肖祖旺，葉舟濤，何海波

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直流電機(jī)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(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

換向極氣隙調(diào)整不合適時(shí)，會(huì)影響到直流電機(jī)的換向性能，一般情況下是通過(guò)無(wú)火花換向區(qū)試驗(yàn)來(lái)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(yàn)并調(diào)整換向極氣隙，這樣會(huì)帶來(lái)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(jī)換向極氣隙調(diào)整的方法，可作為工程應(yīng)用參考。

直流電機(jī) 換向極 氣隙調(diào)整 無(wú)火花換向區(qū)

0 引言

換向性能是直流電機(jī)運(yùn)行質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)，換向不良將導(dǎo)致電機(jī)不能正常運(yùn)行。為使直流電機(jī)達(dá)到良好的換向性能，一般在電機(jī)磁路系統(tǒng)中設(shè)置有換向極，其作用是在換向區(qū)域內(nèi)建立換向磁場(chǎng)，在抵消交軸電樞反應(yīng)磁場(chǎng)的同時(shí)并在換向元件中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電勢(shì)e，該旋轉(zhuǎn)電勢(shì)e的方向與換向元件中的電抗電勢(shì)e方向相反，大小基本相等，旋轉(zhuǎn)電勢(shì)e的作用是加速換向元件中電流的變化，有利于換向，達(dá)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(chǎng)的大小與換向極氣隙值密切相關(guān)，一般情況下是通過(guò)無(wú)火花換向區(qū)試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)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(jì)算換向區(qū)域磁場(chǎng)來(lái)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(yīng)用價(jià)值。

1 直流電機(jī)換向極氣隙調(diào)整

確定換向極氣隙值的依據(jù)是先計(jì)算換向元件中的平均電抗電勢(shì)e，再以磁路計(jì)算方法初步估算出換向極氣隙值，通過(guò)有限元方法精確計(jì)算換向區(qū)域內(nèi)的磁場(chǎng)大小，最后再計(jì)算換向元件中的平均旋轉(zhuǎn)電勢(shì)e，要求平均旋轉(zhuǎn)電勢(shì)e與平均電抗電勢(shì)e方向相反，直至平均旋轉(zhuǎn)電勢(shì)e略大于平均電抗電勢(shì)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?yàn)閷?shí)踐證明這是一種良好的換向。

1.1 電抗電勢(shì)er計(jì)算

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，換向元件的電抗電勢(shì)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(shì)計(jì)算

在設(shè)置換向極的情況下，換向元件所處的氣隙磁場(chǎng)是由交軸電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)和換向極磁動(dòng)勢(shì)共同產(chǎn)生的，假定換向極氣隙磁場(chǎng)沿電樞軸向分布不變，可以推導(dǎo)出換向元件中的平均旋轉(zhuǎn)電勢(shì)為：

2 應(yīng)用舉例

現(xiàn)以某大型直流推進(jìn)電機(jī)為例，計(jì)算額定負(fù)載下的磁場(chǎng)分布，該電機(jī)主要參數(shù)如下：功率2200 kW、電樞繞組每個(gè)元件的匝數(shù)W=1、額定負(fù)載時(shí)電負(fù)荷=531.3 A/cm、額定負(fù)載時(shí)電樞線速度v=18.85 m/s、電樞計(jì)算長(zhǎng)度=84 cm、換向極極靴長(zhǎng)度l=87 cm，換向元件的平均漏磁導(dǎo)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(gè)槽距結(jié)構(gòu)。

2.1 平均電抗電勢(shì)

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，該大型直流電機(jī)額定負(fù)載時(shí)的平均電抗電勢(shì)為：

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

2.1.2電磁場(chǎng)有限元計(jì)算中假設(shè)條件

直流電機(jī)電磁場(chǎng)是一個(gè)三維恒定磁場(chǎng)，由于電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常假設(shè)：

1)電機(jī)軸向無(wú)限長(zhǎng)；

2)機(jī)氣隙和電機(jī)截面結(jié)構(gòu)沿主極軸線對(duì)稱； 3)忽略電機(jī)電樞繞組端部漏磁。

這樣就把實(shí)際的電機(jī)三維非線性恒定磁場(chǎng)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為二維非線性恒定場(chǎng)問(wèn)題。

2.1.3有限元計(jì)算模型

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

圖1 電機(jī)有限元求解區(qū)域

根據(jù)直流電機(jī)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，建立如圖1所示求解區(qū)域，為實(shí)際電機(jī)一對(duì)極剖面。

求解域ABCD內(nèi)的向量磁位(用表示)滿足非線性準(zhǔn)泊松方程。求解時(shí)，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(jì)算額定負(fù)載下主極繞組、換向極繞組和補(bǔ)償繞組的安匝數(shù)，并施加在模型中的相應(yīng)繞組上；

2.1.5額定工況下磁場(chǎng)計(jì)算

在額定負(fù)載下，根據(jù)以上建立的電機(jī)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(shí)分別計(jì)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(shí)的計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)下圖2所示。

本電機(jī)的換向區(qū)寬度為113.16 mm，換向區(qū)內(nèi)磁密分布見(jiàn)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(shì)為：

換向極第二氣隙為1 mm、1.5 mm和2 mm時(shí)的計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)下表1。

從上表中的計(jì)算結(jié)果對(duì)比來(lái)看，換向極第二氣隙值調(diào)整到1.5 mm較為合適，此時(shí)換向稍微偏強(qiáng)，換向性能較好。

通過(guò)以上的分析計(jì)算，改變換向極第二氣隙后，可以精確的計(jì)算出換向元件平均旋轉(zhuǎn)電勢(shì)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(fù)載時(shí)一對(duì)磁極下氣隙磁密分布

圖3 額定負(fù)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(jī)換向極氣隙的調(diào)整方法，在進(jìn)行直流電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，為減少換向極氣隙調(diào)整工作量，應(yīng)用該方法計(jì)算換向區(qū)內(nèi)的氣隙磁場(chǎng)十分必要，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

[1] 許實(shí)章.電機(jī)學(xué)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1980.

[2] 趙博等. Ansoft 12在工程電磁場(chǎng)中的應(yīng)用[M]. 北京: 中國(guó)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(jī)設(shè)計(jì)。E-mail: xiaozw7122@163.com