Магнитный поток обмотки возбуждения двигателя, создаваемый главными полюсами, при отсутствии тока в якоре располагается так, как это показано на рис. 5. Наибольшее количество магнитных силовых линий пересекается проводниками якоря под серединой полюсов, наименьшее — по краям. На линии НН, называемой нейтральной, силовые линии не пересекаются проводниками якоря при его вращении и в это время в них электродвижущая сила не индуктируется. Поэтому, чтобы избежать искрения, надо щетки устанавливать на нейтральной линии.

Рис. 5. Магнитный поток обмотки возбуждения тягового двигателя

Если пропустить ток только по обмотке якоря, то вокруг его проводников создается магнитный поток, который располагается так, как это показано на рис.6. В этом случае якорь можно рассматривать как магнит, ось полюсов которого расположена по нейтральной линии.

Рис. 6. Магнитный поток обмотки якоря тягового двигателя

При работе двигателя, когда ток протекает одновременно по обмотке главных полюсов и по обмотке якоря, поле якоря воздействует на поле полюсов. В результате поток в левой части северного полюса становится слабее, а в правой части — сильнее. Это воздействие магнитного поля якоря на магнитное поле главных полюсов называется реакцией якоря.

Изменение магнитного поля двигателя вследствие реакции якоря приводит к смещению нейтральной линии на некоторый угол α (рис. 7) в сторону, противоположную вращению якоря, и требует смещения на такой же угол щеток. Оставить щетки на предыдущей нейтральной линии нельзя, так как они станут замыкать накоротко витки, в которых индуктируется электродвижущая сила, что вызовет сильное искрение. Чем больше ток в двигателе, тем больше угол смещения нейтральной линии.

Рис. 7. Изменение магнитного потока двигателя вследствие реакции якоря

У тяговых двигателей, предназначенных для работы в двух направлениях, в условиях частого изменения величины нагрузок необходимость смещения щеток представляет большие эксплуатационные трудности. Поэтому для компенсации реакции якоря применяют дополнительные полюса, устанавливаемые по нейтральной линии между главными полюсами.

Направление тока в катушках дополнительных полюсов выбирают таким, чтобы магнитный поток их имел направление, обратное магнитному потоку якоря.

Магнитный поток дополнительных полюсов индуктирует в витках, накоротко замыкаемых щетками, электродвижущую силу, направленную против электродвижущей силы самоиндукции, возникающей в проводниках якоря при сходе щеток с коллекторных пластин. В результате этого происходит ослабление вредного воздействия реакции якоря.

Для того чтобы при любом изменении нагрузки двигателя поток якоря компенсировался потоком дополнительных полюсов, обмотки последних всегда соединяются последовательно с обмоткой якоря. При увеличении его нагрузки автоматически увеличивается и поток, создаваемый обмоткой дополнительных полюсов.

В целях исключения указанных явлений состоянию коллектора, щеткодержателя с кронштейном, щеток должно уделяться особое внимание как при выпуске машины с завода или после ремонта, так и в процессе эксплуатации, текущего ремонта и осмотра электроподвижного состава.

При вращении якоря направление тока в его витках под северным полюсом противоположно направлению тока под южным полюсом. Изменение направления происходит в момент, когда щетка, замыкая витки накоротко, переходит с одной коллекторной пластины па другую. При этом в короткозамкнутом витке возникает электродвижущая сила самоиндукции, вследствие чего в нем появляется добавочный ток. Этот ток под набегающим краем щетки направлен против основного тока витка, а под сбегающим краем совпадает с ним по направлению, что показано на рис. 8 пунктиром.

В результате этого плотность тока под сбегающим с коллекторной пластины краем щетки всегда больше, чем под набегающим краем, что приводит к искрению под щетками.

Явления, происходящие в короткозамкнутом витке при переходе щетки с одной коллекторной пластины на другую, называются коммутацией.

Коммутационные явления играют очень большую роль в исправной работе электрической машины. Непрекращающееся искрение под щетками вследствие интенсивной ионизации воздуха, окружающего поверхность коллектора, приводит к образованию сплошного кругового искрения — кругового огня. При этом может иметь место переброс электрической дуги не только на щетку противоположной полярности, но и на ближайшие заземленные части машины. Зачастую искрение под щетками вызывает повреждение рабочей поверхности коллектора.

Рис. 8 Положение щетки при вращении якоря