直流电机换向极气隙调整方法

肖祖旺，叶舟涛，何海波



直流电机换向极气隙调整方法

肖祖旺，叶舟涛，何海波

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

换向极气隙调整不合适时，会影响到直流电机的换向性能，一般情况下是通过无火花换向区试验来确定换向极气隙的大小，但该方法很难将换向极气隙一次调整成功，需要多次试验并调整换向极气隙，这样会带来很大的工作量，为减少换向极气隙调整次数，本文介绍了一种直流电机换向极气隙调整的方法，可作为工程应用参考。

直流电机 换向极 气隙调整 无火花换向区

0 引言

换向性能是直流电机运行质量的一项重要指标，换向不良将导致电机不能正常运行。为使直流电机达到良好的换向性能，一般在电机磁路系统中设置有换向极，其作用是在换向区域内建立换向磁场，在抵消交轴电枢反应磁场的同时并在换向元件中产生旋转电势e，该旋转电势e的方向与换向元件中的电抗电势e方向相反，大小基本相等，旋转电势e的作用是加速换向元件中电流的变化，有利于换向，达到改善换向性能的目的。而换向极在换向区域内建立的换向磁场的大小与换向极气隙值密切相关，一般情况下是通过无火花换向区试验数据来确定换向极气隙大小。

为降低换向极气隙调整工作量，本文论述了以有限元方法计算换向区域磁场来确定换向极气隙大小的方法，减少调整次数，在工程上具有一定的应用价值。

1 直流电机换向极气隙调整

确定换向极气隙值的依据是先计算换向元件中的平均电抗电势e，再以磁路计算方法初步估算出换向极气隙值，通过有限元方法精确计算换向区域内的磁场大小，最后再计算换向元件中的平均旋转电势e，要求平均旋转电势e与平均电抗电势e方向相反，直至平均旋转电势e略大于平均电抗电势e为止，最终可确定换向极气隙大小，以期能得到轻微的超越换向，因为实践证明这是一种良好的换向。

1.1 电抗电势er计算

根据电磁感应定律，换向元件的电抗电势为：

式中L—换向元件的漏磁通电感系数（亨）。

1.2 旋转电势计算

在设置换向极的情况下，换向元件所处的气隙磁场是由交轴电枢反应磁动势和换向极磁动势共同产生的，假定换向极气隙磁场沿电枢轴向分布不变，可以推导出换向元件中的平均旋转电势为：

2 应用举例

现以某大型直流推进电机为例，计算额定负载下的磁场分布，该电机主要参数如下：功率2200 kW、电枢绕组每个元件的匝数W=1、额定负载时电负荷=531.3 A/cm、额定负载时电枢线速度v=18.85 m/s、电枢计算长度=84 cm、换向极极靴长度l=87 cm，换向元件的平均漏磁导系数=1.76，电枢齿距t=19.23 mm，换向区宽度b=113.16 mm，电枢采用斜一个槽距结构。

2.1 平均电抗电势

根据以上数据，该大型直流电机额定负载时的平均电抗电势为：

求该大型直流电机的平均旋转电势时，先采用有限元方法计算出额定负载下的气隙磁密，再获得换向区内的换向气隙磁场平均磁密，最后用式（3）求得平均旋转电势。

2.1.2电磁场有限元计算中假设条件

直流电机电磁场是一个三维恒定磁场，由于电机结构复杂，通常假设：

1)电机轴向无限长；

2)机气隙和电机截面结构沿主极轴线对称； 3)忽略电机电枢绕组端部漏磁。

这样就把实际的电机三维非线性恒定磁场问题转化为二维非线性恒定场问题。

2.1.3有限元计算模型

利用电机的对称关系，可减少计算工作量，现以该大型直流电机的一对极模型计算其静态气隙磁场，模型如下图1。

图1 电机有限元求解区域

根据直流电机结构的对称性，建立如图1所示求解区域，为实际电机一对极剖面。

求解域ABCD内的向量磁位(用表示)满足非线性准泊松方程。求解时，边界条件为：

2.1.4施加绕组载荷

上述模型采用如下方法施加载荷：

1）分别计算额定负载下主极绕组、换向极绕组和补偿绕组的安匝数，并施加在模型中的相应绕组上；

2.1.5额定工况下磁场计算

在额定负载下，根据以上建立的电机有限元分析模型和载荷，换向极第一气隙不变，选取换向极第二气隙为1 mm、1.5 mm和2 mm时分别计算，限于篇幅关系，以下仅列出换向极第二气隙值为1 mm时的计算结果，见下图2所示。

本电机的换向区宽度为113.16 mm，换向区内磁密分布见下图3所示，求得平均磁密为0.0956T，即956Gs。

换向元件中的平均旋转电势为：

换向极第二气隙为1 mm、1.5 mm和2 mm时的计算结果对比见下表1。

从上表中的计算结果对比来看，换向极第二气隙值调整到1.5 mm较为合适，此时换向稍微偏强，换向性能较好。

通过以上的分析计算，改变换向极第二气隙后，可以精确的计算出换向元件平均旋转电势变化的大小，并确定最终气隙，减少了换向极气隙的调整工作量。

图2 额定负载时一对磁极下气隙磁密分布

图3 额定负载下换向区内气隙磁密分布

表1 换向极第二气隙值

3 结论

本文介绍了直流电机换向极气隙的调整方法，在进行直流电机设计时，为减少换向极气隙调整工作量，应用该方法计算换向区内的气隙磁场十分必要，具有一定的工程应用价值。

[1] 许实章.电机学[M]. 北京: 机械工业出版社, 1980.

[2] 赵博等. Ansoft 12在工程电磁场中的应用[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 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：电机设计。E-mail: xiaozw7122@163.com