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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（Ef）和串励励磁电流反电势（Es）合成。

如下式所示：

（17.1）

式中的Cef和Ces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；If和Ia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（Tf）和串联励磁电流产生的电磁转矩（Ts）合成。

（17.2）

式中的Ctf和Cts表示并励和串励绕组的转矩系数，数值上与Cef和Css分别相等，单位为Nm/A2。

17.1.1直流电机的电动机运行

电压方程为：

（17.3）

式中的Ub表示电刷压降，R1表示电枢电阻，Ia表示电枢电流。

当转子角速度ω一定时，电枢电流为

（17.4）

输出转矩为：

（17.5）

式中的Tfw为风摩转矩。

输出机械功率为：

（17.6）

输入电功率为：

（17.7）

式中的Pfw、PCua、Pb、PFe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：

（17.3’）

式中的Ub表示电刷压降，R1表示电枢电阻，Ia表示电枢电流。

当转子角速度ω一定时，电枢电流为

（17.4’）

输入转矩为：

（17.5’）

式中的Tfw为风摩转矩。

输出机械功率为：

（17.6’）

输出电功率为：

（17.7’）

式中的Pfw、PCua、Pb、PFe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：

（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。

（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。

（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

（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。

17.2.7支持补偿绕组设计

电枢反应导致了气隙磁场发生畸变，RMxprt支持补偿绕组的设计，以消除电枢反应带来的不良影响。

17.2.8支持换向极绕组设计

换向极绕组产生的磁场可在换向元件中感应出电势，以削弱电枢反应电势的不良影响。

RMxprt支持换向极绕组设计，以改善电机的换向性能。

17.2.9可分析气隙磁场波形分布

RMxprt可对空载下磁极的气隙磁场的波形和额定负载下电枢反应的气隙磁场波形进行分析，给出直观波形图，以便于设计人员了解电枢反应对换向的影响。

17.2.10为有限元电磁场分析输出换向文件

当用电磁场有限元法对直流电机进行分析时，需要知道换向元件的极性变化。

RMxprt将各元件的极性变化与位置的关系数据存放在com_file.txt文件中，以方便在Maxwell2D中调用。

17.3直流电机的设计

这一节,我们将演示三相感应电动机设计的一般流程。

点击Start>Programs>Ansoft>Maxwell12>Maxwell12从桌面进入Maxwell界面。

从RMxprt主菜单条中点击File>New新建一个空白的Maxwell工程文件Project1。

从RMxprt主菜单栏中点击Project>InsertRMxprtDesign。

在SelectMachineType会话框中选择DCMachine，然后点击OK返回RMxprt主窗口。

这样就添加一个新的RMxprt设计。

从RMxprt菜单栏中点击File>Save。

如果想把项目另存为DCM_4p1100rpm500kW.mxwl，可从下拉菜单选择SaveAs然后点击Save返回RMxprt主窗口。

（参见3.2.6设置默认的项目路径）

分析这个算例，需要做以下几项设置：

1.设置模型单位（参考章节2.3.2.7设置模型单位）：

2.配置RMxprt材料库（参考章节3.4.1配置材料库）：

3.编辑线规库（参考章节3.3.2到3.3.6）：

当选择DCMachine做为电机模型时,必须输入如下几项：

1.Generaldata.（基本性能数据）

2.Statordata.（定子数据）

3.Rotordata.（转子数据）

4.Solutiondata.（解算数据）

用户还可以选择

1.在转子上添加补偿绕组或从转子上移除已有的补偿绕组

2.在转子添加换向极和换向绕组或从转子上移除已有的换向极和换向绕组

3.在转子添加串励和（或）并励绕组或从转子上移除已有的串励和（或）并励绕组

4.在转子添加通风口或从转子上移除已有的通风口

17.3.1基本性能设计

在项目树下双击Machine图标，可显示Properties.对话框。

在如图17.1所示的Machine列表下定义基本性能数据。

图17.1基本性能数据

1.MachineType：

电机类型。

2.NumberofPoles：

电机极数。

其值为定子极数的总和（或极对数×2）。

3.FrictionalLoss：

在参考转速下测得的摩擦损耗（由摩擦产生）

注意：

如果将摩擦损耗设为零，RMxprt将根据后面换向器和电刷的表页中定义的电刷压力和摩擦系数来计算摩擦损耗。

4.WindLoss：

参考转速下测得的风阻损耗（由空气阻力产生）

5.ReferenceSpeed：

所给的参考转速。

点击OK关闭Properties对话框。

17.3.2定义设计

定子由冲片叠压制成，三相交流绕组安放其中。

双击项目树中的Machine>Stator图标，显示Properties对话框。

在如图17.2所示的Stator列表中输入定子数据。

图17.2定子数据

1.FrameOuterDiameter：

定子机壳外径，对于多边形机壳，指机壳外径的内切圆直径。

2.FrameOverallWidth：

定子机壳最大宽度，对于多边形机壳，指机壳外径最窄处的外接圆直径；对于圆形机壳，此项与机壳外径尺寸相同。

3.FrameThickness：

机壳厚度。

4.FrameLength：

机壳轴向长度。

5.FrameMaterial：

机壳材料（参考7.3指定材料属性）。

6.PoleType：

定子磁极类型。

1）点击PoleType，选择磁极类型SelectPoleType，如图17.3所示。

2）选择一种磁极，1或2。

图17.3选择磁极类型

注意：

当鼠标在选项上移动时，下方的图形框将出现相应的磁极形状，如图17.4所示。

a.磁极类型1

b.磁极类型2

图17.4磁极类型

3）点击OK关闭SelectPoleType对话窗口。

7、PoleLength：

磁极铁心长度。

8、PoleStackingFactor：

磁极叠压系数。

9、PoleMaterial：

磁极铁心材料（参考7.3指定材料属性）。

10、PressBoardThickness：

磁极压板厚度。

11、MagneticPressBoard：

磁极压板是否导磁。

点击OK关闭特性Properties对话窗口。

用户可以选择在普通直流电机中插入或移除换向器设计。

1、插入换向器设计

1）右击项目树上的Machine>Stator。

2）从右键快捷菜单中点击插入换向器设计InsertCommutating。

3）Commutating选项出现在定子Stator的下方。

2、移除已有的换向器设计

1）右击项目树上的Machine>Stator。

2）从右键快捷菜单中点击移除换向器设计RemoveCommutating。

3）定子Stator项的下方的Commutating项被移除。

用户可以选择在普通直流电机中插入或移除补偿绕组设计。

3、插入补偿绕组设计

1）右击项目树上的Machine>Stator。

2）从右键快捷菜单中点击插入补偿绕组设计InsertCompensating。

3）Compensating项以及与之相关的Winding项出现在定子Stator的下方。

4、移除已有的补偿绕组设计

1）右击项目树上的Machine>Stator。

2）从右键快捷菜单中点击移除补偿绕组设计RemoveCompensating。

3）在定子Stator的下方，补偿Compensating项以及与之相关的Winding项被移除。

17.3.2.1定子磁极设计

双击项目树上的Machine>Stator>Pole，显示Properties对话窗口，如图17.5所示。

图17.5磁极尺寸

1、Dmin：

磁极中心的内径。

2、Dmax：

磁极顶端的直径。

3、Bp0：

气隙极靴圆弧弦长，输入零为偏心气隙。

4、Bp1：

削极后气隙极靴宽度。

5、Bp2：

极靴背最大宽度。

仅在磁极类型1下可用。

6、Bp3：

极靴背最小宽度。

仅在磁极类型1下可用。

7、Rp0：

极靴根部圆角半径。

仅在磁极类型2下可用。

8、Rp1：

极靴尖部圆角半径。

仅在磁极类型2下可用。

9、Hp：

极靴高度。

点击OK关闭Properties窗口。

17.3.2.2定子励磁绕组

双击项目树上的Machine>Stator>Field，显示特性Properties窗口，如图17.6所示。

图17.6励磁绕组设计

1、ShoeInsulation：

极靴绝缘厚度。

2、PoleInsulation：

极身绝缘厚度。

3、WindingClearance：

绕组间隙有两种定义，或者表示两个励磁绕组间的最小气隙，或者表示一个励磁绕组和一个补偿绕组间的最小气隙。

4、WindingInsulation：

串、并励绕组间的绝缘厚度，当采用复励方式时，输入此项数据。

5、CompoundExcitingMode：

。

有积分型和微分型两种选项。

点击OK关闭Properties窗口。

用户可以选择在普通直流电机中插入或移除并励绕组设计。

1、插入并励绕组设计

1）右击项目树上的Machine>Stator>Field。

2）从快捷菜单中点击插入并励绕组设计InsertShunt。

3）并励Shunt项出现在Field项的下方。

2、移除已有的并励绕组设计

1）右击项目树上的Machine>Stator>Field。

2）从快捷菜单中点击移除并励绕组设计RemoveShunt。

3）并励Shunt项从项目树中被移除。

用户可以选择在普通直流电机中插入或从中移除串励绕组设计。

1、插入串励绕组设计

1）右击项目树上的Machine>Stator>Field。

2）从快捷菜单中点击插入串励绕组设计InsertSeries。

3）串励Series项出现在Field项的下方。

2、移除已有的串励绕组设计

1）右击项目树上的Machine>Stator>Field。

2）从快捷菜单中点击移除串励绕组设计RemoveSeries。

3）串励Series项从项目树中被移除。

17.3.2.2.1定子并励绕组设计

如果用户添加了并励绕组设计，Shunt项会出现在项目树上。

双击项目树上的Machine>Stator>Field>Shunt，显示Properties窗口，如图17.7所示，点击OK关闭对话窗口。

并励绕组的设计数据如下：

图17.7并励绕组设计

1、WindingType：

并励绕组的类型（参考7.5.4节，设置磁极绕组类型）。

2、ParallelBranches：

并联支路数。

3、ConductorsperPole：

每极导体数。

输入0表示自动设计，当输入边和输出边在不同侧时为奇数。

4、NumberofStrands：

并绕根数。

输入0表示自动设计。

5、WireWrap：

漆膜厚度。

输入0表示在导线库中自动选择。

6、InterturnInsulation：

匝间绝缘厚度。

7、WireSize：

导线规格（0表示自动设计）。

导线可以设置成圆形或矩形，参考7.4.1圆导线设置，参考7.4.2扁导线设置。

8、AxialClearance：

励磁绕组与线圈内部极身之间的轴向气隙。

9、LimitedCrossWidth：

绕组交叉部分的宽度限制。

0表示可获得的最大面积。

10、LimitedCrossHeight：

绕组交叉部分的高度限制。

0表示可获得的最大面积。

11、WindingFillet：

转弯圆角半径

17.3.2.2.2串励绕组设计

如果用户添加了串励绕组设计，Series项会出现在项目树力。

双击项目树上的Machine>Stator>Field>Series，显示Properties窗口。

在Series项中输入串励绕组的数据，点击OK关闭对话窗口。

串励绕组的设计方式与并励绕组相同。

17.3.2.3补偿绕组设计

如果用户添加了补偿绕组设计，Compensating项会出现在项目树里。

双击项目树上的Machine>Stator>Compensating，显示Properties窗口。

在Compensating项中输入定子补偿绕组的数据，如图17.8所示，点击OK关闭Properties窗口。

图17.8补偿绕组设计

补偿绕组设计包括：

1、SlotsperPole：

每极补偿绕组槽数；

2、Bc0：

补偿绕组的槽口宽度；

3、Hc0：

补偿绕组的槽口高度；

4、Bc2：

补偿绕组槽宽度；

5、Hc2：

补偿绕组槽高度；

6、ParallelBranches：

并联支路数；

7、ConductorsperSlot：

每槽导体数；

8、NumberofStrands：

并绕根数，输入0表示自动设计；

9、WireWrap：

漆膜厚度，输入0表示在导线库中自动选择；

10、RectangleWire：

是否使用扁导线；

11、WireSize：

导线规格（0表示自动设计）。

导线可以设置成圆形或矩形，参考7.4.1圆导线设置，参考7.4.2扁导线设置。

12、CoilWrap：

导线绝缘，仅在扁导线中使用；

13、SlotLiner：

槽绝缘厚度；

14、Endadjustment：

线棒伸出磁极铁心的直线部分长度。

17.3.2.4换向极和换向绕组设计

如果用户添加了换向极和换向绕组设计，Commutating项以及与之相关的Winding项会出现在项目树上。

双击项目树上的Machine>Stator>Commutating，显示Properties窗口。

在Commutating项中输入换向极和换向绕组的数据，如图17.9所示，点击OK关闭Properties窗口。

图17.9换向极设计

换向极设计包括：

1、PoleWidth：

换向极宽度；

2、PoleHeight：

换向极高度；

3、PoleLength：

换向极长度；

4、ShoeWidth：

换向极极靴宽度；

5、ShoeHeight：

换向极极靴高度；

6、SecondAirgap：

第二气隙；

7、PoleStackingfactor：

换向极叠压系数；

8、PoleMaterial：

换向极材料（参考7.3节设置材料属性）；

9、PoleInsulation：

换向极极身绝缘厚度。

17.3.2.4.1换向绕组设计

双击项目树上的Machine>Stator>Commutating>Winding项，显示Properties窗口。

在Winding项中输入换向绕组的数据，如图17.10所示，点击OK关闭Properties窗口。

图17.10换向绕组设计

换向绕组设计包括：

1、WindingType：

换向绕组的类型（参考7.5.4节，设置磁极绕组类型）。

2、ParallelBranches：

并联支路数。

3、ConductorsperPole：

每极导体数，0表示自动设计。

当输入和输出边在不同侧时为奇数。

4、NumberofStrands：

并绕根数，0表示自动设计。

5、WireWrap：

漆膜厚度，0表示在导线库中自动选择。

6、InterturnInsulation：

匝间绝缘厚度。

7、WireSize：

导线规格（0表示自动设计）。

导线可以设置成圆形或矩形，参考7.4.1圆导线设置，参考7.4.2扁导线设置。

8、AxialClearance：

励磁绕组与线圈内部的极身之间的轴向气隙。

9、LimitedCrossWidth：

绕组交叉部分的宽度限制。

0表示可获得的最大面积。

10、LimitedCrossHeight：

绕组交叉部分的高度限制。

0表示可获得的最大面积。

11、WindingFillet：

绕组弯曲角

17.3.3转子设计

转子上开槽，槽里嵌有电枢绕组，与换向器相连，换向器在转子中起机械整流器的作用。

双击项目树上的Machine>Rotor图标，显示Properties对话框。

在Rotor表页中定义转子数据，如图17.11所示。

图17.11转子设计

1.StackingFactor：

迭压系数，此系数和转子铁心的有效铁心长度有关，值为0到1。

由总长度减去所有冲片绝缘部分之差再除以总长度得到。

值为1表示实心转子。

2.NumberofSlot：

槽数

3.SlotType：

转子铁心槽型（参考7.1.1节槽型）

1）点击SlotType显示SelectSlotType对话框。

2）选择一种槽型（有6种类型可用）

3）点击OK关闭SelectSlotType对话框。

4.LaminationSectors：

冲片的数目。

5.OuterDiameter：

转子铁心外径。

6.InnerDiameter：

转子铁心内径。

7.Length：

转子铁心的轴向长度。

8.SteelType：

转子铁心材料类型（参考7.3节设置材料类型）

9.PressBoardThickness：

磁极压板厚度。

10.SkewWidth：

用槽数度量的斜槽宽度

点击OK关闭Properties对话框。

用户可以选择在普通直流电机中插入或移除通风孔设计。

1.插入通风孔设计

1）右击项目树上的Machine>Rotor。

2）从快捷菜单中点击插入通风孔设计InsertVent。

3）Vent项会出现在Rotor下方。

2.移除已有的通风孔设计

1）右击项目树上的Machine>Rotor。

2）从快捷菜单中点击移除通风孔设计RemoveVent。

3）Vent项从项目树中移除。

17.3.3.1转子槽型设计

双击项目树中的Machine>Rotor>Slot图标，显示Properties对话框（参考7.1.1节槽型）。

在如图17.12所示的Slot卷标中定义定子槽型的几何数据。

点击OK关闭Properties对话框。

图17.12转子槽型尺寸

17.3.3.2转子绕组设计

双击项目树中的Machine>Rotor>Winding图标，显示Properties对话框，其中包含两个列表：

Winding和End/Insulation。

17.3.3.2.1定义转子的绕组、导体和导线

在如图17.13所示的Winding列表中定义导线、导体和转子绕组

图17.13绕组、导体和导线

1.WindingType：

绕组类型（参考7.5.2节的设置直流绕组类型）

1）点击WindingType按键，显示绕组类型WindingType对话窗口。

2）从对话窗口的按键中选择叠式，波式或蛙式绕组。

3）点击OK关闭绕组类型WindingType对话窗口。

2.MultiplexNumber：

套数，从下拉菜单中选择绕组数目，此处有三种选项。

1）1：

单套绕组。

2）2：

两套绕组。

3）3：

三套绕组。

对单叠绕组来说，套数是指进线端与出线端之间的换向片的数目，并联支路数等于极数乘上套数。

对单波绕组来说，并联支路数等于套数乘以二。

3.VirtualSlots：

虚槽数，从下拉菜单中（1~4）选择每个实槽下的虚槽数。

假设转子为双层绕组，分别为上层和下层，每一层有多个元件边，即对应多个虚槽。

注意：

例如，虚槽数若为2，上层和下层可以各有两个元件边；对于一个有12个槽的电机来说，就有24个换向片。

4.ConductorsperSlot：

每槽导体数，槽中每个线圈的匝数与层数的乘积。

输入0，RMxprt会进行自动设计。

5.CoilPitch：

以槽数度量的节距，节距是指一个线圈跨过的槽数目。

例如，如果一个线圈起始边在1号槽，终边在6号槽，则节距为5。

6.NumberofStrands：

每个导体中导线的并绕根数。

输入0，RMxprt会自动设计根数。

7.WireWrap：

漆包线的双边漆皮厚度。

输入0后能从导线