基于電機疊壓異性轉(zhuǎn)子磁路及參數(shù)性能的分析＊

吾布里·阿依丁

（新疆工程學(xué)院電氣與信息工程系，新疆 烏魯木齊 830091）

基于電機疊壓異性轉(zhuǎn)子磁路及參數(shù)性能的分析＊

吾布里·阿依丁

（新疆工程學(xué)院電氣與信息工程系，新疆 烏魯木齊 830091）

提出了一種新型組合式轉(zhuǎn)子同步電機，目的是解決軸向疊片各向異性轉(zhuǎn)子電機的振蕩和異步運行問題。對電機的結(jié)構(gòu)和參數(shù)計算進行了介紹，并在簡化分析基礎(chǔ)上推導(dǎo)了新電機的交、直軸電抗和空載電勢計算公式。系統(tǒng)介紹了電機的磁場、參數(shù)及性能的分析計算方法及其數(shù)值實施過程，并結(jié)合實例對電機的結(jié)構(gòu)、參數(shù)和性能進行較為詳細的分析和討論。

磁阻同步電機；電機磁路分析；參數(shù)性能

1 引言

軸向疊片各向異性轉(zhuǎn)子電機是適應(yīng)高品質(zhì)交流變速傳動需要而發(fā)展起來的一種新型磁阻同步電機，其結(jié)構(gòu)特點是轉(zhuǎn)子鐵芯由軸向未經(jīng)分段處理的整塊導(dǎo)磁疊片和非導(dǎo)磁絕緣材料疊片交替疊壓而成。軸向疊片各向異性轉(zhuǎn)子電機的性能分析和參數(shù)計算多采用有限元磁場分析方法進行［1］，完全采用磁路分析方法并不多見。與有限元法相比較，磁路法要粗略得多，不可能定量研究軸向疊片各向異性轉(zhuǎn)子電機的磁場分布，但簡易實用，尤其是可以對一些有限元分析難以經(jīng)濟求解的特殊問題能給出簡明結(jié)果，因而仍具有重要應(yīng)用價值。如在某些非正常情況下，兩極軸向疊片各向異性轉(zhuǎn)子電機可能因振蕩失步而發(fā)生異步運行［2］，此時，由于轉(zhuǎn)差率較大，定子旋轉(zhuǎn)磁場會在未經(jīng)分段處理的轉(zhuǎn)子鐵芯疊片中感應(yīng)出較大的電流，并產(chǎn)生較大的“單軸轉(zhuǎn)矩”［3］。這一轉(zhuǎn)矩在略大于1／2同步速處為負值，有可能將電機“卡住”在該轉(zhuǎn)速附近振蕩或作異步運行，嚴重影響電機的運行性能。解決這一問題的有效途徑是對轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁疊片進行分段處理，以割斷疊片中的渦流回路，消除或減小單軸轉(zhuǎn)矩的危害。然而，軸向疊片各向異性電機轉(zhuǎn)子的疊片數(shù)很多，為保證強度，不可能都進行分段處理，而運動導(dǎo)體渦流電磁場的有限元求解又非常昂貴，因此，借助于磁路分析方法，近似求取q軸磁通分布及q軸磁阻大小，則有可能以最經(jīng)濟手段尋求到改進電機運行特性的最有效途徑。本文為此進行深入研究，并結(jié)合實驗樣機給出具有重要理論意義和實用價值的分析結(jié)果。

軸向疊片各向異性轉(zhuǎn)子電機作為一種新型磁阻電機，自20世紀90年代以來得到國內(nèi)外眾多科研人員的重視和關(guān)注。與傳統(tǒng)電機相比，該電機沿用普通交流電機定子，轉(zhuǎn)子則采用導(dǎo)磁材料和非導(dǎo)磁絕緣材料的矩形疊片沿軸向交替高密疊壓而成，如圖1所示為q軸磁通進入轉(zhuǎn)子鐵芯后的等效磁網(wǎng)絡(luò)，其導(dǎo)磁性能呈現(xiàn)高度各向異性，凸極比Ld／Lq可達普通電機的10-20倍。電機因而具有高效率、高功率因數(shù)、高過載倍數(shù)、低運行噪聲等一系列優(yōu)點，在高品質(zhì)交流變速驅(qū)動領(lǐng)域有著極為廣闊的應(yīng)用前景。

在樣機實驗中，發(fā)現(xiàn)兩極高密度軸向疊片各向異性轉(zhuǎn)子電機變頻啟動時有可能出現(xiàn)振蕩和異步運行情況。具體表現(xiàn)為電源頻率高于某一臨界值時，電機失步，并在1／2同步速附近上下振蕩。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，造成這一現(xiàn)象的根本原因是轉(zhuǎn)子q軸疊片回路在變頻啟動時感應(yīng)出渦流，進而產(chǎn)生“單軸轉(zhuǎn)矩”，該轉(zhuǎn)矩在略大于1／2同步速時由正變負，使得電機“卡”在半速附近不能繼續(xù)升速為減小單軸轉(zhuǎn)矩對啟動性能的不利影響，需設(shè)法讓電機在啟動時增加同步轉(zhuǎn)矩，使合成轉(zhuǎn)矩曲線Tp有所提升，以減小或消除振蕩區(qū)域，為此設(shè)計出新型組合式高密度軸向疊片各向異性轉(zhuǎn)子電機。

2 電機磁路分析

高密度軸向疊片各向異性轉(zhuǎn)子電機的d軸磁路較為簡單，磁通從定d軸方向到達疊片另一側(cè)，再徑向穿過氣隙回到定子鐵芯［4］，與普通各向同性轉(zhuǎn)子電機的分析過程完全類同。因此，本文僅著重于q軸磁路的分析。因高密度軸向疊片各向異性轉(zhuǎn)子電機以d、q軸為對稱中心，在以下的分析中，可以只分析轉(zhuǎn)子鐵芯的一側(cè)，而認為另一側(cè)的結(jié)果相同。當q軸方向的磁通Φa從定子鐵芯進入轉(zhuǎn)子鐵芯外側(cè)第1片疊片a后，部分磁通將變向?qū)ΨQ地沿著疊片寬度方向（即d軸方向）流通，然后穿過氣隙回到定子鐵芯，如圖1中Φy1、Φy2所示；另一部分將穿過導(dǎo)磁疊片的厚度方向（即q軸方向）進入到下一塊導(dǎo)磁疊片b，如圖1中Φb所示。與此類似，當Φb進入疊片b后，同樣會分成3部分。進而考慮到轉(zhuǎn)子鐵芯導(dǎo)磁疊片或非導(dǎo)磁疊片每片都近似相同，于是可將轉(zhuǎn)子疊片形成的q軸磁回路等效地考慮為如圖1所示的磁路。

圖1 q軸磁通進入轉(zhuǎn)子鐵芯后的等效磁網(wǎng)絡(luò)

圖1中，R0為導(dǎo)磁疊片a、b之間的磁阻，Ry為從a點沿導(dǎo)磁疊片d軸方向過d軸等效氣隙回到定子鐵芯的磁阻。

式中：vy為導(dǎo)磁疊片在y方向的磁阻率；v0為非導(dǎo)磁疊片的磁阻率；tc和t0分別為導(dǎo)磁疊片和非導(dǎo)磁疊片的厚度；δy為y方向氣隙長度；l和h為疊片的有效長度和平均寬度。因空氣磁阻率和非導(dǎo)磁疊片磁阻率相近，同取為v0，又v0?vy（v0≈8× 105m·H-1，vy＝50m·H-1），上式簡化為

設(shè)圖1中q軸磁路的等效總磁阻為Ra。由于轉(zhuǎn)子鐵芯導(dǎo)磁疊片數(shù)目很多，可以認為磁通在穿過疊片a進入疊片b后遇到的磁阻仍然是Ra，因此，可將圖1簡化為圖2。由圖2可知，磁阻為：

圖2 轉(zhuǎn)子q軸磁網(wǎng)絡(luò)的簡化模型

由此可得：

通常，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計的高密度軸向疊片各向異性電機轉(zhuǎn)子的極靴張角大致約120°，導(dǎo)磁疊片厚度大致是非導(dǎo)磁疊片厚度的2倍，此時

可見，當磁通Φa進入第1塊導(dǎo)磁疊片后，只有0．88倍的磁通能夠穿透這塊疊片而進入到下一塊導(dǎo)磁疊片。依此類推，當磁通穿過10片以上的疊片后，其大小將只有初始大小的20%左右。因此可近似認為，q軸的磁通全部被轉(zhuǎn)子鐵芯最外層的10塊導(dǎo)磁疊片導(dǎo)入d軸方向，穿過氣隙進入定子鐵芯，而不再鏈及其余的導(dǎo)磁疊片。

3 結(jié)束語

兩極高密度軸向疊片各向異性轉(zhuǎn)子電機q軸磁通主要被轉(zhuǎn)子鐵芯最外層的10片導(dǎo)磁疊片從d軸方向?qū)攵ㄗ予F芯，幾乎不再鏈及其余的導(dǎo)磁疊片。因此，對導(dǎo)磁疊片分段處理時，可以只處理轉(zhuǎn)子鐵芯每側(cè)最外層的10片即可。而本文得出的電機q軸磁通在轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁疊片中的分布情況及q軸磁阻大小的結(jié)論，對分析高密度軸向疊片各向異性轉(zhuǎn)子電機異步運行時轉(zhuǎn)子疊片中產(chǎn)生的單軸轉(zhuǎn)矩極具參考價值。同時，本文對高密度軸向疊片各向異性轉(zhuǎn)子電機q軸磁路的分析方法對定性研究此類電機的磁場分布也具有示范作用。

軸向疊片各向異性轉(zhuǎn)子電機作為一種新型電機，在許多方面具有優(yōu)異的運行性能。然而，單軸轉(zhuǎn)矩的存在影響了兩極軸向疊片各向異性轉(zhuǎn)子電機的變頻啟動特性。新結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子在原有基礎(chǔ)上適當加入部分永磁材料，借助永磁剩磁場產(chǎn)生的同步轉(zhuǎn)矩使合成轉(zhuǎn)矩曲線有所提升，因而能改善電機的啟動性能。本文介紹了新電機的結(jié)構(gòu)特點，同時結(jié)合磁路分析法和傅立葉分解分別計算了永磁段和高密度軸向疊片各向異性段的d、q軸電抗以及空載電勢E0，并依據(jù)疊加原理，進而求得新電機的交、直軸電抗參數(shù)。經(jīng)過一臺2．2kW的實際樣機計算檢驗，所得結(jié)果與實測值近似，誤差小于9%，證明這種分析方法是可行的。

［1］辜承林，李朗如．切轉(zhuǎn)子軸向疊壓各向異性（ALA）電機磁場、參數(shù)及性能的分析與計算［J］．中國電機工程學(xué)報，1994，14（3）：14-20．

［2］易明軍．ALA轉(zhuǎn)子電機及其控制系統(tǒng)的研究［D］．武漢：華中理工大學(xué)，1999．

［3］許實章，等．電機學(xué)（下冊）［M］．北京：機械工業(yè)出版社，1990．［4］Boldea I，Nasar S A．EmergingElectricMachineswithAxially-Laminated Anisotropic Rotors：Areview［J］．EMPS，1991，19：673-703．

［5］辜承林，BJChalmers．高密度軸向疊片式轉(zhuǎn)子同步電機的優(yōu)化設(shè)計［J］．中國電機工程學(xué)報，1998，18（1）：29-33．

［6］Staton D A E，Miller TJE，Wood SE．Maximising the Saliency RatiooftheSynchronousReluctanceMotor［J］．IEE-B，1993，140（4）：249-259．

［7］辜承林．機電動力系統(tǒng)分析［M］．武漢：華中理工大學(xué)出版社，1998，293-295．

［8］易明軍．ALA轉(zhuǎn)子電機及其控制系統(tǒng)的研究［D］．華中理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，1999．

［9］朱建華．組合式轉(zhuǎn)子同步電動機新結(jié)構(gòu)探討［R］．華中理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計報告，2000．

［10］陳俊峰．永磁電機［M］．北京：機械工業(yè)出版社，1982．

Analysis of laminated anisotropic motor rotor magnetic circuit and parameters performance

Obul Aydin
（Xinjiang Institute of Electrical and Information Engineering，Urumqi 830091，China）

A novel combined rotor synchronous motor is put forward,which is to solve the operating problems of ALA rotor oscillation and asynchronous motor．The structure and parameters calculation of the motor are introduced,and the calculating formula of direct axis reactance and the no-load EMF are derived on the basis of simplifying analysis．The analysis calculation methods and its numerical implementation process of magnetic field,parameters and performance for this motor are also introduced．

reluctance synchronous motor;motor magnetic circuit analysis;parameters performance

TM341

A

2013-03-20

新疆工程學(xué)院技支計劃項目［201323］

1005—7277（2014）01—0028—03

吾布里·阿依丁（1963-），新疆輪臺縣人，副教授，主要從事煤礦自動控制工程研究。