單相磁滯一磁阻電動機的穩(wěn)態(tài)特性

    姚光中  (安徽機電學院)

  引  言

    磁滯電動機是一種具有自起動能力的同步電動機，廣泛應用于驅(qū)動鐘表機構、音像設備、電報傳真機、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。磁滯電動機的起動轉矩是由轉子所采用的未事先充磁的硬磁材料的磁滯效應產(chǎn)生的，****轉矩就是磁滯轉矩，它取決于轉子材料的磁滯回線的面積。激磁一定，普通磁滯電動機的電磁轉矩從起動到同步速是恒定的，因此它的牽入同步轉矩較大，起動性能良好。如負載轉矩不超過****磁滯轉矩，電動機將穩(wěn)定同步運行，其功率角9將隨負載轉矩而變化，但不能超過磁滯角θb。然而它的牽出同步轉矩(失步轉矩)卻不大，理論上等于滿載轉矩。

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

    磁滯電動機的轉子一般都由鐵鈷釩(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，則該電動機還能產(chǎn)生磁阻轉矩，與其磁滯轉矩迭加。在低于同步速運行時，磁阻轉矩進一步增大了牽入同步轉矩；在轉子達到同步速運行時，合成的****同步轉矩是磁滯效應和磁阻效應共同產(chǎn)生的，因此它的失步轉矩增大，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就是這種電動機的雛型。70年代磁滯一磁阻電動機的轉子結構，大都是將轉子外圓磨出平面或在轉子外表面開對稱的小槽，平面數(shù)或小槽數(shù)等于電動機的極數(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的結構特點，并舉實例對比磁阻一磁滯電動機和普通磁滯電動機的額定運行性能和失步點的性能。

1  結構特點

    均勻氣隙的單相磁滯一磁阻電動機的原理線路和轉子結構示意圖如圖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。

原理線路和轉子結構示意圖如圖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實例和比較

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

    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，新設計的磁滯一磁阻電動機采用與上述磁滯電動機完全相同的定子，轉子環(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

實踐表明，磁滯—磁阻電動機的****轉矩與比值β=b_p／τ，△d／D_i1／2和s／△d有密切關系。計算和試驗證明宜取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

    上述二個轉子的剖面圖如圖3a和b所示。

根據(jù)上述設計數(shù)據(jù)可計算出磁滯一磁阻電動機的參數(shù)：

r_l(75℃)=31．02Ω，R_hd=21．73Ω，

R_hq=259．38Ω，R_d=52．75Ω，

R_q=290．40Ω．應用文獻[3]提供的理論計算和試驗方法求得的同步電抗如表1所示。

磁滯一磁阻電動機的穩(wěn)態(tài)特性如圖4所示。由于計算參數(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，故計算值與試驗值之間稍有差異。

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

至于失步點的性能，亦可列出對比表，如表3所示。

可見，磁滯——磁阻電動機的各項性能均優(yōu)于普通磁滯電動機。

3結論

a．從表2可看出，在電機基本尺寸和所用材料相同的條件下，磁滯一磁阻電動機的額定輸出功率和轉矩可比普通磁滯電動機提高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，磁滯一磁阻電動機失步點的性能也能優(yōu)于普通磁滯電動機。失步轉矩數(shù)增大了一倍多；穩(wěn)定同步運行的范圍擴大了，普通磁滯電動機的失步轉矩角即為****磁滯角．

而磁滯一磁阻電動機的失步轉矩角增大為

    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，頻率和電動機參數(shù)一定時，電磁轉矩為功率角θ的函數(shù)，比值X_q／X_d和R_d／X_d愈小，****電磁轉矩愈大。