汪國輝，肖祖旺

直流電動機轉(zhuǎn)速特性計算及其調(diào)整

汪國輝，肖祖旺

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

針對直流電動機存在轉(zhuǎn)速特性上升，導(dǎo)致系統(tǒng)運行不穩(wěn)定的問題，本文建立電磁場有限元計算方法代替磁路計算方法，來進行直流電動機轉(zhuǎn)速特性計算。計算結(jié)果表明，增加串勵繞組后，可使得電機的轉(zhuǎn)速特性單調(diào)下降，是解決系統(tǒng)運行不穩(wěn)定問題的有效措施。通過試驗驗證，采用電磁場有限元方法計算的轉(zhuǎn)速特性與實際情況一致，可指導(dǎo)串勵繞組的設(shè)計。

直流電機 轉(zhuǎn)速特性 有限元

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流電機廣泛應(yīng)用，但由于直流電機具有優(yōu)異的機械性能，在一些特殊的場合仍然發(fā)揮著重要作用。

由于存在交軸電樞反應(yīng)，直流電動機在負載電流較大時會出現(xiàn)轉(zhuǎn)速上升的現(xiàn)象[1]，導(dǎo)致系統(tǒng)在運行中存在不能穩(wěn)定的問題。針對該問題，本文提出了采用電磁場有限元方法計算直流電動機的轉(zhuǎn)速特性，并以此為依據(jù)，提出了串勵繞組的設(shè)計方法，保證直流電動機轉(zhuǎn)速單調(diào)下降，能較好的解決直流電動機轉(zhuǎn)速上升問題。

1 直流電機電磁場有限元計算方法

1.1 假設(shè)條件

直流電機電磁場是一個三維恒定磁場[2]，由于電機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常假設(shè)[3]：

1）電機軸向無限長；

2）電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)化為實用的二維非線性恒定場問題。

1.2 基本方程和邊界條件

以某型4極直流電機為例，根據(jù)其結(jié)構(gòu)的對稱性，為減少有限元計算工作量，建立了如圖1所示一對極的求解區(qū)域。飽和時，鐵心的磁阻率=()，所以整體而言，求解域ABC內(nèi)的向量磁位(用表示)滿足非線性準泊松方程。負載時，邊界條件為：

1）子磁軛的外邊界線BC是一條磁力線，若將該線的磁位取為零，可得u|BC=0。

2）極中心線上，磁位應(yīng)滿足周期邊界條件，即u|AB=u|AC。這樣，負載時直流電機內(nèi)的非線性磁場可歸結(jié)為如下二維非線性準泊松方程邊值問題：

u|BC=0, u|AB=u|AC

2 實例分析

2.1 電機運行情況

某型幅壓并勵直流電動機，電機在做轉(zhuǎn)速調(diào)整率試驗時發(fā)現(xiàn)，該電機在接近50％額定負載時，就開始出現(xiàn)隨著負載的增加其轉(zhuǎn)速也開始上升，至額定負載時轉(zhuǎn)速上升60轉(zhuǎn)左右。由于電機出現(xiàn)了轉(zhuǎn)速上升的現(xiàn)象，隨著電機轉(zhuǎn)速的上升，負載增加，導(dǎo)致電樞電流進一步增大，最終使電樞電流保護開關(guān)跳閘，電機不能正常工作。

2.2 原因分析

直流電機在負載工況下運行時存在交軸電樞反應(yīng)，雖然該電機設(shè)計時采用補償繞組（無串極繞組），但仍不能將電樞繞組產(chǎn)生的磁通完全抵消，使得電機在某一負載電流以后隨著負載電流的增加而氣隙磁通減小的情況，導(dǎo)致電機轉(zhuǎn)速特性出現(xiàn)上升的現(xiàn)象。而采用磁路方法計算電機轉(zhuǎn)速特性時一般假定氣隙磁通不變，這樣計算出電機的轉(zhuǎn)速特性曲線為單調(diào)下降，與實際情況有一定的差異。

2.3 轉(zhuǎn)速特性計算

將該電機在電壓240 V時，電樞電流為77 A時整定轉(zhuǎn)速為1500 rpm，即確定勵磁電流不變，改變電樞電流，通過電磁場有限元法計算出磁通后再計算轉(zhuǎn)速[4]。

2.3.1不加串勵繞組的轉(zhuǎn)速特性計算

該電機在沒有串勵繞組的情況下，通過電磁場有限元法計算出不同負載下的轉(zhuǎn)速如下，見表1。

表1 無串勵繞組時的轉(zhuǎn)速特性

計算結(jié)果表明，電機無串勵繞組時，轉(zhuǎn)速特性上升，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

2.3.2增加串勵繞組后的轉(zhuǎn)速特性

由于該型電機為幅壓電機，幅壓范圍寬，這使得電機大部分時間都是工作在磁路不飽和的情況下，為保證額定工況下轉(zhuǎn)速特性單調(diào)下降，采取的措施是增加少量串勵繞組匝數(shù)，串勵繞組匝數(shù)為1/4匝，通過電磁場有限元法計算出不同負載下的轉(zhuǎn)速如下，見表2，在負載電流為1600 A時，氣隙磁場磁力線分布和氣隙磁場大小分別見圖2和圖3。

表2 增加串勵繞組后的轉(zhuǎn)速特性

圖2 1600 A時磁力線分布圖

2.3.3結(jié)果分析

從上述采用電磁場有限元方法的計算結(jié)果可以看出，該電機轉(zhuǎn)速在負載較大時出現(xiàn)上升，該結(jié)果與實際運行情況一致，而與采用磁路方法計算得出的結(jié)論不一樣。因此采用電磁場有限元法分析電機的運行性能時更接近實際情況。

圖3 1600 A時氣隙磁場波形

3 串勵繞組設(shè)計

為解決直流電機固有轉(zhuǎn)速特性呈下降特性，在主極上增加了串勵繞組，根據(jù)電磁場計算結(jié)果，每極下串勵磁繞組匝數(shù)為1/4匝，即每個主極上繞1匝串勵繞組，并將4路并聯(lián)連接，接線原理見圖4。

由于每個支路的串勵繞組的電阻很小，為解決各支路串勵繞組的電流平衡問題，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時將采用大截面的正負連接端環(huán)，從兩個連接環(huán)的對稱位置出線，使得每個支路的串勵繞組長度相等，電阻相等，見圖5所示，從而保證了各個支路的串勵繞組電流的平衡。

圖4 串勵繞組接線原理圖

圖5 串勵繞組結(jié)構(gòu)布置

4 固有轉(zhuǎn)速調(diào)整率測定

電樞回路中接串勵繞組，直流電動機以電動方式運行，在電樞電壓為240 V時測試轉(zhuǎn)速調(diào)整率。測試方法為：保持電樞電壓和勵磁電流恒定，電機由額定轉(zhuǎn)速開始，由空載逐步增加負載電流到額定負載，記錄各負載下的轉(zhuǎn)速。

固有轉(zhuǎn)速調(diào)整率按下式計算：

試驗結(jié)果見表3。

表3 轉(zhuǎn)速特性測量

試驗表明，該直流電動機的轉(zhuǎn)速單調(diào)下降，轉(zhuǎn)速調(diào)整率約為4.1%，滿足使用要求。試驗結(jié)果與有限元計算結(jié)果接近，進一步驗證了有限元計算模型的正確性。

5 結(jié)束語

通過上述有限元分析計算，可以比較清楚地看到電機內(nèi)部磁場的分布情況，對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且磁路非線性狀態(tài)下工作的電機而言，得到了較為可靠的計算方法，具有一定的工程應(yīng)用價值。在進行直流電動機設(shè)計時，應(yīng)用該方法計算電機轉(zhuǎn)速特性十分必要，可以在設(shè)計階段較精確預(yù)測電機運行性能，并能對串勵繞組的設(shè)計提供依據(jù)。

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

[2] 陳丕璋等. 電機電磁場理論與計算[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1986.

[3] 田曉軍. 直流電機運行性能的數(shù)值計算[J]. 新疆電力, 2006, (3), 26-28.

[4] 趙博等.Ansoft 12在工程電磁場中的應(yīng)用[M]. 中國水利水電出版社, 2010.

Calculation and Adjustment of Speed Characteristic of DC Motor

Wang Guohui，Xiao Zuwang

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

TM33

A

1003-4862（2021）08-0022-03

2021-03-03

汪國輝（1987-），男，工程師。研究方向：船舶電力推進技術(shù)。E-mail:403192616@qq.com