直流双电枢同轴电机两电枢间平衡导线连接的分析

湖南湘潭市 蒋全荣

　　1、前言
　　直流双电枢同轴电机两电枢在并联工作时，存在两电枢负载分配平衡与不平衡的问题，当负载分配不平衡时，将使一个电枢过载而另一个电枢轻载，从而造成过载电枢换向恶向，温升增高，影响电机总的输出功率。因此，分析造成两电枢间负载分配不平衡的原因，并在设计制造时采取相应的措施来减小不平衡因素，是设计师们和工艺师们的职责。本文就造成两电枢间负载分配不平衡的原因及减小不平衡因素的措施进行简述，并着重分析两电枢间平衡导线的连接问题。
　　2、 两电枢负载分配不平衡的原因及减小负载分配不平衡的措施
　　由于直流双电枢同轴电机的两电枢是装在同一根轴上的，因而，两电枢的转速相同，但两电枢及其应的定子磁路，制造上的差别是不可避免的，其中对负载分配有影响的主要是两个方面：
　　a、 电路方面的不一致
　　由于线圈制造及焊接等情况的不一，电刷安置及接触情况的不一等造成的两电枢电路电阻的不一致，对负载分配有影响，但这种影响相对来讲是不大的。
　　b、 磁路方面的不一致
　　由于电机制造及装配质量的不同，空气隙的不同和磁性材料特性的不同等造成的两电机磁化曲线的不一致，对负载分配有影响，且这种影响相对电路方面的不一致造成的影响要大得多。
　　为了消除以上电路方面和磁路方面的不一致，在电机制造过程中，对有关另部件的材料性能、尺寸公差、形位公差、制造工艺等提出了明确的要求，但制造的不一致，始终是存在的。为进一步减小可能出现的两电枢负载分配的不平衡，常用的简便方法有：a、在激磁回路中，加入附加调节电阻，以调节励磁电流来使两磁化特性趋于一致。b、在两电枢间用平衡导线连接起来，以减小两电枢负载分配的不平衡。
　　3、 两电枢间连接平衡导线的分析
　　假设将电刷准确地放置在几何中心线上，则纵轴电枢反应磁势产生的电势Ed=0。当在两电枢间连一根平衡导线时（参见后面的接线图），可分别按几种情况进行分析：
　　3.1电动状态超越换向时
　　平衡状态的电势平衡方程式为：E1=E2=E1-Eqc-Ek
　　式中：E1—第一个电枢的电势；
　　E2—第二个电枢的电势；
　　Ef—主极激磁磁势产生的电势；
　　Eqc——电枢反应和补偿绕组磁势的综合作用产生的电势。当补偿度＜100%时为电枢反应磁势所产生，产取正值，当补偿度＞100%时为补偿绕组磁势所产生，并取负值。
Ek—换向电流电枢反应磁势产生的电势。
　　不平衡状态的电势方程式可这样确定，假设第一个电枢的激磁增加某一个量，第二个电枢的激减小同一个量，则两电枢产生的电势差，在电枢回路中必然会出现环流iawcp’而平衡导线中则流过平衡电流ip’连接平衡导线的电枢一侧，在不含电枢的回路中则出现环流iwcp’此时各电枢电路中的电流将由平衡状态时的I变为：
ia1=I-iawcp
ia2=I+iawcp
iwc1=I-iwcp
iwc2=I+iwcp
　　由于iawcp＞iwvp，故iwc1＞ia1，iwc2＜ia2，这说明第一个电枢的超越换向程度和补偿程度被加强了，而第二个电枢的超越换向程度和补偿程度被削弱了，其变化的电势方程式为：
e1=(Ef+ef)-(Eqc-eqc-e’qc)-(Ek-ek+e’k)
e2=(Ef-ef)-(Eqc+eqc-e’qc)-(Ek+ek-e’k)
式中：ef—激磁变化产生的电势变化；
eqc—电枢电流变化带来的Eqc的变化；
e’qc—电枢连接平衡导线一侧的补偿绕组电流iwc1的增加iwc2的减少而使补偿度改变时带来的Eqc的变化；
ek—电枢电流变化使换向电流电枢反应变化时带来的Ek的变化；
e’k—电枢连接平衡导线一侧的换向极绕组电流iwe1的增加和iwc2减少而使换向电流电枢瓜变化时带来的Ek的变化。
不平衡状态时两电枢电势差：
△e=e1-e2=2ef+2eqc+2e’qc+2ek-2e’k
由此可知，仅2e’k为平衡因素，其他为不平衡因素，但2eqc在补偿度大于100%时是起平衡作用的。为了比较平衡因素与不平衡因素的大小，可同相应的磁势比较，各电势相对应的每极磁势为：a、产生ek的磁势Fk
Fk=（方程式略）
ak=bk·As
bk—换向区宽；
As—电枢线负荷；
ekh—额定时换向磁场产生的电势；
erh—额定时电抗电势；
iah—额定时电枢电流。
b、产生ek’ 磁势F’k（方程式略）
式中：K—通有电流iwcp的极数与全部极数之比
c、产生eqc的磁势Fqc(方程式略)
式中：Fqch—额定时电枢反应和补偿绕组磁势之和。
d、产生eqc的磁势F’qc（方程式略）
3.2 发电状态超越换向时 平衡状态时的电势平衡方程式为：
E1=E2=Ef-Eqc+Ek
不平衡状态时电势方程式的确定方法同前，即
e1=(Ef+ef)-(Eqc+eqc+eq’c)+(Ek+ek-e’k)
e2=(Ef-ef)-(Eqc-eqc-eq’c)+(Ek-ek+e’k)
两电势差△e=e1-e2=2ef-2eqc-2e’qc+2ek-2e’k
　　由此可知，2e’k、2e’qc、2eqc都是平衡因素，但2eqc在补偿度大于100%时起不平衡因素作用。与超越换向时电动状态相比，原不平衡因素2e’qc变成了平衡因素，因而平衡导线的作用在超越换向时的发电状态比电动状态更强。
3.3 电动状态延迟换向时 平衡状态时的电势平衡方程式为：
E1=E2=Ef-Eqc+Ek
不平衡状态时，电势方程式的确定方法同前，即
e1=(Ef+ef)-(Eqc-eqc-eq’c)+(Ek-ek+e’k)
e2=(Ef-ef)-(Eqc-eqc+eq’c)+(Ek+ek-e’k)
两电势差△e=e1-e2=2ef+2eqc+2e’qc-2ek+2e’k
　　由此可知，电动状态延迟换向时，2e’qc和2e’k都是不平衡因素，故这种情况下，连平衡导线不连平衡导线更不易平衡。
3.4 发式为：?3.4 发电状态延迟换向时 平衡状态时的电势平衡方程式为：
E1=E2=E1-Eqc-E1
不平衡状态时电势方程式的确定同前，即
e1=(Ef+ef)-(Eqc+eqc+eq’c)-(Ek+ek-e’k)
e2=(Ef-ef)-(Eqc-eqc-eq’c)-(Ek-ek+e’k)
两电势差△e=e1-e2=2ef-2eqc-2e’qc-2ek+2e’k
　　由此可知，发电状态延迟换向时，2e’qc为平衡因素，而2e’k为不平衡因素，比较2e’qc和2e’k的大小，当2e’k＞2e’qc时，连平衡导线也是不利的。
　　4、 某直流双电枢同轴电机，两电枢间连一根平衡导线，两电枢对应的机座上各装有10个主极和10个付极，各主级上又都带有补偿绕组，最初设计的补偿绕组、换向极绕组和平衡导线的连接如下图：（图略）一般来讲，当考虑减少对无线电的干扰时，应将补偿绕组、换向极绕组尽量平均分布在电枢的两侧，但对极对数为奇数的电机，则存在电枢一侧比电枢另一侧多一对极补偿绕组、全向极绕组的情况，例如：所讨论的电机就是将两极补偿绕组换向极绕组接在电枢的一侧，而将三对极补偿绕组换向极绕组接在电枢的另一侧。那么，平衡导线是接在两对极一侧好，还是接在三对极一侧好呢？下面我们来讨论这个问题。由于电机设计时，一般都是设计成超越换向的，而前面的分析又说明，连接平衡导线后，发电状态是比电动状态更易平衡的，因此，研究平衡导线的连接时，首先考虑电动状态超越换向时的情况。所以连接平衡导线后所产生的平衡因素是大于不平衡因素的，平衡导线能起平衡作用，且K值越大，平衡效果越好。
　　原设计平衡导线是放在两对极补偿绕组换向极绕组一侧的，平衡效果差一些，建议将三对极补偿绕组换向极绕组放在平衡导线侧，而将两对极补偿组换向极绕组放在电枢侧，平衡效果将会更好。通过所讨论电机的应用试验证明，改接后的平衡效果比改接前的平衡效果要好。