maxwell软件- 直流电机

17 直流电机

在用户已经掌握RMxprt 的基本使用的基础上，我们将一些过程简化，以便介绍一些更高级的使用。有关RMxprt 的详细介绍请参考第一部分的章节。

17.1基本原理

无论是直流发电机还是直流电动机，转子上都嵌有绕组，称为电枢绕组。电枢绕组通过电刷和直流电源相连，电刷与换向器滑动连接。当转子旋转时，电枢绕组在磁场中旋转并产生反电势。

定子上有P 对主磁极，主磁极由磁极铁心和套在上面的励磁绕组构成。励磁绕组有并联和串联之分，励磁绕组在气隙中产生N 极和S 极交替排列的定子磁场。并励绕组可以分为他励和自励两种，他励励磁绕组是由独立的直流电源供电，自励励磁绕组是由电枢绕组供电。并励励磁绕组与电枢绕组并联，串励励磁绕组与电枢绕组串联。对于复励型励磁绕组，RMxprt 假定电枢绕组先与串励励磁绕组串联，然后再与并励励磁绕组并联。

电刷组件与换向片始终保持接触，直流电经电刷和换向片流入旋转的电枢绕组时，产生了一个转子磁场。由于换向器的机械整流作用，电枢绕组产生的转子磁场始终与定子磁场垂直。定、转子磁场相互作用产生电磁力矩。

电枢电流产生的磁场称为电枢反应磁场，电枢反应磁场会导致换向不良。为了消除由于电枢反应带来的磁场畸变，改善换向，可以在两个临近的主磁极间安装换向磁极和换向绕组，并在主磁极下安装补偿绕组。

直流电机的反电势，是由并励励磁电流反电势(E f )和串励励磁电流反电势(E s )合成。如下式所示：

ω

ωa es f ef s f I C I C E E E +=+= (17.1)

式中的C ef 和C es 分别表示并励和串励绕组的反电势系数，与磁场的饱和程度有关，单位为ohm.s/rad ；ω表示转子的机械角速度，单位为rad/s ；I f 和I a 分别为并励励磁电流和串励励磁电流。

电磁转矩方程如下，是由并联励磁电流产生的电磁转矩(T f )和串联励磁电流产生的电磁转矩(T s )合成。

2

a

ts a f tf s f m I C I I C T T T +=+= (17.2)

式中的C tf 和C ts 表示并励和串励绕组的转矩系数，数值上与C ef 和C ss 分别相等，单位为Nm/A 2。 17.1.1直流电机的电动机运行

电压方程为：

()a 1b I R U E U ++=

(17.3)

式中的U b 表示电刷压降，R 1表示电枢电阻，I a 表示电枢电流。

当转子角速度ω一定时，电枢电流为

ω

ωes 1f ef b a C R I C U U I +--=

(17.4)

输出转矩为：

fw

m 2T T T -= (17.5)

式中的T fw 为风摩转矩。

输出机械功率为：

ω22T P =

(17.6)

输入电功率为：

(

)Fe

b Cua fw 21P P P P P P ++++=

(17.7)

式中的P fw 、P Cua 、P b 、P Fe 分别表示风摩损耗、电枢铜损耗、电刷压降损耗和铁心损耗。 17.1.2直流电机的发电机运行

电压方程为：

()a 1b I R U E U +-=

(17.3’)

式中的U b 表示电刷压降，R 1表示电枢电阻，I a 表示电枢电流。

当转子角速度ω一定时，电枢电流为

ω

ωes 1f ef b a C R I C U U I --+-

=

(17.4’)

输入转矩为：

fw

m 1T T T += (17.5’)

式中的T fw 为风摩转矩。

输出机械功率为：

ω11T P =

(17.6’)

输出电功率为：

(

)Fe

b Cua fw 12P P P P P P +++-=

(17.7’)

式中的P fw 、P Cua 、P b 、P Fe 分别表示风摩损耗、电枢铜损耗、电刷压降损耗和铁心损耗。

电动机和发电机的功率都可以用下式表示：

%100P P 1

2

⨯=

η

(17.8)

17.2主要特点

17.2.1适用于直流发电机和直流电动机

直流电动机和发电机结构相同，计算方法略有差别，输出性能数据有些不同。RMxprt 将直流电动机和直流发电机放在同一个设计模块中。

17.2.2支持单叠绕组和复叠绕组设计

RMxprt 支持叠绕组设计，并能通过下式自动计算并联支路对数。

mp a =

(17.9)

式中的p 为极对数，m 为复倍系数。

17.2.3支持单波绕组和复波绕组设计

RMxprt 支持波绕组的设计，并能通过下式自动计算并联支路对数。

m a =

(17.10)

式中的m 为复倍系数。

17.2.4支持虚槽结构设计

直流电机的电枢绕组一般为双层绕组。许多情况下，为了简化冲片结构，常把几个线圈边放在同一个槽内，因此槽数Z 将比线圈数S 少，他们的关系是

μS

Z =

(17.11)

其中μ为槽中每一层的线圈边数，称为虚槽系数。因此每 槽导体数为2μ的倍数。RMxprt 能够处理μ≤ 4的各种虚槽设计

17.2.5绕组排列优化设计

对于采用扁导线的电枢绕组，RMxprt 将根据给定的导线规格自动排列。

17.2.6支持并励、串励和复励绕组设计

直流电机的励磁方式有并励、串励和复励（积复励、差复励）等多种形式，不同的励磁方式产生不同的电机特性，RMxprt 支持上述所有励磁方式进行直流电机设计。