Armaturreaktion in einem Gleichstromgenerator

Definition und magnetische Feldwirkungen der Wicklungsreaktion

Definition: Die Wicklungsreaktion beschreibt grundsätzlich die Wechselwirkung zwischen dem Wicklungsmagnetfeld und dem Hauptfeld, insbesondere charakterisiert sie, wie das Wicklungsfluss den Hauptfluss beeinflusst. Das Wicklungsmagnetfeld wird von stromführenden Wicklungsleitern erzeugt, während das Hauptfeld durch magnetische Pole angeregt wird. Das Wicklungsfluss übt zwei primäre Wirkungen auf das Hauptfluss aus:

• Verzerrung des Hauptfeldes: Die Wicklungsreaktion verursacht eine räumliche Verzerrung in der Verteilung des Hauptflusses;

• Abschwächung des Hauptfeldes: Sie verringert gleichzeitig die Amplitude des Hauptflusses.

Magnetfeldverteilung in einem Zweipol-DG-Generator unter Leerlaufbedingungen

Betrachten wir den im folgenden Bild dargestellten Zweipol-DG-Generator. Wenn der Generator unter Leerlaufbedingungen arbeitet (d.h. der Wicklungsstrom ist null), existiert innerhalb der Maschine nur die Magnetkraft (MK) der Hauptpole. Das vom MK der Hauptpole erzeugte Magnetfeld verteilt sich entlang der magnetischen Achse, die als Mittellinie zwischen Nord- und Südpol definiert ist. Der Pfeil im Bild zeigt die Richtung des Hauptmagnetflusses Φₘ an. Die magnetische Nullachse (oder Ebene) steht senkrecht zur Achse dieses Magnetflusses.

Die MNA fällt mit der geometrischen Nullachse (GNA) zusammen. Die Bürsten der DG-Maschinen werden immer in dieser Achse platziert, daher wird diese Achse auch als Achse der Kommutation bezeichnet.

Magnetfeldanalyse von stromführenden Wicklungsleitern

Betrachten wir einen Fall, in dem nur Wicklungsleiter Strom führen, ohne dass in den Hauptpolen Strom fließt. Die Stromrichtung ist für alle Leiter unter einem einzelnen Pol gleichmäßig. Die Richtung des induzierten Stroms in den Leitern wird durch die Rechte-Hand-Regel von Fleming bestimmt, während die Richtung des von den Leitern erzeugten Flusses der Korkenzieherregel folgt.

Der Strom in den linken Wicklungsleitern fließt in die Zeichenebene hinein (durch ein Kreuz in einem Kreis gekennzeichnet). Die MK dieser Leiter kombinieren, um einen nach unten gerichteten resultierenden Fluss durch die Wicklung zu erzeugen. Ähnlich führen die rechten Leiter Strom aus der Zeichenebene heraus (durch einen Punkt in einem Kreis gekennzeichnet), wobei ihre MK ebenfalls kombiniert werden, um einen nach unten gerichteten Fluss zu erzeugen. Somit kombinieren sich die MK von beiden Seiten der Leiter so, dass ihr resultierender Fluss nach unten gerichtet ist, wie durch den Pfeil für den von den Wicklungsleitern induzierten Fluss Φₐ im obigen Bild angezeigt.

Das folgende Bild illustriert die Situation, in der sowohl Feldstrom als auch Wicklungsstrom gleichzeitig auf die Leiter wirken.

Wirkungen der Wicklungsreaktion in elektrischen Maschinen

Bei Leerlaufbetrieb zeigt die Maschine zwei Magnetflüsse: den Wicklungsfluss (erzeugt durch Ströme in den Wicklungsleitern) und den Fluss der Feldpole (erzeugt durch die Hauptfeldpole). Diese Flüsse kombinieren sich, um einen resultierenden Fluss Φᵣ zu bilden, wie im obigen Bild dargestellt.

Wenn der Feldfluss mit dem Wicklungsfluss interagiert, tritt eine Verzerrung auf: Die Flussdichte erhöht sich an der oberen Spitze des N-Pols und an der unteren Spitze des S-Pols, während sie an der unteren Spitze des N-Pols und an der oberen Spitze des S-Pols abnimmt. Der resultierende Fluss verschiebt sich in Richtung der Drehrichtung des Generators, wobei die magnetische Nullachse (MNA)—immer senkrecht zum resultierenden Fluss—sich entsprechend verschiebt.

Hauptwirkungen der Wicklungsreaktion:

• Asymmetrie der Flussdichte

• Die Wicklungsreaktion erhöht die Flussdichte in einer Hälfte des Pols, während sie in der anderen abnimmt.

• Der gesamte Polfluss nimmt leicht ab, was die Endspannung reduziert—ein Phänomen, das als Entmagnetisierungswirkung bezeichnet wird.

• Verzerrung des Flusswellenformes

• Der resultierende Fluss verzerrt das Magnetfeld.

• In Generatoren verschiebt sich die MNA mit dem resultierenden Fluss; in Motoren verschiebt sie sich entgegengesetzt zum resultierenden Fluss.

• Kommunikationsprobleme

• Die Wicklungsreaktion induziert Fluss in der Neutralzone, wodurch Spannungen erzeugt werden, die Kommunikationsprobleme verursachen.

• Definitionen der Neutralachse

• Die MNA ist der Ort, an dem die induzierte EMF null ist.

• Die geometrische Neutralachse (GNA) teilt den Wicklungskern symmetrisch.