直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速特性計(jì)算及其調(diào)整

汪國(guó)輝，肖祖旺

直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速特性計(jì)算及其調(diào)整

汪國(guó)輝，肖祖旺

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

針對(duì)直流電動(dòng)機(jī)存在轉(zhuǎn)速特性上升，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定的問(wèn)題，本文建立電磁場(chǎng)有限元計(jì)算方法代替磁路計(jì)算方法，來(lái)進(jìn)行直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速特性計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，增加串勵(lì)繞組后，可使得電機(jī)的轉(zhuǎn)速特性單調(diào)下降，是解決系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定問(wèn)題的有效措施。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，采用電磁場(chǎng)有限元方法計(jì)算的轉(zhuǎn)速特性與實(shí)際情況一致，可指導(dǎo)串勵(lì)繞組的設(shè)計(jì)。

直流電機(jī) 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(jī)廣泛應(yīng)用，但由于直流電機(jī)具有優(yōu)異的機(jī)械性能，在一些特殊的場(chǎng)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(dòng)機(jī)在負(fù)載電流較大時(shí)會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速上升的現(xiàn)象[1]，導(dǎo)致系統(tǒng)在運(yùn)行中存在不能穩(wěn)定的問(wèn)題。針對(duì)該問(wèn)題，本文提出了采用電磁場(chǎng)有限元方法計(jì)算直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性，并以此為依據(jù)，提出了串勵(lì)繞組的設(shè)計(jì)方法，保證直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速單調(diào)下降，能較好的解決直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升問(wèn)題。

1 直流電機(jī)電磁場(chǎng)有限元計(jì)算方法

1.1 假設(shè)條件

直流電機(jī)電磁場(chǎng)是一個(gè)三維恒定磁場(chǎng)[2]，由于電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常假設(shè)[3]：

1）電機(jī)軸向無(wú)限長(zhǎng)；

2）電機(jī)氣隙和電機(jī)截面結(jié)構(gòu)沿主極軸線對(duì)稱；

3）忽略電機(jī)電樞繞組端部漏磁。

這樣就把實(shí)際的電機(jī)三維非線性恒定磁場(chǎng)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為實(shí)用的二維非線性恒定場(chǎng)問(wèn)題。

1.2 基本方程和邊界條件

以某型4極直流電機(jī)為例，根據(jù)其結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，為減少有限元計(jì)算工作量，建立了如圖1所示一對(duì)極的求解區(qū)域。飽和時(shí)，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(zhǔn)泊松方程。負(fù)載時(shí)，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(fù)載時(shí)直流電機(jī)內(nèi)的非線性磁場(chǎng)可歸結(jié)為如下二維非線性準(zhǔn)泊松方程邊值問(wèn)題：

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

2 實(shí)例分析

2.1 電機(jī)運(yùn)行情況

某型幅壓并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，電機(jī)在做轉(zhuǎn)速調(diào)整率試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，該電機(jī)在接近50％額定負(fù)載時(shí)，就開(kāi)始出現(xiàn)隨著負(fù)載的增加其轉(zhuǎn)速也開(kāi)始上升，至額定負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速上升60轉(zhuǎn)左右。由于電機(jī)出現(xiàn)了轉(zhuǎn)速上升的現(xiàn)象，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的上升，負(fù)載增加，導(dǎo)致電樞電流進(jìn)一步增大，最終使電樞電流保護(hù)開(kāi)關(guān)跳閘，電機(jī)不能正常工作。

2.2 原因分析

直流電機(jī)在負(fù)載工況下運(yùn)行時(shí)存在交軸電樞反應(yīng)，雖然該電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)采用補(bǔ)償繞組（無(wú)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(jī)在某一負(fù)載電流以后隨著負(fù)載電流的增加而氣隙磁通減小的情況，導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速特性出現(xiàn)上升的現(xiàn)象。而采用磁路方法計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速特性時(shí)一般假定氣隙磁通不變，這樣計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速特性曲線為單調(diào)下降，與實(shí)際情況有一定的差異。

2.3 轉(zhuǎn)速特性計(jì)算

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

2.3.1不加串勵(lì)繞組的轉(zhuǎn)速特性計(jì)算

該電機(jī)在沒(méi)有串勵(lì)繞組的情況下，通過(guò)電磁場(chǎng)有限元法計(jì)算出不同負(fù)載下的轉(zhuǎn)速如下，見(jiàn)表1。

表1 無(wú)串勵(lì)繞組時(shí)的轉(zhuǎn)速特性

計(jì)算結(jié)果表明，電機(jī)無(wú)串勵(lì)繞組時(shí)，轉(zhuǎn)速特性上升，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3.2增加串勵(lì)繞組后的轉(zhuǎn)速特性

由于該型電機(jī)為幅壓電機(jī)，幅壓范圍寬，這使得電機(jī)大部分時(shí)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(lì)繞組匝數(shù)，串勵(lì)繞組匝數(shù)為1/4匝，通過(guò)電磁場(chǎng)有限元法計(jì)算出不同負(fù)載下的轉(zhuǎn)速如下，見(jiàn)表2，在負(fù)載電流為1600 A時(shí)，氣隙磁場(chǎng)磁力線分布和氣隙磁場(chǎng)大小分別見(jiàn)圖2和圖3。

表2 增加串勵(lì)繞組后的轉(zhuǎn)速特性

圖2 1600 A時(shí)磁力線分布圖

2.3.3結(jié)果分析

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

圖3 1600 A時(shí)氣隙磁場(chǎng)波形

3 串勵(lì)繞組設(shè)計(jì)

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

由于每個(gè)支路的串勵(lì)繞組的電阻很小，為解決各支路串勵(lì)繞組的電流平衡問(wèn)題，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)將采用大截面的正負(fù)連接端環(huán)，從兩個(gè)連接環(huán)的對(duì)稱位置出線，使得每個(gè)支路的串勵(lì)繞組長(zhǎng)度相等，電阻相等，見(jiàn)圖5所示，從而保證了各個(gè)支路的串勵(lì)繞組電流的平衡。

圖4 串勵(lì)繞組接線原理圖

圖5 串勵(lì)繞組結(jié)構(gòu)布置

4 固有轉(zhuǎn)速調(diào)整率測(cè)定

電樞回路中接串勵(lì)繞組，直流電動(dòng)機(jī)以電動(dòng)方式運(yùn)行，在電樞電壓為240 V時(shí)測(cè)試轉(zhuǎn)速調(diào)整率。測(cè)試方法為：保持電樞電壓和勵(lì)磁電流恒定，電機(jī)由額定轉(zhuǎn)速開(kāi)始，由空載逐步增加負(fù)載電流到額定負(fù)載，記錄各負(fù)載下的轉(zhuǎn)速。

固有轉(zhuǎn)速調(diào)整率按下式計(jì)算：

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 轉(zhuǎn)速特性測(cè)量

試驗(yàn)表明，該直流電動(dòng)機(jī)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(yàn)結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果接近，進(jìn)一步驗(yàn)證了有限元計(jì)算模型的正確性。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述有限元分析計(jì)算，可以比較清楚地看到電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)的分布情況，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且磁路非線性狀態(tài)下工作的電機(jī)而言，得到了較為可靠的計(jì)算方法，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。在進(jìn)行直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)用該方法計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速特性十分必要，可以在設(shè)計(jì)階段較精確預(yù)測(cè)電機(jī)運(yùn)行性能，并能對(duì)串勵(lì)繞組的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

[1] 許實(shí)章. 電機(jī)學(xué)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1980.

[2] 陳丕璋等. 電機(jī)電磁場(chǎng)理論與計(jì)算[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1986.

[3] 田曉軍. 直流電機(jī)運(yùn)行性能的數(shù)值計(jì)算[J]. 新疆電力, 2006, (3), 26-28.

[4] 趙博等.Ansoft 12在工程電磁場(chǎng)中的應(yīng)用[M]. 中國(guó)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(guó)輝（1987-），男，工程師。研究方向：船舶電力推進(jìn)技術(shù)。E-mail:403192616@qq.com