直流電機(jī)仿真實(shí)例設(shè)計(jì)與分析＊

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（上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院，上海 201306）

“電機(jī)學(xué)”是電氣工程類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一[1]，主要涉及變壓器、直流電機(jī)、異步電機(jī)、同步電機(jī)等內(nèi)容。其中直流電機(jī)部分又是“電機(jī)學(xué)”課程中最為基礎(chǔ)的內(nèi)容，很多電機(jī)方面的基本概念均在此章節(jié)引出。掌握好直流電機(jī)是學(xué)習(xí)“電機(jī)學(xué)”課程的關(guān)鍵。

在“電機(jī)學(xué)”的教學(xué)實(shí)踐中，傳統(tǒng)的教學(xué)方式主要是通過(guò)理論分析與推導(dǎo)，進(jìn)而獲得一些結(jié)論。如果在此基礎(chǔ)上，引入仿真技術(shù)，通過(guò)仿真項(xiàng)目，可使學(xué)生深刻理解電機(jī)的結(jié)構(gòu)、原理和基本特性。同時(shí)，參數(shù)調(diào)整時(shí)，可快速顯示由其帶來(lái)的影響，良好的軟件交互性提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，改善了教學(xué)效果。

目前，以Ansoft Maxwell、Jmag、Flux為代表的電磁仿真軟件，已在科學(xué)研究或企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用，并將逐漸進(jìn)入“電機(jī)學(xué)”課程教學(xué)中[2-3]。本文采用Ansoft Maxwell，開發(fā)了直流電機(jī)的仿真教學(xué)實(shí)例，涉及幾何建模、磁場(chǎng)分布、繞組設(shè)計(jì)、線圈電勢(shì)、電樞電壓電流等內(nèi)容。

1 項(xiàng)目設(shè)計(jì)

1.1 電機(jī)參數(shù)

根據(jù)教學(xué)需要，設(shè)計(jì)如圖1所示的直流發(fā)電機(jī)。勵(lì)磁繞組位于定子上，電樞繞組位于轉(zhuǎn)子上。電機(jī)工作時(shí)，采用他勵(lì)方式為勵(lì)磁繞組供電，產(chǎn)生主磁極。原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子上的電樞繞組因切割主磁場(chǎng)而感應(yīng)電勢(shì)。電樞繞組帶載時(shí)，會(huì)產(chǎn)生交軸電樞反應(yīng)磁場(chǎng)，不利于線圈換向，為此在定子上設(shè)置換向極，用于削弱電樞磁場(chǎng)。

圖1 電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電機(jī)額定電壓為600 V，額定容量為500 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 053 r/min，電機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。由于采用的是不均勻氣隙，因此不同位置處的定子內(nèi)徑和轉(zhuǎn)子外徑值會(huì)略有不同。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)

電樞采用單疊繞組，并聯(lián)支路數(shù)與電機(jī)極數(shù)相同，為4。電樞繞組的等效電路如圖2所示。工作時(shí)，電刷和換向片將所有電樞線圈分在4個(gè)并聯(lián)支路中，支路電勢(shì)是該支路中所有線圈電勢(shì)的合成，理論上講，4個(gè)并聯(lián)支路電勢(shì)相等。在定子主磁場(chǎng)極性和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向不變的前提下，對(duì)外表現(xiàn)為直流電，為外部負(fù)載供電。

圖2 等效電路

1.2 仿真建模

基于Ansoft Maxwell開發(fā)直流電機(jī)的仿真工程，如圖3所示。在工程窗口中，完成幾何模型創(chuàng)建、模型材料屬性設(shè)置、定子繞組激勵(lì)設(shè)置、運(yùn)動(dòng)條件設(shè)置等。對(duì)于電樞繞組，則是在外電路中先將所有線圈首尾連接構(gòu)成1個(gè)閉合回路，然后每個(gè)線圈首端再接上2個(gè)由時(shí)間控制的開關(guān)（2個(gè)開關(guān)的另一端分別接到直流母線的正極、負(fù)極），模擬實(shí)際工作時(shí)線圈換向片和電刷之間的通斷。

圖3 仿真工程項(xiàng)目

2 電磁計(jì)算

2.1 磁場(chǎng)分布

磁力線分布如圖4所示。

圖4 磁力線分布（勵(lì)磁i F=283A）

空載時(shí)的氣隙磁密如圖5所示?？梢钥闯鲭姍C(jī)磁極數(shù)為4，磁場(chǎng)分布對(duì)稱，氣隙磁密在圓周上正負(fù)交變，表明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，定子繞組激勵(lì)設(shè)置正確。

圖5 氣隙磁密（勵(lì)磁i F=200A）

2.2 線圈感應(yīng)電勢(shì)

電樞線圈的感應(yīng)電勢(shì)如圖6所示。電樞線圈匝數(shù)為3，節(jié)距近似為整距（節(jié)距為12槽），電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞線圈切割正負(fù)交變的磁密（近似認(rèn)為氣隙磁密），產(chǎn)生正負(fù)交變的感應(yīng)電勢(shì)，電周期約為28.5 ms。

圖6 空載時(shí)線圈電勢(shì)（勵(lì)磁i F=283A）

換向觸發(fā)時(shí)刻情況如圖7所示（非換向片電流）。為了使電樞繞組對(duì)外輸出直流電，需要分析直流電機(jī)實(shí)物的工作原理，從而在仿真項(xiàng)目中，正確設(shè)置換向觸發(fā)時(shí)刻。實(shí)際工作時(shí)，通常在線圈電勢(shì)零值時(shí)進(jìn)行線圈電流換向，此時(shí)換向能量較小。在1個(gè)電周期內(nèi)，線圈換向片會(huì)依次到達(dá)N極、S極下的電刷位置處，通過(guò)換向片和電刷進(jìn)行線圈電流換向，因此在仿真模擬等效時(shí)，每個(gè)周期內(nèi)有2次線圈電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)換向觸發(fā)，圖7表明電樞繞組仿真設(shè)置正確。

圖7 換向觸發(fā)脈沖

電機(jī)帶負(fù)載時(shí)，線圈電勢(shì)和線圈電流情況如圖8所示。在開始的一段時(shí)間，電機(jī)不穩(wěn)定，經(jīng)過(guò)1個(gè)電周期后，電流穩(wěn)定?？梢钥闯鲭姍C(jī)雖然對(duì)外表現(xiàn)為直流，但是就內(nèi)部的單個(gè)線圈而言，電勢(shì)和電流均為交流。需要指出的是，在線圈電勢(shì)正半周時(shí)，線圈電流從首端流出、尾端流入，記作正向電流；隨著電機(jī)旋轉(zhuǎn)，線圈進(jìn)入另一磁極下，線圈電勢(shì)進(jìn)入負(fù)半周，同時(shí)經(jīng)過(guò)電刷換向，線圈進(jìn)入另一支路，電流方向則變?yōu)閺奈捕肆鞒?、首端流入，記作?fù)向電流。除換向時(shí)間外，線圈電流大小不變，僅方向發(fā)生周期性變化。

圖8 線圈電勢(shì)和線圈電流

2.3 電樞電壓電流

當(dāng)轉(zhuǎn)子被原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)，電樞線圈切割氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生交流電勢(shì)，再經(jīng)過(guò)換向片及電刷的“逆變”作用，電機(jī)即可對(duì)外表現(xiàn)為直流電。其中直流電樞電勢(shì)EΦ與電機(jī)常數(shù)Ce、轉(zhuǎn)速n、每極磁通Φ有關(guān)，關(guān)系式為：

電機(jī)空載電樞電壓如圖9所示，可以看出，直流電樞電壓紋波較小，繞組設(shè)置正確合理。電機(jī)外接580 V直流電網(wǎng)時(shí)的電樞電流情況如圖10所示，從零值開始，逐漸穩(wěn)定。

圖9 空載電樞電壓（勵(lì)磁i F=283A）

圖10 電樞電流（勵(lì)磁i F=283A）

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了直流發(fā)電機(jī)的仿真教學(xué)實(shí)例，仿真結(jié)果與理論分析一致。仿真技術(shù)的引入，可以使學(xué)生深刻理解電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理、基本特性（磁場(chǎng)分布、電樞電壓電流、空載特性、外特性、調(diào)整特性）等，提高課程教學(xué)質(zhì)量。