换向电势论文:换向区电磁场及换向电势探析

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作者：安跃军 李文瑞 周利民 薛丽萍 李勇 单位：沈阳工业大学 电气工程学院

为了提高运行可靠性，将三个N极励磁绕组和三个S极励磁绕组各串联成一路，首端分别为W1和W2，由电压调节器分别为两条励磁支路供电和调节．当其中一条励磁支路发生故障时，另一条支路仍然能够建立磁场发电，定子绕组接线如图3所示．电枢绕组发电电流经非接地电刷盒引出后与换向极绕组串联，通过接线柱R向蓄电池和负载供电，接地电刷盒连接机壳并与车载车架搭铁构成电气系统的负极．为了消除运行一段时间后电刷与换向器接触不良甚至卡死引起的供电故障和安全隐患，电刷采取了沿发电机旋转方向向前倾斜的方式．

发电机内电磁场分析

1发电机内电磁场描述由于车载发电机的结构比较复杂，为了简化电磁场计算，不考虑发电机的端部效应，并作如下简化处理［2－6］：1）采用二维电磁场计算；2）不考虑涡流效应；3）铁芯磁导率各向同性．从而，发电机内部电磁场可以通过非线性泊松方程、求解区域和边界条件来描述。由于绝大部分磁通都在电机内，选取电机的定子外圆周作为边界，满足狄里克莱边界条件，所以定义边界上所有点的矢量磁位Az＝0．有限元法应用于电磁场计算就是把连续的电磁场问题变为离散问题来求解，电机模型离散化是通过网格剖分来实现的，剖分疏密直接影响有限元计算结果的精确性。

2空载电磁场分析根据电机磁极结构的不对称性，对发电机整体结构进行建模和电磁场分析．发电机空载运行时，电枢绕组开路，励磁绕组施加励磁电压以建立气隙磁场．为了说明非常规主磁极和换向极结构所产生气隙磁场的特性，计算得到的空载磁力线分布如图6所示．磁场分布属于基本对称的六极状态，靠近长极靴的一侧磁力线较密集，说明该区域的磁感应强度大．虽然六主极在机座内圆排列不均匀，六主极彼此轴线间的机械角度不是60°均布，但是气隙磁感应强度过零点（中性线）之间的间隔仍然为60°，即每个主极场域所覆盖的角度为60°．机械非对称的磁极结构并没有造成电机内部磁场分布的不对称，这样不仅解决了换向极空间紧张的问题，使换向得到改善，而且没有影响机电能量转换的正常进行．

3负载电磁场分析发电机负载运行时，电枢绕组中的电流将产生电枢磁动势而使气隙磁场发生畸变，造成换向元件在换向过程中换向不良而引起电刷火花．为了改善换向条件并减小火花，可以在主磁极间安装换向极［7－9］．受到车载系统对发电机体积的限制，只设置了三个换向极，安装位置参见图1．对电枢绕组设定额定电流，通过有限元计算得到无换向极作用和有换向极作用时负载磁力线分布。换向过程中，如果换向元件中电势为零，则在被电刷短路的闭合回路中就不会有环流［10］；否则，换向电势就在换向元件闭合回路中产生环流，换向电磁能量会以火花形式释放，损伤电机，也会对通讯产生电磁干扰，一定程度上降低了坦克的战斗力．从图11可见，在换向极作用下，负载气隙磁感应强度受到换向极磁场的作用，整个波形更接近空载运行时的气隙磁场波形．

换向区电磁场与换向电势分析

为了说明改善换向的效果，可用换向区宽度对换向过程进行描述［9－10］．所谓的换向区宽度指在一个槽中从最先换向的元件开始换向的瞬间到这些元件中最后换向的一个元件换向结束为止的时间内，该槽在电枢表面所转过的弧长．为观察负载时换向极的作用效果，在安装了换向极的两主极间所对的电枢表面取一段长度为bk的圆弧记为换向区c．图12、13分别为无、有换向极作用时换向区c的磁感应强度Bkp1和Bkp2波形．为了考核电机的实际换向火花情况，对样机在发电电压为28V、转速为6000r／min和负载电流为235A，即满载状态进行火花等级实验，实验装置如图16所示（卸掉了被试发电机的风扇罩以利于观察火花）．实验发现，在安装了换向极的两主极间的换向区，电刷没有火花，根据相关标准［13］可以判断火花等级为1级；在未安装换向极的两主极间换向区，轴向并列的两个电刷仅在靠近电枢侧的电刷边缘局部出现断续性微弱的点状火花，判断火花等级为125级．可见，坦克发电机的综合火花等级低于125级，完全满足不超过15级的技术指标要求．

结论

对特殊结构低压大电流车载发电机进行电磁场有限元分析可知，机械非对称的磁极结构并没有造成电机内部磁场分布的不对称，可确保机电能量转换正常进行．在负载状态，通过对换向区磁场精细化展示可见，由于换向极的作用，换向区磁感应强度明显降低，换向电势平均减小了5811％，实验说明火花等级低于125级．研究结果为低压大电流车载发电机研制提供关键技术方案，益于提高车载发电机电气系统运行的稳定性、可靠性和安全性．