直流電機仿真實例設計與分析＊

寧銀行

（上海電機學院電氣學院，上海 201306）

“電機學”是電氣工程類專業的專業基礎課程之一[1]，主要涉及變壓器、直流電機、異步電機、同步電機等內容。其中直流電機部分又是“電機學”課程中最為基礎的內容，很多電機方面的基本概念均在此章節引出。掌握好直流電機是學習“電機學”課程的關鍵。

在“電機學”的教學實踐中，傳統的教學方式主要是通過理論分析與推導，進而獲得一些結論。如果在此基礎上，引入仿真技術，通過仿真項目，可使學生深刻理解電機的結構、原理和基本特性。同時，參數調整時，可快速顯示由其帶來的影響，良好的軟件交互性提高了學生的學習興趣，改善了教學效果。

目前，以Ansoft Maxwell、Jmag、Flux為代表的電磁仿真軟件，已在科學研究或企業產品設計中被廣泛應用，并將逐漸進入“電機學”課程教學中[2-3]。本文采用Ansoft Maxwell，開發了直流電機的仿真教學實例，涉及幾何建模、磁場分布、繞組設計、線圈電勢、電樞電壓電流等內容。

1 項目設計

1.1 電機參數

根據教學需要，設計如圖1所示的直流發電機。勵磁繞組位于定子上，電樞繞組位于轉子上。電機工作時，采用他勵方式為勵磁繞組供電，產生主磁極。原動機拖動轉子旋轉，轉子上的電樞繞組因切割主磁場而感應電勢。電樞繞組帶載時，會產生交軸電樞反應磁場，不利于線圈換向，為此在定子上設置換向極，用于削弱電樞磁場。

圖1 電機拓撲結構

電機額定電壓為600 V，額定容量為500 kW，額定轉速為1 053 r/min，電機的主要設計參數如表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徑和轉子外徑值會略有不同。

表1 設計參數

電樞采用單疊繞組，并聯支路數與電機極數相同，為4。電樞繞組的等效電路如圖2所示。工作時，電刷和換向片將所有電樞線圈分在4個并聯支路中，支路電勢是該支路中所有線圈電勢的合成，理論上講，4個并聯支路電勢相等。在定子主磁場極性和轉子旋轉方向不變的前提下，對外表現為直流電，為外部負載供電。

圖2 等效電路

1.2 仿真建模

基于Ansoft Maxwell開發直流電機的仿真工程，如圖3所示。在工程窗口中，完成幾何模型創建、模型材料屬性設置、定子繞組激勵設置、運動條件設置等。對于電樞繞組，則是在外電路中先將所有線圈首尾連接構成1個閉合回路，然后每個線圈首端再接上2個由時間控制的開關（2個開關的另一端分別接到直流母線的正極、負極），模擬實際工作時線圈換向片和電刷之間的通斷。

圖3 仿真工程項目

2 電磁計算

2.1 磁場分布

磁力線分布如圖4所示。

圖4 磁力線分布（勵磁i F=283A）

空載時的氣隙磁密如圖5所示。可以看出電機磁極數為4，磁場分布對稱，氣隙磁密在圓周上正負交變，表明結構設計合理，定子繞組激勵設置正確。

圖5 氣隙磁密（勵磁i F=200A）

2.2 線圈感應電勢

電樞線圈的感應電勢如圖6所示。電樞線圈匝數為3，節距近似為整距（節距為12槽），電機旋轉時，電樞線圈切割正負交變的磁密（近似認為氣隙磁密），產生正負交變的感應電勢，電周期約為28.5 ms。

圖6 空載時線圈電勢（勵磁i F=283A）

換向觸發時刻情況如圖7所示（非換向片電流）。為了使電樞繞組對外輸出直流電，需要分析直流電機實物的工作原理，從而在仿真項目中，正確設置換向觸發時刻。實際工作時，通常在線圈電勢零值時進行線圈電流換向，此時換向能量較小。在1個電周期內，線圈換向片會依次到達N極、S極下的電刷位置處，通過換向片和電刷進行線圈電流換向，因此在仿真模擬等效時，每個周期內有2次線圈電勢過零點換向觸發，圖7表明電樞繞組仿真設置正確。

圖7 換向觸發脈沖

電機帶負載時，線圈電勢和線圈電流情況如圖8所示。在開始的一段時間，電機不穩定，經過1個電周期后，電流穩定。可以看出電機雖然對外表現為直流，但是就內部的單個線圈而言，電勢和電流均為交流。需要指出的是，在線圈電勢正半周時，線圈電流從首端流出、尾端流入，記作正向電流；隨著電機旋轉，線圈進入另一磁極下，線圈電勢進入負半周，同時經過電刷換向，線圈進入另一支路，電流方向則變為從尾端流出、首端流入，記作負向電流。除換向時間外，線圈電流大小不變，僅方向發生周期性變化。

圖8 線圈電勢和線圈電流

2.3 電樞電壓電流

當轉子被原動機拖動旋轉，電樞線圈切割氣隙磁場產生交流電勢，再經過換向片及電刷的“逆變”作用，電機即可對外表現為直流電。其中直流電樞電勢EΦ與電機常數Ce、轉速n、每極磁通Φ有關，關系式為：

電機空載電樞電壓如圖9所示，可以看出，直流電樞電壓紋波較小，繞組設置正確合理。電機外接580 V直流電網時的電樞電流情況如圖10所示，從零值開始，逐漸穩定。

圖9 空載電樞電壓（勵磁i F=283A）

圖10 電樞電流（勵磁i F=283A）

3 結語

本文設計了直流發電機的仿真教學實例，仿真結果與理論分析一致。仿真技術的引入，可以使學生深刻理解電機的結構、工作原理、基本特性（磁場分布、電樞電壓電流、空載特性、外特性、調整特性）等，提高課程教學質量。