问题求解法在直流电机结构教学中的应用

谢宝昌，陈明镜

(1上海交通大学电子信息与电气工程学院上海 200240，2上海电机厂有限公司，上海 200240)

“电机学”是我校电气工程卓越工程师班的必修课，这门专业基础课程通过校企联合培养，是卓越工程师计划有效实施的基本保障之一。直流电机电气和机械端口特性很简单，但其内部结构却十分复杂。学生对直流电机结构及一些关键问题往往难以理解。

问题求解法就是通过问题导向提出解决方案达到设定的优化目标的教学方法。该方法让学生在探索的过程中边总结边发现问题，不断解决新问题，使教学过程得到螺旋式提升。

1 求解问题的导入

“电机学”课程对电机的定义是基于机电能量转换的方式给出的，因此直流电机定义为直流电能与机械能相互转换的装置［1，2］。以旋转电机为例，怎样构造直流电机呢?我们为此从静止磁场出发，导入单线圈模型电势和转矩不均匀问题、多线圈电势高频纹波电磁干扰和换向问题、大中型直流电机电枢反应使主磁极磁场扭曲和换向困难问题以及制造工艺等逐步改善和优化直流电机性能等问题。

2 求解问题的展开

要说明直流电机的结构，先要明确电机运行的基本原理是定转子两个极对数相同的磁场空间保持相对静止。这类似于几何中不共线的三点决定一个平面一样属于公理，学生必须掌握并能灵活应用。这里，两个磁场要保持相对静止的概念非常重要。它不仅包含两个磁场既可以是静止的，也可以是运动的，而且是动态平衡的。那么对于直流电机定转子磁场将会是怎样的呢?

直流电机定子和转子外部电气端口的电源都是直流，根据排列组合原理，存在如下几种可能:

(1)定子绕组接直流电压产生直流电流，或者定子采用永磁磁极，两者在空间都产生相对定子静止的磁场;

(2)转子绕组接直流电压产生直流电流，或者采用永磁极，使两者在空间都产生相对转子静止的磁场;

(3)定子绕组通过电力电子整流或逆变装置实现外部直流电与内部交流电的转换，空间产生旋转磁场;

(4)转子绕组通过整流形成直流电输出或通过逆变装置将直流电转换成交流输入。而整流与逆变可采用机械方式或双向可控电力电子装置实现。

如果定子绕组采用电力电子整流与逆变技术，产生相对于定子旋转的磁场，那么转子磁场相对于定子也要旋转且保持相对静止。当转子采用永磁磁极时，这类电机称为无刷直流电机。如果定转子都采用电力电子整流与逆变技术同样需要滑环和电刷供电装置，但转子转速可以灵活改变，能量流动控制灵活，这些已经超出了传统直流电机的范畴。引入电力电子技术的电机是现代电子电机概念吸引眼球的地方，将引导有兴趣的学生在课余做进一步探究。

如果定子绕组接直流电压，定子电源提供给绕组的直流电功率消耗在绕组电阻上，不进行机电能量转换，因此定子可以采用永磁磁极或超导线圈励磁，分别称为永磁直流电机和超导直流电机。定子绕组在空间产生静止的磁场，那么转子磁场在空间也是静止的。这样转子旋转时，转子绕组位于定子相同磁极下导体的感应电势方向相同，电流分布在空间也应相对静止的。直流电机的转子是电枢，需要换向器实现机电能量转换。

3 新问题的发现和解决

我们现在先分析定子是一对磁极和转子是一个线圈的直流电机，其原理简图如图1所示。

图1 直流电机原理简图

图中定子给出了左半结构，定子两个磁极结构相同并对称分布，通过机座(导磁磁轭)形成定子磁路。转子铁芯用高磁导率材料，定转子之间通过气隙构成闭合磁路，这样磁路有效气隙小，定子每极励磁磁势减小，可以节省励磁绕组用铜量。

电机定子磁极磁场为平顶波，线圈的两个有效边分别放入铁芯不同槽内。根据电磁感应定律，如不考虑转子齿槽效应，旋转线圈的感应电势与磁感应强度、转子转速和电枢结构尺寸呈正比［1，2］:

其中，电枢铁芯轴向长度l，半径R，机械角速度ω，两个线圈边所在位置气隙磁场的磁感应强度分别为B1和B2。

电机线圈流过电流I时，在磁极磁场作用下产生电磁转矩Tem=(B1－B2)lRI。显然，线圈有效边对称放置时，两边的磁场大小相同极性相反，能产生峰值最大的感应电势和电磁转矩。主磁场B、线圈感应电势e和电磁转矩Tem波形如图2所示。

图2 主磁场、电势和转矩

由图1可知，转子线圈内感应电势和电流是交变的，线圈的两个引线端与两个换向片连接，电刷位于磁极中心线(称为直轴)位置，换向时刻线圈轴线位于该位置，电刷上的电势是脉动的直流电。图2分析结果发现，图1的直流电机存在如下问题。

(1)感应电势不均匀，造成发电状态输出电压波动，而电动状态输入电流波动;

(2)不论线圈电流是否变化，线圈在磁极磁场作用下的电磁转矩也是变化的，导体位于直轴位置电磁转矩最大，而位于极间(称为交轴)位置为零;

(3)转子旋转一周，线圈电流方向改变两次，即换向两次，换向时转子内、外电路都被电刷短路。

问题的核心是解决电势和转矩的波动性。产生波动的原因是一个线圈不能持续维持磁极有效区域贡献均匀的电势和转矩。因此解决方案是在定子极对数不变条件下，增加转子电枢绕组的线圈数且均匀分布，将同一磁极下电枢导体的电势叠加。主磁场分布和感应电势波形如图3所示，单叠电枢绕组如图4所示。

图3 多线圈电势脉动

图4 电枢绕组展开图

从图3和图4分析可以发现，所有线圈通过换向器上的换向片自行形成封闭回路，电刷使左行和右行的两条支路并联起来，因此直流电机的支路数总是偶数的。磁极对称，电刷仍放置在直轴，将电势接近零的线圈短路。除了换向线圈，内外电路换向时刻短路问题自然解决。但多线圈电枢存在如下新的问题:

(1)电势随线圈数增多波动幅值减小，但纹波频率增加。若转速n，极对数p，换向片数k，每个线圈电势交变频率f1=pn/60，电枢绕组电势交变频率为每对磁极下线圈数k/2p倍线圈电势交变频率。通过换向器和电刷整流后输出的电势脉动频率为换向频率2f1k/2p=kn/60，造成高频无线电干扰;

(2)电磁转矩随线圈数增加而增大且平滑，但相同转速下导体换向频率提高，改变换向线圈电流的时间缩短，磁场能量释放时间过短可能产生火花;

(3)定子磁极下总是存在转子导体电流，它们将产生影响磁极磁场分布的交轴电枢反应磁场。如图5所示，主磁极一边饱和程度增强而另一边削弱，本来关于直轴对称的磁感应线被扭曲了。此外，交轴电枢反应磁场还将对换向线圈产生不利影响，因为换向线圈的有效边正好处在交轴磁场位置。

图5 电枢反应磁场

(4)换向器直径不变，因线圈数和云母绝缘层增加，每个换向片截面减小，换向时间缩短，电刷与换向片接触电流密度增大，造成换向困难。

我们认为，关键是如何解决电枢反应磁场引起主极磁场扭曲和换向困难问题。

如果在定子磁极表面有导体且电流方向与对应电枢表面导体电流相反，那么可以补偿电枢磁势对磁极的影响，这样磁极表面导体构成补偿绕组，磁势与电枢电流呈正比，以相互抵消。

类似地，电枢反应磁势位于交轴，而换向线圈轴线位于直轴，交轴磁场正好在换向线圈感应电势，延缓换向。为了消除电枢反应磁势对换向线圈换向的影响，在主磁极之间的交轴位置安装换向极，或称间极，换向极绕组产生的磁势要与交轴磁势相抵消，因此其电流必须与电枢电流成正比。

图6 电枢绕组、补偿绕组和换向极绕组的电流

四极直流电机各绕组电流方向如图6所示，主磁极表面补偿绕组电流与电枢导体相反，间极绕组电流产生的磁势与交轴磁势相反。补偿绕组和换向极绕组与电枢绕组之间的连接如图7所示。为了方便起见，将电机沿直轴展开形成直线电机的结构形式。补偿绕组在定子极间形成同心式线圈，然后与电刷引出线串联。补偿绕组背面连线如图中虚线所示，前面连线用实线表示，电刷中电流方向用箭头表示，换向极绕组与补偿绕组串联，最后引出线两端用1和2表示。

图7 绕组及其连接关系

尽管安装补偿绕组和换向极绕组可以明显改善交轴电枢反应的不利影响，但主磁场扭曲，使得几何中性线(交轴)与零磁场位置的物理中性线分离，需要通过移动电刷来实现。

线圈数增加使得换向片数目增多，电刷与换向片接触面积减小造成电流密度过大问题，可以通过增加换向器轴向长度并增加电刷并联组数解决;如果轴向空间有限，可以采用径向换向器结构;或者采用复叠绕组增大电刷覆盖换向片数目;还可以增加每槽线圈边数，即采用虚槽结构，既解决了多槽数开槽后齿部变窄问题，又改善了换向。

主磁极表面开槽安放补偿绕组，增加了极靴磁感应强度，而且转子齿槽效应引起更高频率的气隙磁场脉动，增加表面铁芯损耗。永磁直流电机可以通过增加极靴减小永磁体涡流损耗，但通常用于小功率场合。

大功率低压大电流直流电机采用多并联支路数，即采用多极单叠或复叠绕组。大功率高压直流电机采用多极单波或复波绕组。两者组合成单蛙或复蛙绕组。

4 电机制造工艺问题

前面讨论的直流电机都是磁极磁场对称的。实际上，因制作工艺和转轴挠动等因素引起气隙磁场不对称，各支路的感应电势大小不同会引起内部环流，导致损耗增加、效率降低和温升过高。为此，需要对绕组中各线圈的等电势点用均压线连接，波绕组由于所有磁极下线圈串联，自身起到均压作用，因此不需要增设均压线。

为了连接均压线，线圈采用半边结构，尽管增加了接头焊接工作量，但线圈成型困难的问题也就迎刃而解了。

主磁极气隙调整是改善磁极磁场不对称的重要方面。直流电机定转子之间的气隙称为第一气隙，磁极与定子磁轭之间有第二气隙，在第二气隙中增加硅钢片来调整第一气隙大小。

当换向器直径小，大容量直流电机电枢直径较大时，电枢绕组导体不易折弯，同时为了减少绕组端部用铜量，换向器增设升高片。高速直流电机升高片不易固定且有短路的危险，需要采用波浪形结构，并在升高片之间填充绝缘硅胶，增加绝缘强度和机械缓冲性能。

大中型直流电机需要通风散热，轴向通风道为电枢冲片上有规律开设的圆孔，不仅增加轴向通风道数目，有利于转子铁芯冷却，同时可以降低转子铁芯重量，但必须保证传递电磁转矩的剪切机械强度。

此外，大容量低速大直径直流电机转子采用空心轴结构。大容量高速低压大电流直流电机采用双电枢结构，其长转轴采用三轴承结构。大机座直流电机采用哈夫结构等。有些特殊场合可以采用无转轴结构。

5 结语

本文通过问题求解法剖析直流电机结构，使得学生能够在提出问题、解决问题和发现新问题的循环过程中不断完善直流电机结构。学生能够进行创新性设计，从中领会工程设计思想，较好地解决了他们缺乏电机感性认识的认知问题。学生对实际电机结构进行组装与拆卸操作，既避免他们先入为主，又抓住了一次创造性能力培养的机会，引出了电力电子应用改进方向。

本文提出的问题求解法用于“电机学”课程中直流电机结构的教学，也适用于本专业其它类型电机的教学。

［1］ 许实章，电机学［M］，北京，机械工业出版社，1982年

［2］ 周顺荣，电机学［M］，北京，科学出版社，2007年