肖祖旺，葉舟濤，何海波

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直流電機換向極氣隙調(diào)整方法

肖祖旺，葉舟濤，何海波

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

換向極氣隙調(diào)整不合適時，會影響到直流電機的換向性能，一般情況下是通過無火花換向區(qū)試驗來確定換向極氣隙的大小，但該方法很難將換向極氣隙一次調(diào)整成功，需要多次試驗并調(diào)整換向極氣隙，這樣會帶來很大的工作量，為減少換向極氣隙調(diào)整次數(shù)，本文介紹了一種直流電機換向極氣隙調(diào)整的方法，可作為工程應用參考。

直流電機 換向極 氣隙調(diào)整 無火花換向區(qū)

0 引言

換向性能是直流電機運行質(zhì)量的一項重要指標，換向不良將導致電機不能正常運行。為使直流電機達到良好的換向性能，一般在電機磁路系統(tǒng)中設置有換向極，其作用是在換向區(qū)域內(nèi)建立換向磁場，在抵消交軸電樞反應磁場的同時并在換向元件中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電勢e，該旋轉(zhuǎn)電勢e的方向與換向元件中的電抗電勢e方向相反，大小基本相等，旋轉(zhuǎn)電勢e的作用是加速換向元件中電流的變化，有利于換向，達到改善換向性能的目的。而換向極在換向區(qū)域內(nèi)建立的換向磁場的大小與換向極氣隙值密切相關(guān)，一般情況下是通過無火花換向區(qū)試驗數(shù)據(jù)來確定換向極氣隙大小。

為降低換向極氣隙調(diào)整工作量，本文論述了以有限元方法計算換向區(qū)域磁場來確定換向極氣隙大小的方法，減少調(diào)整次數(shù)，在工程上具有一定的應用價值。

1 直流電機換向極氣隙調(diào)整

確定換向極氣隙值的依據(jù)是先計算換向元件中的平均電抗電勢e，再以磁路計算方法初步估算出換向極氣隙值，通過有限元方法精確計算換向區(qū)域內(nèi)的磁場大小，最后再計算換向元件中的平均旋轉(zhuǎn)電勢e，要求平均旋轉(zhuǎn)電勢e與平均電抗電勢e方向相反，直至平均旋轉(zhuǎn)電勢e略大于平均電抗電勢e為止，最終可確定換向極氣隙大小，以期能得到輕微的超越換向，因為實踐證明這是一種良好的換向。

1.1 電抗電勢er計算

根據(jù)電磁感應定律，換向元件的電抗電勢為：

式中L—換向元件的漏磁通電感系數(shù)（亨）。

1.2 旋轉(zhuǎn)電勢計算

在設置換向極的情況下，換向元件所處的氣隙磁場是由交軸電樞反應磁動勢和換向極磁動勢共同產(chǎn)生的，假定換向極氣隙磁場沿電樞軸向分布不變，可以推導出換向元件中的平均旋轉(zhuǎn)電勢為：

2 應用舉例

現(xiàn)以某大型直流推進電機為例，計算額定負載下的磁場分布，該電機主要參數(shù)如下：功率2200 kW、電樞繞組每個元件的匝數(shù)W=1、額定負載時電負荷=531.3 A/cm、額定負載時電樞線速度v=18.85 m/s、電樞計算長度=84 cm、換向極極靴長度l=87 cm，換向元件的平均漏磁導系數(shù)=1.76，電樞齒距t=19.23 mm，換向區(qū)寬度b=113.16 mm，電樞采用斜一個槽距結(jié)構(gòu)。

2.1 平均電抗電勢

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，該大型直流電機額定負載時的平均電抗電勢為：

求該大型直流電機的平均旋轉(zhuǎn)電勢時，先采用有限元方法計算出額定負載下的氣隙磁密，再獲得換向區(qū)內(nèi)的換向氣隙磁場平均磁密，最后用式（3）求得平均旋轉(zhuǎn)電勢。

2.1.2電磁場有限元計算中假設條件

直流電機電磁場是一個三維恒定磁場，由于電機結(jié)構(gòu)復雜，通常假設：

1)電機軸向無限長；

2)機氣隙和電機截面結(jié)構(gòu)沿主極軸線對稱； 3)忽略電機電樞繞組端部漏磁。

這樣就把實際的電機三維非線性恒定磁場問題轉(zhuǎn)化為二維非線性恒定場問題。

2.1.3有限元計算模型

利用電機的對稱關(guān)系，可減少計算工作量，現(xiàn)以該大型直流電機的一對極模型計算其靜態(tài)氣隙磁場，模型如下圖1。

圖1 電機有限元求解區(qū)域

根據(jù)直流電機結(jié)構(gòu)的對稱性，建立如圖1所示求解區(qū)域，為實際電機一對極剖面。

求解域ABCD內(nèi)的向量磁位(用表示)滿足非線性準泊松方程。求解時，邊界條件為：

2.1.4施加繞組載荷

上述模型采用如下方法施加載荷：

1）分別計算額定負載下主極繞組、換向極繞組和補償繞組的安匝數(shù)，并施加在模型中的相應繞組上；

2.1.5額定工況下磁場計算

在額定負載下，根據(jù)以上建立的電機有限元分析模型和載荷，換向極第一氣隙不變，選取換向極第二氣隙為1 mm、1.5 mm和2 mm時分別計算，限于篇幅關(guān)系，以下僅列出換向極第二氣隙值為1 mm時的計算結(jié)果，見下圖2所示。

本電機的換向區(qū)寬度為113.16 mm，換向區(qū)內(nèi)磁密分布見下圖3所示，求得平均磁密為0.0956T，即956Gs。

換向元件中的平均旋轉(zhuǎn)電勢為：

換向極第二氣隙為1 mm、1.5 mm和2 mm時的計算結(jié)果對比見下表1。

從上表中的計算結(jié)果對比來看，換向極第二氣隙值調(diào)整到1.5 mm較為合適，此時換向稍微偏強，換向性能較好。

通過以上的分析計算，改變換向極第二氣隙后，可以精確的計算出換向元件平均旋轉(zhuǎn)電勢變化的大小，并確定最終氣隙，減少了換向極氣隙的調(diào)整工作量。

圖2 額定負載時一對磁極下氣隙磁密分布

圖3 額定負載下?lián)Q向區(qū)內(nèi)氣隙磁密分布

表1 換向極第二氣隙值

3 結(jié)論

本文介紹了直流電機換向極氣隙的調(diào)整方法，在進行直流電機設計時，為減少換向極氣隙調(diào)整工作量，應用該方法計算換向區(qū)內(nèi)的氣隙磁場十分必要，具有一定的工程應用價值。

[1] 許實章.電機學[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1980.

[2] 趙博等. Ansoft 12在工程電磁場中的應用[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2010.

Air Gap Adjustment Method for Commutation Pole of DC Motor

Xiao Zuwang, Ye Zhoutao, He Haibo

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM33

A

1003-4862（2019）05-0004-03

2018-12-18

肖祖旺（1975-），男，高工。研究方向：電機設計。E-mail: xiaozw7122@163.com