組合式轉(zhuǎn)子電機開環(huán)穩(wěn)定性探討

陳學(xué)珍,陳旭武,劉 俊

(湖北理工學(xué)院 電氣與電子信息工程學(xué)院，湖北 黃石 435003)

組合式轉(zhuǎn)子電機開環(huán)穩(wěn)定性探討

陳學(xué)珍,陳旭武,劉 俊

(湖北理工學(xué)院 電氣與電子信息工程學(xué)院，湖北 黃石 435003)

組合式轉(zhuǎn)子電機的轉(zhuǎn)子由面貼式永磁段和高密度軸向疊片磁阻段組合而成。分析了2段d軸之間的夾角α對電機穩(wěn)定性的影響，得出了組合式轉(zhuǎn)子電機穩(wěn)定運行時α角應(yīng)滿足的條件，并分別對α=0，α=45°和α=90°時3臺組合式轉(zhuǎn)子電機進行開環(huán)空載起動實驗。實驗結(jié)果表明該理論分析是正確的，為該組合式轉(zhuǎn)子電機實用化提供了有力的理論依據(jù)。

組合式轉(zhuǎn)子；穩(wěn)定；開環(huán)

隨著永磁材料的發(fā)展及價格的降低，永磁同步電機備受關(guān)注。我國雖盛產(chǎn)永磁材料，但大量使用也會導(dǎo)致資源饋乏，且永磁電機調(diào)速范圍窄。因此既能節(jié)省永磁材料又能保留永磁電機優(yōu)點，還能擴寬調(diào)速范圍的電機才具有很好的發(fā)展前景，組合式轉(zhuǎn)子電機正是這樣的產(chǎn)物。組合式轉(zhuǎn)子電機的定子與三相感應(yīng)電機的定子相同，轉(zhuǎn)子由高密度軸向疊片各向異性(ALA)磁阻段和面貼式永磁(SPM)段組合而成。ALA轉(zhuǎn)子電機具有寬調(diào)速范圍的優(yōu)點[1-3]，克服了永磁電機弱磁難的缺點，合理設(shè)計可使組合式轉(zhuǎn)子電機充分發(fā)揮ALA磁阻電機和永磁電機的優(yōu)點。文獻[4-5]在相鄰疊片之間填充合適的永磁材料，討論了非線性轉(zhuǎn)矩特性和控制方式。文獻[6]通過根軌跡方法分析了4極組合式轉(zhuǎn)子電機的穩(wěn)定性，并提出了附加機械慣性阻尼器可以改善電機的動穩(wěn)態(tài)性能，實驗驗證了此方法簡單、有效可行。文獻[7]研究了4極組合式轉(zhuǎn)子電機永磁段占轉(zhuǎn)子全長比例k、永磁段d軸與ALA段d軸之間的夾角α對電機最大電磁轉(zhuǎn)矩和弱磁能力的影響。本文主要討論了α角對4極組合式轉(zhuǎn)子電機開環(huán)穩(wěn)定性能的影響。結(jié)果表明α角需滿足一定的條件轉(zhuǎn)子電機才能穩(wěn)定運行。

1 組合式轉(zhuǎn)子電機的結(jié)構(gòu)和基本方程式

組合式轉(zhuǎn)子電機由SPM段和ALA段組合而成，4極組合式轉(zhuǎn)子電機結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 4極組合式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖

為避免漏磁，在SPM段和ALA段之間加一定寬度的隔磁環(huán)。

組合式轉(zhuǎn)子電機在dq坐標系下的向量圖如圖2所示，顯然4極組合式轉(zhuǎn)子電機的α角范圍為0≤α≤90°。圖1中de、qe和dp、qp分別為ALA段d軸、q軸和SPM段d軸、q軸；Ψf為永磁磁鏈；δ為功角。

圖2 組合式轉(zhuǎn)子電機在dq坐標系下的向量圖

狀態(tài)方程為：

(1)

式(1)中，B為機械粘性摩擦阻尼系數(shù)；ωs為定子同步電角速度；P為極對數(shù)；TL為負載轉(zhuǎn)矩；J為電機的轉(zhuǎn)動慣量。

2 組合式轉(zhuǎn)子電機穩(wěn)定性能分析

將式(1)進行小信號線性化得線性狀態(tài)方程為:

(2)

其中:

Δu=ΔTL

式A(x)中下標為“0”的是穩(wěn)態(tài)值。

將式(2)結(jié)合勞斯判據(jù)得系統(tǒng)穩(wěn)定必須滿足:

(3)

解式(3)得：δ0+β<α≤π+δ0-γ

(4)

(5)

結(jié)合α的實際范圍得：

δ0+β<α≤90°

(6)

考慮到式(6)的β角與ω0有關(guān)，由式(5)知ω0越大，β越大。顯然，在同樣的電機參數(shù)下，α越小，電機穩(wěn)定運行的速度越低；α越大，電機穩(wěn)定運行的速度越高。

3 組合式轉(zhuǎn)子電機實驗研究

3.1組合式轉(zhuǎn)子電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

實驗樣機的定子與普通三相異步電動機Y100L1-4一樣，轉(zhuǎn)子由ALA段和SPM段組合而成。圖3是組合式轉(zhuǎn)子電機ALA段d軸和SPM段d軸之間夾角α分別為0°，45°和90°的轉(zhuǎn)子實物圖。

(a) α=0°

(b) α=45°

(c) α=90°

3.2組合式轉(zhuǎn)子電機的等效電感參數(shù)測量

將電機任意兩相繞組接正弦電源，采用靜態(tài)法測得的參數(shù)作為電機的實際參數(shù)。圖4分別為α=0°，α=45°和α=90°的組合式轉(zhuǎn)子電機交軸電感Lq、直軸電感Ld與相電流的關(guān)系[8]曲線。

(a) α=0°

(b) α=45°

(c) α=90°

從測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)3種組合式轉(zhuǎn)子電機對應(yīng)的Ld、Lq曲線隨電流變化趨勢相似，Lq基本不隨電流的變化而變化，且值較??；Ld具有飽和特性，電流小于0.8 A時Ld隨電流的增大而增大，達到最大值后隨電流的增大而減小，飽和后基本不變，最終Ld>Lq。測量結(jié)果表明組合式轉(zhuǎn)子電機具有ALA轉(zhuǎn)子電機各向異性的特點，等效電感基本不受α角的影響。

3.3實驗

實驗使用Panasonic公司的通用變頻器M1X374BSA供電，變頻器供電下4極組合轉(zhuǎn)子電機空載起動實驗線路圖如圖5所示。

圖5 變頻器供電下4極組合轉(zhuǎn)子電機空載起動實驗線路圖

α=0的組合式轉(zhuǎn)子電機變頻器空載起動限流未能測得轉(zhuǎn)速波形。手動升頻的實驗結(jié)果記錄于表1中。實驗現(xiàn)象如下：當電源頻率低于10 Hz時，電機能同步升速；在15～40 Hz之間時，隨著電源頻率上升，電機振蕩劇烈，電流顯著增大，噪聲大；當電源頻率升到41 Hz時變頻器限流。

表1 逆變器供電下4極組合式轉(zhuǎn)子電機空載起動實驗記錄

α=45°的組合式轉(zhuǎn)子電機空載起動能自動升速到額定轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行，用示波器記錄了逆變器加速時間分別設(shè)定為20 s和2.5 s時的轉(zhuǎn)速曲線如圖6所示 (電機的額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，縱軸每格對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為345 r/min,下同)。從圖6中可以看出，電機在起動過程中出現(xiàn)了明顯波動。

(a) 起動時間為20 s

(b) 起動時間為2.5 s

α=90°的組合式轉(zhuǎn)子電機自動升頻空載起動的轉(zhuǎn)速曲線如圖7所示。電機在從0～1 500 r/min自動升速的過程中，轉(zhuǎn)速波動不明顯，且具有快速響應(yīng)能力。

4 結(jié)論

組合式轉(zhuǎn)子電機2段d軸之間的夾角對電機開環(huán)空載起動穩(wěn)定性影響很大，理論分析得出：α越小，電機穩(wěn)定運行的速度越低；α越大，電機穩(wěn)定運行的速度越高。通過3種組合式轉(zhuǎn)子電機開環(huán)變頻空載起動實驗，驗證了理論分析的正確性。

[1] 辜承林，易明軍.軸向迭片各向異性轉(zhuǎn)子電機振蕩及異步運行分析[J].中國電機工程學(xué)報,2000,20(12):7-10.

[2] Chalmers B J,Musaba L.Design and field-weakening performance of a synchronous reluctance motor with axially-laminated rotor [J].IEEE Transactions on Industry Applications,1998,34(5):1035-1041.

[3] 辜承林,Chalmers B J.高密度軸向疊片式ALA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.

[4] 趙宇,寧圃奇,柴建云.新型復(fù)合轉(zhuǎn)子永磁磁阻電機設(shè)計[J].電機與控制應(yīng)用,2007,34(1):7-10.

[5] 郭偉,趙爭鳴.新型同步磁阻永磁電機的結(jié)構(gòu)與電磁參數(shù)關(guān)系分析[J].中國電機工程學(xué)報, 2005,25(11):124-128.

[6] 陳學(xué)珍,辜承林.組合轉(zhuǎn)子同步電機穩(wěn)定性探討[J].電機與控制學(xué)報,2010,14(12):41- 46.

[7] 陳學(xué)珍，辜承林.ALA+SPM組合轉(zhuǎn)子同步電機設(shè)計探討[J].中國電機工程學(xué)報,2010,30(21):98-102.

[8] 陳學(xué)珍.新型ALA+SPM合式轉(zhuǎn)子電機設(shè)計及實驗研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2011.

(責(zé)任編輯吳鴻霞)

Research on Open-loop Stability of Combined Rotor Machine

ChenXuezhen，ChenXuwu，LiuJun

(School of Electrical and Electronic Information Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003)

The combined rotor machine is made up of a high density axially laminated magnetic reluctance segment and a surface permanent magnet segment.Influences on the stability of the machine are analyzed for the different angleαbetween two-part d-axis,the conclusion has been drawn that the stable operation of the combined rotor motor can be obtained when the angleαmeets the certain conditions. And open-loop and no-load starting experiments on combined rotor motor are respectively completed whenα=0,α= 45° andα=90°,the experimental results show that theoretical analysis is correct,which provides the reliable theoretical evidence for the combined rotor motor to realize the practical application.

combined rotor;stability;open-loop

2013-10-18

湖北理工學(xué)院優(yōu)秀中青年創(chuàng)新團隊項目；湖北理工學(xué)院創(chuàng)新人才項目(項目編號13xjz04C)；湖北省優(yōu)秀中青年創(chuàng)新團隊項目(項目編號T201223)；湖北省教育廳項目(項目編號B2013068)。

陳學(xué)珍(1971— )，女，教授，博士，研究方向：特種電機的設(shè)計與控制。

10.3969/j.issn.2095-4565.2014.01.001

TM351

A

2095-4565(2014)01-0001-04