直流电机仿真实例设计与分析＊

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（上海电机学院电气学院，上海 201306）

“电机学”是电气工程类专业的专业基础课程之一[1]，主要涉及变压器、直流电机、异步电机、同步电机等内容。其中直流电机部分又是“电机学”课程中最为基础的内容，很多电机方面的基本概念均在此章节引出。掌握好直流电机是学习“电机学”课程的关键。

在“电机学”的教学实践中，传统的教学方式主要是通过理论分析与推导，进而获得一些结论。如果在此基础上，引入仿真技术，通过仿真项目，可使学生深刻理解电机的结构、原理和基本特性。同时，参数调整时，可快速显示由其带来的影响，良好的软件交互性提高了学生的学习兴趣，改善了教学效果。

目前，以Ansoft Maxwell、Jmag、Flux为代表的电磁仿真软件，已在科学研究或企业产品设计中被广泛应用，并将逐渐进入“电机学”课程教学中[2-3]。本文采用Ansoft Maxwell，开发了直流电机的仿真教学实例，涉及几何建模、磁场分布、绕组设计、线圈电势、电枢电压电流等内容。

1 项目设计

1.1 电机参数

根据教学需要，设计如图1所示的直流发电机。励磁绕组位于定子上，电枢绕组位于转子上。电机工作时，采用他励方式为励磁绕组供电，产生主磁极。原动机拖动转子旋转，转子上的电枢绕组因切割主磁场而感应电势。电枢绕组带载时，会产生交轴电枢反应磁场，不利于线圈换向，为此在定子上设置换向极，用于削弱电枢磁场。

图1 电机拓扑结构

电机额定电压为600 V，额定容量为500 kW，额定转速为1 053 r/min，电机的主要设计参数如表1所示。由于采用的是不均匀气隙，因此不同位置处的定子内径和转子外径值会略有不同。

表1 设计参数

电枢采用单叠绕组，并联支路数与电机极数相同，为4。电枢绕组的等效电路如图2所示。工作时，电刷和换向片将所有电枢线圈分在4个并联支路中，支路电势是该支路中所有线圈电势的合成，理论上讲，4个并联支路电势相等。在定子主磁场极性和转子旋转方向不变的前提下，对外表现为直流电，为外部负载供电。

图2 等效电路

1.2 仿真建模

基于Ansoft Maxwell开发直流电机的仿真工程，如图3所示。在工程窗口中，完成几何模型创建、模型材料属性设置、定子绕组激励设置、运动条件设置等。对于电枢绕组，则是在外电路中先将所有线圈首尾连接构成1个闭合回路，然后每个线圈首端再接上2个由时间控制的开关（2个开关的另一端分别接到直流母线的正极、负极），模拟实际工作时线圈换向片和电刷之间的通断。

图3 仿真工程项目

2 电磁计算

2.1 磁场分布

磁力线分布如图4所示。

图4 磁力线分布（励磁i F=283A）

空载时的气隙磁密如图5所示。可以看出电机磁极数为4，磁场分布对称，气隙磁密在圆周上正负交变，表明结构设计合理，定子绕组激励设置正确。

图5 气隙磁密（励磁i F=200A）

2.2 线圈感应电势

电枢线圈的感应电势如图6所示。电枢线圈匝数为3，节距近似为整距（节距为12槽），电机旋转时，电枢线圈切割正负交变的磁密（近似认为气隙磁密），产生正负交变的感应电势，电周期约为28.5 ms。

图6 空载时线圈电势（励磁i F=283A）

换向触发时刻情况如图7所示（非换向片电流）。为了使电枢绕组对外输出直流电，需要分析直流电机实物的工作原理，从而在仿真项目中，正确设置换向触发时刻。实际工作时，通常在线圈电势零值时进行线圈电流换向，此时换向能量较小。在1个电周期内，线圈换向片会依次到达N极、S极下的电刷位置处，通过换向片和电刷进行线圈电流换向，因此在仿真模拟等效时，每个周期内有2次线圈电势过零点换向触发，图7表明电枢绕组仿真设置正确。

图7 换向触发脉冲

电机带负载时，线圈电势和线圈电流情况如图8所示。在开始的一段时间，电机不稳定，经过1个电周期后，电流稳定。可以看出电机虽然对外表现为直流，但是就内部的单个线圈而言，电势和电流均为交流。需要指出的是，在线圈电势正半周时，线圈电流从首端流出、尾端流入，记作正向电流；随着电机旋转，线圈进入另一磁极下，线圈电势进入负半周，同时经过电刷换向，线圈进入另一支路，电流方向则变为从尾端流出、首端流入，记作负向电流。除换向时间外，线圈电流大小不变，仅方向发生周期性变化。

图8 线圈电势和线圈电流

2.3 电枢电压电流

当转子被原动机拖动旋转，电枢线圈切割气隙磁场产生交流电势，再经过换向片及电刷的“逆变”作用，电机即可对外表现为直流电。其中直流电枢电势EΦ与电机常数Ce、转速n、每极磁通Φ有关，关系式为：

电机空载电枢电压如图9所示，可以看出，直流电枢电压纹波较小，绕组设置正确合理。电机外接580 V直流电网时的电枢电流情况如图10所示，从零值开始，逐渐稳定。

图9 空载电枢电压（励磁i F=283A）

图10 电枢电流（励磁i F=283A）

3 结语

本文设计了直流发电机的仿真教学实例，仿真结果与理论分析一致。仿真技术的引入，可以使学生深刻理解电机的结构、工作原理、基本特性（磁场分布、电枢电压电流、空载特性、外特性、调整特性）等，提高课程教学质量。