直流電機知識分享：?電樞反應和補償極線(xiàn)圈

?  電樞反應

  從直流電機正常工作的電樞轉子在橫截面看，經(jīng)歷換向后，正在通電的導體分布，正好會(huì )處于相對靜止的狀態(tài)，留下一個(gè)橫向磁動(dòng)勢Θ_a，而它正好和豎直方向的主極勵磁繞組對應的勵磁磁動(dòng)勢Θ_f相垂直，這個(gè)橫向磁動(dòng)勢會(huì )和原本勵磁磁動(dòng)勢疊加在一起，這樣疊加以后的合成場(chǎng)Θ_R的方向就發(fā)生了偏移。

  加載時(shí)的氣隙磁場(chǎng)，只有在磁路的線(xiàn)性區可以把勵磁磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)完全分開(kāi)獨立地計算和疊加，所以之后想要更進(jìn)一步考察，就要維持鐵芯是理想磁導材料的假設( μ_Fe→ ∞)，這樣在鐵芯區域的磁壓壓降就可以忽略不計了，那么使用環(huán)路定理的積分路徑又要選擇一個(gè)極寬上外圍整圈。

  對于這個(gè)極的包圍的勵磁磁動(dòng)勢Θ_f (a)

  是對于范圍內  (上圖磁極的上端）以及  (上圖磁極的下端）有值的部分，其中a_i為極覆蓋率。而當角度處在勵磁磁動(dòng)勢的極缺口的時(shí)候，自然是沒(méi)有值的。

   現在引入截面電流分布的概念，它指的是每單位厘米長(cháng)度的截面上正在通過(guò)的電流強度，單位為[A/cm]。它是從繞組導體在圓周上離散分布的計算的概念中衍生出來(lái)的。一般地，我們考察的有效長(cháng)度正好為圓周走向，所以電樞的截面電流分布A_a(a)

  根據定義可知，對一段長(cháng)度內截面電流分布的積分即為這段長(cháng)度截面內通過(guò)總電流強度，即磁動(dòng)勢大小在這段長(cháng)度上的分布。它是在兩個(gè)極上倆連續變化的一次函數構成的分段函數。

  最后合成的氣隙磁通密度為

  而在極缺口處的電樞磁動(dòng)勢會(huì )極大削弱有效氣隙長(cháng)度。

  電樞反應的后果

  由于電樞反應，最后合成的磁場(chǎng)就會(huì )發(fā)生扭曲變形，在正常工作的極區也不再是勻強磁場(chǎng)。如圖所示，通過(guò)電樞反應產(chǎn)生的磁場(chǎng)扭曲會(huì )強化進(jìn)入極邊緣處的場(chǎng)強，弱化離開(kāi)極邊緣的場(chǎng)強，而這種扭曲程度取決于電樞電流的強度。a_PK 為極邊緣的圓周角度，那么此時(shí)在磁通密度在極邊緣的分布為

  如果磁場(chǎng)出現磁飽和那么在進(jìn)入極邊緣的過(guò)剩場(chǎng)強會(huì )被削弱一些，磁飽和的電樞反應會(huì )減少每一極的磁通，會(huì )導致電動(dòng)機不穩定工作狀態(tài)輸出巨大負載的時(shí)候增加不必要的轉矩損失。

  電樞反應的結果就是，合成磁場(chǎng)矢量發(fā)生了偏移。在電動(dòng)機狀態(tài)的時(shí)候，磁場(chǎng)偏移會(huì )與旋轉方向相反，這會(huì )導致磁場(chǎng)中性區的偏移，因為電流換向電壓被提高了，換向過(guò)程惡化。除了磁場(chǎng)，換向片也會(huì )被影響。

  換向片上也會(huì )被分配一定的分區電壓，強度為相鄰兩片換向片之間的電壓。當電樞電壓均勻分配到所有換向道口，就總會(huì )在倆道口之間附加一個(gè)平均片層電壓

  因為一個(gè)電樞線(xiàn)圈上的感應電動(dòng)勢U_i,spule除了轉數n以外還與氣隙磁通密度B_δ的有關(guān)。

   U_i,spule(t)=2N_a·πD_a·l_Fe·B_δ(a(t)）·n

  在一個(gè)疊繞繞組上的兩片換向片之間總是有一個(gè)電樞線(xiàn)圈，而在波形繞組則是p個(gè)線(xiàn)圈有著(zhù)近似等大的電壓。而片層電壓就表現得恰好類(lèi)似于其所從屬的電樞線(xiàn)圈的感應電壓。

  U_L(a(t))~B(a(t))·n

  在極缺口沒(méi)有磁場(chǎng)，線(xiàn)圈邊處在極缺口的部分就不會(huì )有感應電壓，自然從屬的分區電壓亦為零。而在勵磁極區下的電樞電壓會(huì )被均勻分配到一個(gè)極下的線(xiàn)圈上和對應的換向片上。處在空轉下的最大片層電壓 U_L0

  藍色虛線(xiàn)為原本空轉的片層電壓，而紅色實(shí)線(xiàn)為帶了負載后的情況?？梢?jiàn)片層電壓扭曲變化情況和氣隙磁場(chǎng)扭曲情況一致。電樞反應導致的磁場(chǎng)扭曲在進(jìn)入極邊緣處提高了氣隙磁感應強度，而對應的最大片層電壓也成比例地提高了

  在很高的負載下的直流電機會(huì )局部出現極高的分區電壓。在弱磁控制下，片層電壓的平均值到峰值的比例會(huì )變得尤為不經(jīng)濟，這種情況下，電樞反應又會(huì )強勢來(lái)襲。當片層電壓超過(guò)邊界值(通常為40V)就會(huì )導致片層之間的擊穿放電，這也可能導致整個(gè)換向器一圈表面都產(chǎn)生電弧火花。

  補償繞組

  為了避免電樞反應帶來(lái)的種種危害，必須從原理上抑制，也就是減弱乃至徹底抵消電樞反應帶來(lái)的偏移磁動(dòng)勢。

  可見(jiàn)電樞反應產(chǎn)生都是和圓周上的截面電流分布有關(guān)，所以我們可以反其道而行之，在附近的定子勵磁極上加以產(chǎn)生與電樞偏移磁動(dòng)勢反向的補償繞組就可以補償掉了。為了在定子勵磁極加上補償極,需要在極靴周向開(kāi)槽，然后再把補償繞組放入，補償極繞組也可以和電樞串聯(lián)，但是要保證和電樞電流方向相反。

  加了補償極以后，由于通入電樞電流，那么總共需要補償的磁動(dòng)勢為Θ_K

  Θ_K=N_K·I_a=Θ_a

  而電樞反應產(chǎn)生的磁動(dòng)勢Θ_a為

  那么所需的必要導體數N_K為

  所以最后的氣隙磁場(chǎng)為所有磁動(dòng)勢總和激發(fā)出來(lái)的

  上圖可知，藍色虛線(xiàn)為未加補償極和換向極之前的磁動(dòng)勢分布和氣隙磁場(chǎng)分布情況，現在加了補償極和換向極以后，變?yōu)榧t色實(shí)線(xiàn)，多出來(lái)的磁場(chǎng)扭曲都被有效遏制了，若是很多對極的以及昂貴的高端直流電機，一般都會(huì )加入一對補償極和換向極繞組。

直流電機電樞反應的產(chǎn)生原理，它來(lái)源于不斷換向時(shí)相對于定子靜止的電樞截面電流分布產(chǎn)生的電樞磁動(dòng)勢，它使得整個(gè)磁場(chǎng)方向發(fā)生了偏移，扭曲了磁場(chǎng)并且產(chǎn)生了較高的換向片片層電壓，增加了換向器釋放電弧隱患。想要消去電樞反應可以采取在極靴上布置補償繞組，補償繞組的反向磁動(dòng)勢能夠把經(jīng)電樞反應偏移的磁場(chǎng)調回原來(lái)的位置。