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單相磁滯一磁阻電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)特性

    姚光中  (安徽機(jī)電學(xué)院)

  引  言

    磁滯電動機(jī)是一種具有自起動能力的同步電動機(jī)，廣泛應(yīng)用于驅(qū)動鐘表機(jī)構(gòu)、音像設(shè)備、電報(bào)傳真機(jī)、記錄儀表，陀螺儀表和自動化系統(tǒng)的小功率同步驅(qū)動裝置中。磁滯電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩是由轉(zhuǎn)子所采用的未事先充磁的硬磁材料的磁滯效應(yīng)產(chǎn)生的，****轉(zhuǎn)矩就是磁滯轉(zhuǎn)矩，它取決于轉(zhuǎn)子材料的磁滯回線的面積。激磁一定，普通磁滯電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩從起動到同步速是恒定的，因此它的牽入同步轉(zhuǎn)矩較大，起動性能良好。如負(fù)載轉(zhuǎn)矩不超過****磁滯轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)將穩(wěn)定同步運(yùn)行，其功率角9將隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩而變化，但不能超過磁滯角θb。然而它的牽出同步轉(zhuǎn)矩(失步轉(zhuǎn)矩)卻不大，理論上等于滿載轉(zhuǎn)矩。

    另一方面，普通磁阻電動機(jī)雖無起動轉(zhuǎn)矩，牽入同步轉(zhuǎn)矩也較小，但其失步轉(zhuǎn)矩較大，在功率角θ=45^o電角度時，達(dá)****同步轉(zhuǎn)矩。因此，為了全面提高同步電動機(jī)的牽入和牽出同步轉(zhuǎn)矩，獲得****性能，可將這二種電動機(jī)結(jié)合起來，制成磁滯一磁阻電動機(jī)，又稱反應(yīng)式磁滯電動機(jī)。在這種組合型同步電動機(jī)中，可有效地同時利用磁滯效應(yīng)和磁阻效應(yīng)。

    磁滯電動機(jī)的轉(zhuǎn)子一般都由鐵鈷釩(Fe—Co—V)或鐵鈷鉬(Fe—Co—Mo)合金制成圓筒形，如將它的轉(zhuǎn)子制成凸極形，即相差90。電角度的軸上磁阻不同，則該電動機(jī)還能產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，與其磁滯轉(zhuǎn)矩迭加。在低于同步速運(yùn)行時，磁阻轉(zhuǎn)矩進(jìn)一步增大了牽入同步轉(zhuǎn)矩；在轉(zhuǎn)子達(dá)到同步速運(yùn)行時，合成的****同步轉(zhuǎn)矩是磁滯效應(yīng)和磁阻效應(yīng)共同產(chǎn)生的，因此它的失步轉(zhuǎn)矩增大，其它性能也有所改善。

    早在1916年，蘇聯(lián)制造的CII型單相罩極同步電動機(jī)就是這種電動機(jī)的雛型。70年代磁滯一磁阻電動機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，大都是將轉(zhuǎn)子外圓磨出平面或在轉(zhuǎn)子外表面開對稱的小槽，平面數(shù)或小槽數(shù)等于電動機(jī)的極數(shù)。顯然，這將造成氣隙不均勻，引起氣隙磁阻的脈動，產(chǎn)生齒諧波，從而導(dǎo)致附加損耗和電磁噪聲增大。本文介紹一種均勻氣隙的單相磁滯一磁阻電動機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并舉實(shí)例對比磁阻一磁滯電動機(jī)和普通磁滯電動機(jī)的額定運(yùn)行性能和失步點(diǎn)的性能。

1  結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

    均勻氣隙的單相磁滯一磁阻電動機(jī)的原理線路和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

定子上有在空問正交的主、副二繞組m、a，副繞組電路串接電容以獲得圓形磁場；轉(zhuǎn)子磁滯環(huán)1內(nèi)壁開有4個對稱的磁阻槽2，使其形成一個4極轉(zhuǎn)子，這樣，氣隙仍保持均勻不變。磁滯環(huán)套在非磁性軸套3的外面。

原理線路和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。定子上有在空問正交的主、副二繞組m、a，副繞組電路串接電容以獲得圓形磁場；轉(zhuǎn)子磁滯環(huán)1內(nèi)壁開有4個對稱的磁阻槽2，使其形成一個4極轉(zhuǎn)子，這樣，氣隙仍保持均勻不變。磁滯環(huán)套在非磁性軸套3的外面。

2實(shí)例和比較

    以普通磁滯電動機(jī)為例額定輸出功率P2N=80W，額定電壓Ul=220V，頻率f=50Hz，4極，單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)。

    定子數(shù)據(jù)：

    鐵心內(nèi)徑Dil=6．0cm

    鐵心長度L=7．2cm

槽數(shù)zl=24

  每相串聯(lián)匝數(shù)Wl=940匝線徑φ=0．47mm繞組型式，二相對稱正弦繞組，分布如圖2所示。

副相串接電容值C=6μF

轉(zhuǎn)子數(shù)據(jù)：

磁滯環(huán)外經(jīng)D=5．96cm

磁滯環(huán)內(nèi)經(jīng)D試=4．50cm

磁滯環(huán)長度L=7．2cm

磁滯材料選用Fe—Co—Mo系2J25型合金，該系材料熱處理穩(wěn)定，鍛件性能不變。工藝簡單，且含鈷量較低，材料價(jià)格比較便宜，其磁性能為

    B_r=10000Gs

    H_C=2000e

    P_μ=3．8×10⁵erg／cm³·Hz

為便于比較，新設(shè)計(jì)的磁滯一磁阻電動機(jī)采用與上述磁滯電動機(jī)完全相同的定子，轉(zhuǎn)子環(huán)采用相同的磁滯材料和內(nèi)、外徑尺寸，但在磁滯環(huán)內(nèi)圓表面均布有4個相同的磁阻槽，其尺寸為

    磁滯環(huán)外徑D=5．96cm

    磁滯環(huán)內(nèi)徑D_id=4．50cm

實(shí)踐表明，磁滯—磁阻電動機(jī)的****轉(zhuǎn)矩與比值β=b_p／τ，△d／D_i1／2和s／△d有密切關(guān)系。計(jì)算和試驗(yàn)證明宜取β=0．8～0．9；但不宜過大，否則q軸處磁滯環(huán)內(nèi)磁密過高，磁滯轉(zhuǎn)矩減小太多。故取

    d軸處環(huán)厚△_d=0．73cm

    q軸處環(huán)厚△_q=0．35cm

    (磁阻槽深S=0．38cm)

    內(nèi)磁阻槽寬b_s=0．5cm

    上述二個轉(zhuǎn)子的剖面圖如圖3a和b所示。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可計(jì)算出磁滯一磁阻電動機(jī)的參數(shù)：

r_l(75℃)=31．02Ω，R_hd=21．73Ω，

R_hq=259．38Ω，R_d=52．75Ω，

R_q=290．40Ω．應(yīng)用文獻(xiàn)[3]提供的理論計(jì)算和試驗(yàn)方法求得的同步電抗如表1所示。

磁滯一磁阻電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)特性如圖4所示。由于計(jì)算參數(shù)和特性時假定磁滯材料的磁滯回線是矩形的，基波氣隙磁場是圓形的，故計(jì)算值與試驗(yàn)值之間稍有差異。

從圖4曲線可找出磁滯一磁阻電動機(jī)額定運(yùn)行時的性能，與普通磁滯電動機(jī)對比如表2所示。

至于失步點(diǎn)的性能，亦可列出對比表，如表3所示。

可見，磁滯——磁阻電動機(jī)的各項(xiàng)性能均優(yōu)于普通磁滯電動機(jī)。

3結(jié)論

a．從表2可看出，在電機(jī)基本尺寸和所用材料相同的條件下，磁滯一磁阻電動機(jī)的額定輸出功率和轉(zhuǎn)矩可比普通磁滯電動機(jī)提高50％左右，功率因數(shù)提高45％以上，效率基本未變。

b．從表3可看出，磁滯一磁阻電動機(jī)失步點(diǎn)的性能也能優(yōu)于普通磁滯電動機(jī)。失步轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)增大了一倍多；穩(wěn)定同步運(yùn)行的范圍擴(kuò)大了，普通磁滯電動機(jī)的失步轉(zhuǎn)矩角即為****磁滯角．

而磁滯一磁阻電動機(jī)的失步轉(zhuǎn)矩角增大為

    θ_p=tg^-1(184．25／52．75)=74．02^o

該性能對于加速度引起的過載很大的情況，例如陀螺電動機(jī)將其做成磁滯一磁阻式的，有時就很有益。

c．在電源電壓，頻率和電動機(jī)參數(shù)一定時，電磁轉(zhuǎn)矩為功率角θ的函數(shù)，比值X_q／X_d和R_d／X_d愈小，****電磁轉(zhuǎn)矩愈大。