組合轉子同步電機弱磁調速研究

陳學珍，徐　剛

(1湖北理工學院 電氣與電子信息工程學院，湖北 黃石 435003;2湖北三峽職業(yè)技術學院，湖北 宜昌 443000)

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組合轉子同步電機弱磁調速研究

陳學珍1，徐剛2

(1湖北理工學院 電氣與電子信息工程學院，湖北 黃石 435003;2湖北三峽職業(yè)技術學院，湖北 宜昌 443000)

針對永磁轉子電機弱磁難的缺點，設計制造了永磁段和高密度軸向疊片各向異性段組合的轉子同步電機。分析了組合轉子同步電機弱磁調速原理，結構上削弱了永磁體磁鏈，增大了直軸電感，易于弱磁。通過同步變頻發(fā)電機組供電實驗，得到調速范圍2倍于基速。表明組合轉子電機弱磁性能優(yōu)于永磁電機。

組合轉子;同步電機;弱磁

多疊片結構的ALA同步磁阻電機的轉子表面光滑，磁阻變化連續(xù)[1-3]，大大減小了低速運行時轉矩脈動和噪聲，而且具有寬廣的調速范圍，但轉矩密度不高。永磁同步電機(SPM)具有高效、高功率因數(shù)和高轉矩密度的優(yōu)點[4-6]，但因永磁磁鏈遠大于直軸電樞反應磁鏈，調速范圍窄。文獻[7]在ALA轉子疊片之間填加永磁，成為一種復合轉子電機，改善了弱磁性能，但結構復雜。英國學者Chalmers首次提出將兩者按一定的比例組合，能夠克服各自的缺點，獲得更好的性能[8-9]。文獻[10]討論了組合轉子電機的穩(wěn)定性好于單一的ALA轉子電機。文獻[11]研究了不同組合轉子電機的負載特性，結果表明組合轉子結構不同，負載性能也不同，通過優(yōu)化轉子結構得到最佳負載特性電機。文獻[12]研究了組合轉子電機開環(huán)穩(wěn)定性，理論分析和實驗表明組合轉子永磁段和磁阻段偏轉角的大小對開環(huán)穩(wěn)定性影響很大。顯然，在組合電機穩(wěn)定性方面已做了大量研究工作，而在弱磁方面的研究比較少。本文主要研究組合轉子電機的弱磁調速性能。

1　組合式轉子電機弱磁調速原理

組合轉子的結構見圖1，SPM段與ALA段之間設置一個4 mm的隔磁環(huán)，為討論方便，設永磁段占轉子全長的比值為k。

(a)　SPM段截面

(b)　組合轉子的側視圖

(c)　ALA段截面

忽略電阻的影響，兩相dq旋轉坐標系相量圖如圖2所示。

由相量圖得電壓方程式:

(1)

其中:

(2)

式(2)中Lp為SPM段電感，Lda和Lqa分別為ALA段直軸電感和交軸電感。

圖2　組合轉子電機dq相量圖

(3)

當Id為極限電流Ilim，則電機理想的最高轉速計算表達式為:

(4)

將式(3)兩邊平方并整理得:

(5)

組合轉子電機Ld>Lq，由式(5)得電壓極限軌跡是橢圓，隨著ω增大，橢圓長軸和短軸縮小，橢圓變小。dq軸電流在電壓電流限制條件下軌跡如圖3所示。組合轉子電機電壓極限橢圓圓心在電流極限圓的圓外，電壓極限橢圓越小，轉速越高。

圖3　電壓電流極限軌跡

2　弱磁調速實驗

采用同步變頻發(fā)電機組進行弱磁調速實驗，考慮發(fā)電機組本身的容量、速度和機械強度的限制，選擇組合轉子電機的基準速度為600 r/min，相電壓為88 V。在調速過程中，保持相電壓不變，緩慢調節(jié)發(fā)電機組的頻率，以提高同步轉速。當組合轉子電機的速度超過600 r/min時，繼續(xù)升高發(fā)電機組的頻率，反電動勢就會比端電壓高，直軸電流反向，電機弱磁運行。分別保持恒功率600 W和800 W進行實驗，用轉速計測量轉速，得到恒功率弱磁曲線如圖4所示,圖4中實線為擬合曲線，點為實測值。由實測數(shù)據(jù)可得600 W恒功率調速范圍接近于2倍基速，相信采用弱磁控制器閉環(huán)調速會有更寬的調速范圍，后續(xù)文章將對其進行研究。

圖4　恒功率弱磁曲線

3　結束語

通過弱磁調速理論分析得出：由SPM段和ALA段組合而成的轉子電機在結構上削弱了永磁磁鏈，增大了直軸電感Ld，加強了直軸電樞反應，改善了弱磁，調速范圍比永磁電機寬。完成的同步變頻發(fā)電機組供電實驗得到2倍基速，充分證明組合轉子電機弱磁調速性能優(yōu)于單一的面貼式永磁同步電機。

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[11]陳學珍，陳旭武，劉俊.組合轉子電機穩(wěn)定性和負載性能比較研究[J].微特電機,2014，42(10)：1-3，12.

[12]陳學珍，陳旭武，劉俊.組合式轉子電機開環(huán)穩(wěn)定性探討[J].湖北理工學院學報，2014，30(1)：1-5.

(責任編輯吳鴻霞)

Research on Field-weakening Speed Adjusting of CombinedRotor Synchronous Motor

Chen Xuezhen1, Xu Gang2

(1School of Electrical and Electronic Information Engineering,HuBei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003;2Hubei Three Gorges Polytechnic,Yichang Hubei 443000)

Aiming at the difficult operation of Field-weakening on permanent magnet rotor motor,a rotor synchronous motor making up of permanent magnet section and high density Axially-Laminated Anisotropic(ALA)section is designed and manufactured.The field-weakening speed control principle of combined rotor synchronous motor is analyzed,the permanent magnet flux is weakened in structure,the direct axis inductance increases,field-weakening becomes easy.The experiment of synchronous variable frequency generator power supply has been done and the obtained adjusting speed range is 2 times of the base speed range,which verifies that the field-weakening performance of combined rotor motor can be better than that of the permanent magnet motor.

combined rotor;synchronous motor;field-weakening

2016-05-12

湖北省自然科學基金項目(項目編號：2014CFC1092);湖北理工學院創(chuàng)新人才項目(項目編號：13xjz04C)。

陳學珍，教授，博士，研究方向：電機及其控制。

10.3969/j.issn.2095-4565.2016.04.001

TM341

A

2095-4565(2016)04-0001-03