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：ωωa 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。

2ats 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ωωes 1f ef b a C R I C U U I +--=(17.4)输出转矩为：fwm 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：()Feb 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ωωes 1f ef b a C R I C U U I --+-=(17.4’)输入转矩为：fwm 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：()Feb 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 12⨯=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μSZ =(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Maxwell 2D 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>Maxwell 12>Maxwell 12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>Insert RMxprt Design。

在Select Machine Type 会话框中选择DC Machine，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Save As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DC Machine做为电机模型时,必须输入如下几项：1. General data. （基本性能数据）2. Stator data. （定子数据）3. Rotor data. （转子数据）4. Solution data. （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. Machine Type：电机类型。

2. Number of Poles：电机极数。

其值为定子极数的总和（或极对数×2）。

3. Frictional Loss：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. Wind Loss：参考转速下测得的风阻损耗（由空气阻力产生）5. Reference Speed：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.Frame Outer Diameter：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.Frame Overall Width：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.Frame Thickness：机壳厚度。

4.Frame Length：机壳轴向长度。

5.Frame Material：机壳材料(参考7.3指定材料属性)。

6.Pole Type：定子磁极类型。

1）点击Pole Type，选择磁极类型Select Pole Type，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1b. 磁极类型2图17.4 磁极类型3）点击OK关闭Select Pole Type对话窗口。

7、Pole Length：磁极铁心长度。

8、Pole Stacking Factor：磁极叠压系数。

9、Pole Material：磁极铁心材料(参考7.3指定材料属性)。

10、Press Board Thickness：磁极压板厚度。

11、Magnetic Press Board：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Insert Commutating。

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Remove Commutating。