться совместным намагничивающим действием полюсов и якоря. Магнитный поток и распределение результирующего поля в воздушном зазоре будут уже иными, чем при холостом ходе. Воздействие МДС якоря Fa на основное магнитное поле машины называется реакцией якоря.
На рис.2 показано поле, создаваемое токами в проводниках якоря при отсутствии МДС главных полюсов, когда щетки стоят на геометрической нейтрали qq . Под каждым полюсом располагается часть обмотки, в проводниках которой проходит ток одного направления. Как видно из рис.2, ось поля якоря совпадает с осью щеток, обуславливающих токораздел в якоре. При щетках, установленных на геометрической нейтрали, картина поля якоря симметрична относительно продольной и поперечной осей машины. Ось полученного поля направлена по поперечной оси qq, поэтому такое поле якоря называют поперечным, а реакцию якоря – поперечной.
Если наложить поле якоря на поле главных полюсов, то получим картину результирующего поля (рис.3).
Как видно из этого рисунка поле при нагрузке смещается по направлению вращения в генераторе (Г) и против направления вращения в двигателе (М), распределяясь несимметрично относительно оси полюсов. Под набегающим краем полюса генератора поле ослабляется, а под сбегающим усиливается. В двигательном режиме наоборот. Под воздействием поперечной реакции якоря физическая нейтраль (т.е. действительная, на которой В=0) смещается на некоторый угол ? и занимает положение mm . У современных машин с добавочными полюсами щетки устанавливаются на геометрической нейтрали. Однако вследствие неточной установки щеточной траверсы может иметь место некоторый сдвиг щеток относительно геометрической нейтрали. В этом случае распределение токов якоря относительно главных полюсов становится несимметричным (рис.4).
МДС якоря Fa, направленную всегда по линии щеток, можно разделить на иве составляющие: поперечную Faq, направленную по оси qq, образующую поперечную реакцию якоря и продольную Fad, направленную вдоль оси dd, создающую продольную реакцию якоря. При сдвиге щеток с нейтрали в направлении вращения якоря продольная МДС якоря генератора действует навстречу МЛС возбуждения, т.е. размагничивает машину; при сдвиге щеток против вращения действует согласно с МДС возбуждения, т.е. намагничивает машину. В двигательном режиме получается обратная картина.
При сдвиге щеток с геометрической нейтрали возникает также реакция добавочных полюсов. В генераторах она воздает размагничивающий эффект при сдвиге щеток по направлению вращения якоря и намагничивающие – при сдвиге против вращения якоря. Добавочные полюса в этом случае начинают частично выполнять роль главных полюсов.
Таким образом, под действием реакции якоря происходит изменение магнитного потока машины и перераспределение поля в воздушном зазоре. Это оказывает влияние на мгновенные значения ЭДС. отдельных секций якоря и результирующую ЭДС его обмотки. Для устранения вредного влияния реакции якоря на работу машины используются добавочные полюсы, последовательная и компенсационная обмотки.