При холостом ходе машины тока в якоре нет и магнитное поле создается намагничивающей силой полюсов. Это магнитное поле симметрично относительно оси полюсов и распределяется примерно равномерно в воздушном зазоре (рис. 1, а). Положим, что щетки установлены на геометрической нейтрали, т. е. на линии, проходящей через центр якоря и перпендикулярной оси полюсов.
Рис.1 Магнитное поле машины постоянного тока:
а - магнитное поле полюсов, б - магнитное поле якоря,
в - результирующее магнитное поле при нагрузке
При нагрузке машины в обмотке якоря протекает ток, который создает свое магнитное поле. Поле якоря, воздействуя на магнитное поле полюсов, изменяет и искажает его. При нагрузке машины по магнитной цепи замкнется результирующий магнитный поток Φp, создаваемый совместным действием намагничивающих сил полюсов и якоря.
Результирующий магнитный поток Φp не равен потоку полюсов Φп, созданному намагничивающими силами обмотки возбуждения, или при холостом ходе. Воздействие поля, возбуждаемого током в якоре при нагрузке машины, на магнитное поле полюсов называется реакцией якоря.
Если по проводникам обмотки якоря невозбуждаемой машины пропустить от постороннего источника такой ток, который будет при нагрузке машины, то будет создано магнитное поле якоря (рис. 1, б). Это поле якоря замыкается поперек оси полюсов и называется поперечным полем реакции якоря.
Намагничивающая сила якоря под одним краем полюса (под набегающим для генератора и под сбегающим для двигателя) направлена встречно намагничивающей силе полюсов, а под другим краем полюса (под сбегающим для генератора и под набегающим для двигателя) — согласно намагничивающей силе полюсов. Следовательно, под одним краем полюса происходит уменьшение, а под другим увеличение магнитной индукции.
Таким образом, при нагрузке машины результирующее магнитное поле будет несимметрично относительно оси полюсов (рис. 1, в), т. е. поперечное поле реакции якоря перераспределяет магнитное поле полюсов, ослабляя его под одним краем и усиливая под другим краем полюса.
Если магнитная система машины не насыщена, то увеличение магнитного потока под одним краем полюса будет равно уменьшению магнитного потока под другим краем полюса и результирующий магнитный поток останется неизменным при изменении нагрузки.
Так как машины работают при сравнительно сильных магнитных полях, то вследствие насыщения стали увеличение магнитного потока под одним краем полюса будет меньше, чем уменьшение магнитного потока под другим краем полюса. Поэтому результирующий магнитный поток при нагрузке окажется меньше магнитного потока полюсов, т. е. магнитного потока при холостом ходе.
Изменение магнитного потока машины приводит в генераторах к изменению как э. д. с., так и напряжения на зажимах машины. Кроме того, под воздействием реакции якоря увеличивается напряжение между смежными коллекторными пластинами, что ухудшает коммутацию тока.
Если, например, в генераторе при неизменном токе возбуждения увеличится нагрузка (возрастет ток в якоре), то из-за размагничивающего действия поля реакции якоря магнитный поток машины уменьшится, что повлечет за собой уменьшение как э. д. с., так и напряжения на зажимах генератора. Поэтому в тех случаях, когда требуется постоянство э. д. с. или напряжения на зажимах генератора, при увеличении нагрузки машины повышают и ток возбуждения с тем, чтобы возрастание магнитного потока компенсировало размагничивающее действие реакции якоря. Кроме того, при нагрузке напряжение уменьшается в результате падения напряжения в якоре.