鐵氧體單相永磁輔助磁阻同步電動機(jī)研究

劉天知，李新華，張建華

(湖北工業(yè)大學(xué)，武漢 430068)

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鐵氧體單相永磁輔助磁阻同步電動機(jī)研究

劉天知，李新華，張建華

(湖北工業(yè)大學(xué)，武漢 430068)

研究一種新型鐵氧體單相永磁輔助式磁阻同步電動機(jī)。這種電機(jī)與釹鐵硼永磁單相同步電動機(jī)效率接近，但制造成本低，具有較高的性價(jià)比。文章首先對同一規(guī)格的單相異步電動機(jī)、釹鐵硼永磁單相同步電動機(jī)和鐵氧體單相永磁輔助式磁阻同步電動機(jī)三種單相電機(jī)進(jìn)行了建模及仿真比較，然后分析了鐵氧體單相永磁輔助式磁阻同步電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能，最后給出了22 W鐵氧體單相永磁輔助式磁阻同步電動機(jī)樣機(jī)的部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析。

鐵氧體；單相永磁輔助磁阻同步電動機(jī)；磁阻轉(zhuǎn)矩；仿真分析；樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

0 引 言

電容起動與運(yùn)轉(zhuǎn)式單相異步電動機(jī)(以下簡稱單相異步電機(jī))在家用電器中得到了廣泛應(yīng)用。但單相異步電機(jī)存在較大的轉(zhuǎn)差損耗，效率低，如果用釹鐵硼永磁單相同步電動機(jī)(以下簡稱釹鐵硼單相電機(jī))代替單相異步電機(jī)，效率會有明顯上升[1]。然而隨著釹鐵硼永磁材料價(jià)格的不斷上漲，釹鐵硼單相電機(jī)的制造成本增加，市場競爭力減弱；另一方面，釹鐵硼單相電機(jī)起動過程中存在較大的永磁制動轉(zhuǎn)矩，電機(jī)帶有較大慣量負(fù)載起動時(shí)會比較困難[2-3]。

近幾年，鐵氧體永磁輔助式磁阻同步電動機(jī)引起了人們的廣泛關(guān)注[4-7]。本文研究一種新型鐵氧體單相永磁輔助式磁阻同步電動機(jī)(以下簡稱鐵氧體單相電機(jī))。鐵氧體單相電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與單相異步電機(jī)相同，即定子上為兩相正交繞組，且在輔相繞組中串入了電容器；轉(zhuǎn)子上有起動籠和多層槽結(jié)構(gòu)，槽內(nèi)放置鐵氧體永磁材料。鐵氧體單相電機(jī)與釹鐵硼單相電機(jī)相比優(yōu)勢是十分明顯的：首先，鐵氧體單相電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩中永磁轉(zhuǎn)矩比重減小，不需要較大的空載氣隙磁場，可以使用比較廉價(jià)的鐵氧體永磁材料，這樣鐵氧體單相電機(jī)的制造成本降低，與此同時(shí)，經(jīng)過合理設(shè)計(jì)的鐵氧體單相電機(jī)的效率可以接近或者達(dá)到釹鐵硼單相電機(jī)的效率，因此，鐵氧體單相電機(jī)具有很高的性價(jià)比；其次，由于鐵氧體單相電機(jī)的空載氣隙磁場很低，異步起動過程中的永磁制動轉(zhuǎn)矩比較小，同步過程相對容易，可以帶較大慣量的負(fù)載起動；再次，鐵氧體電機(jī)耐高溫能力比釹鐵硼電機(jī)強(qiáng)；第四，三相永磁輔助式磁阻同步電動機(jī)的功率因數(shù)比較低[8]，但鐵氧體單相電機(jī)定子輔相繞組中串入了電容器，可以有較高的功率因數(shù)。綜上，鐵氧體單相電機(jī)是一種低成本、高性能的單相電機(jī)，在家用電器等領(lǐng)域有著良好應(yīng)用前景。

1 比較分析

為了比較單相異步電機(jī)、釹鐵硼單相電機(jī)和鐵氧體單相電機(jī)的起動和穩(wěn)態(tài)性能，下面使用Maxwell軟件對上述三種單相電機(jī)進(jìn)行仿真分析。為此分別構(gòu)建表1所示規(guī)格單相異步電機(jī)、釹鐵硼單相電機(jī)和鐵氧體單相電機(jī)的仿真模型，如圖1所示。三種單相電機(jī)具有相同的定子鐵心和繞組，定子均為24槽。釹鐵硼單相電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)取自文獻(xiàn)[3]。仿真時(shí)假定為泵類負(fù)載。

表1 單相電機(jī)的主要參數(shù)

(a)單相異步電機(jī)(b)釹鐵硼單相電機(jī)(c)鐵氧體單相電機(jī)

圖1 三種單相電機(jī)的仿真模型

圖2給出了三種單相電機(jī)起動過程轉(zhuǎn)速的仿真波形?？梢?，單相異步電機(jī)起動過程最為平滑，但起動過程比較長；而釹鐵硼單相電機(jī)和鐵氧體單相電機(jī)起動過程則相對較短，鐵氧體單相電機(jī)牽入同步過程比較順利，釹鐵硼單相電機(jī)同步前存在明顯的轉(zhuǎn)速振蕩現(xiàn)象。

圖2 三種單相電機(jī)的起動過程方正

表2給出了三種單相電機(jī)的穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果。表中效率計(jì)算時(shí)只考慮了電機(jī)的銅耗和鐵耗，電機(jī)效率的計(jì)算值會偏高。

表2 三種單相電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果

表2結(jié)果表明，三種單相電機(jī)的功率因數(shù)基本相同，但與單相異步電機(jī)相比，釹鐵硼單相電機(jī)和鐵氧體單相電機(jī)的效率都有大幅上升，鐵氧體單相電機(jī)效率略低于釹鐵硼單相電機(jī)。釹鐵硼單相電機(jī)永磁材料質(zhì)量為0.027 kg/臺，鐵氧體單相電機(jī)永磁材料質(zhì)量為0.045 kg/臺，鐵氧體單相電機(jī)永磁材料成本只有鐵氧體單相電機(jī)的1/4左右。

2 性能分析

釹鐵硼單相電機(jī)主要由永磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動，然而鐵氧體單相電機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩比重明顯上升，因此這種電機(jī)在性能上與釹鐵硼單相電機(jī)有一定差別。

2.1 空載氣隙磁密和電動勢

對圖1(b)、(c)所示的鐵氧體單相電機(jī)和釹鐵硼單相電機(jī)進(jìn)行仿真，空載氣隙磁密和空載相電動勢波形如圖3、圖4所示。

圖3 空載氣隙磁密

圖4 空載相電動勢

鐵氧體單相電機(jī)和釹鐵硼單相電機(jī)的氣隙磁密基波幅值分別為0.13 T和0.77 T，前者只有后者的1/6；鐵氧體單相電機(jī)和釹鐵硼單相電機(jī)的電動勢基波分別為36 V和215 V，兩者相差6倍?？梢?，鐵氧體單相電機(jī)的空載氣隙磁密和電動勢是很低的。

2.2 主輔相電流

圖5給出了是鐵氧體單相電機(jī)和釹鐵硼單相電機(jī)相、線電流和功率的關(guān)系曲線，該圖是在電機(jī)輔相繞組串聯(lián)2 μF電容時(shí)仿真得到的。從圖可知，兩種電機(jī)的線電流和輔相電流變化規(guī)律基本相同，但釹鐵硼單相電機(jī)的主相電流有一個(gè)最小值，而鐵氧體單相電機(jī)的主相電流則隨輸出功率增加呈下降趨勢。

(a)鐵氧體單相電機(jī)(b)釹鐵硼單相電機(jī)

圖5 兩種單相電機(jī)電流與輸出功率的關(guān)系

2.3 功角特性

圖6給出了鐵氧體單相電機(jī)和釹鐵硼單相電機(jī)矩角特性的仿真曲線。可見，鐵氧體單相電機(jī)最大電磁轉(zhuǎn)矩時(shí)的功角比釹鐵硼單相電機(jī)的大。由于鐵氧體單相電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩比釹鐵硼單相電機(jī)的大，導(dǎo)致鐵氧體單相電機(jī)最大電磁轉(zhuǎn)矩對應(yīng)功角增大；另一方面，鐵氧體單相電機(jī)在功角0°～70°范圍內(nèi)的電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)，屬制動性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩。

圖6 兩種電機(jī)的矩角特性曲線

2.4 永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩

釹鐵硼單相電機(jī)氣隙磁密高，永磁轉(zhuǎn)矩大；鐵氧體單相電機(jī)氣隙磁密低，永磁轉(zhuǎn)矩較小。圖7給出了鐵氧體單相電機(jī)和釹鐵硼單相電機(jī)永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩的仿真結(jié)果。鐵氧體單相電機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩占總轉(zhuǎn)矩的64.3%，釹鐵硼單相電機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩只占總轉(zhuǎn)矩的23.4%，可見，鐵氧體單相電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩利用率較高。

圖7 兩種電機(jī)的轉(zhuǎn)矩比較

3 樣機(jī)試制及實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證鐵氧體單相電機(jī)的性能，作者設(shè)計(jì)并制作了一臺22 W鐵氧體單相電機(jī)(以下簡稱樣機(jī))。表3是樣機(jī)設(shè)計(jì)的主要參數(shù)。該樣機(jī)定子鐵心和繞組與22 W單相異步電機(jī)相同，轉(zhuǎn)子鐵心由軸鋼切割制成，每極上有二層“U”形槽，圖8為樣機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心，為了便于試制，起動籠用圓的紫銅條和紫銅環(huán)焊接而成。圖9 為樣機(jī)負(fù)載實(shí)驗(yàn)平臺。圖10是1 000 r/min時(shí)樣機(jī)空載發(fā)電時(shí)主、輔相電動勢實(shí)驗(yàn)波形。由于定轉(zhuǎn)子均開槽，電動勢中的齒諧波比較大，如果定子采用斜槽，電動勢波形會得到一定改善。

表3 鐵氧體單相電機(jī)樣機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

圖8 22W樣機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心圖9 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺

圖8 22W樣機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心圖9 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺

圖10 樣機(jī)主輔相空載相電動勢波形

對樣機(jī)進(jìn)行負(fù)載實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)輔相外接1.5 μF電容器，負(fù)載為型號QSZC-0.5的磁滯測功機(jī)。圖11是樣機(jī)負(fù)載特性曲線。由圖可知，樣機(jī)額定功率因數(shù)cosφ1=0.99，額定效率ηN= 44%。同規(guī)格單相異步電機(jī)的額定效率為38%，與單相異步電機(jī)相比效率提高了6%。

圖11 樣機(jī)的負(fù)載特性曲線

需要說明的是，由于受鐵氧體材料尺寸等限制，樣機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尚未充分優(yōu)化，因此，鐵氧體單相電機(jī)的效率還有較大的提升空間。

4 結(jié) 語

鐵氧體單相電機(jī)是一種新型的單相同步電動機(jī)。這種電機(jī)充分發(fā)揮了磁阻轉(zhuǎn)矩的作用，不需要使用價(jià)格較高的釹鐵硼永磁材料，可以接近或達(dá)到釹鐵硼單相電機(jī)的力能指標(biāo)，具有良好的性價(jià)比，在家用電器等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。

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Study of Ferrite Single-Phase Permanent-Magnet Assisted Synchronous Reluctance Motor

LIUTian-zhi,LIXin-hua,ZHANGJian-hua

(Hubei University of Technology,Wuhan 430068,China)

A novel-type ferrite single-phase permanent-magnet assisted reluctance synchronous motor was mainly studied in the paper.Compared with the NdFeB single-phase synchronous motor, this machine has lower manufacturing cost and higher performance with almost the same efficiency.Firstly, the simulation models of the single-phase induction motor, NdFeB single-phase synchronous motor and ferrite single-phase synchronous motor were built with the same specification and performances above motors are compared; Secondly, some steady-state performances of single-phase ferrite permanent-magnet assisted reluctance synchronous motor were analyzed by the simulation；Lastly, some experimental results and analysis were presented about the prototype of 22 W ferrite single-phase permanent-magnet assisted reluctance synchronous motor.

ferrite; single-phase permanent magnet assisted synchronous reluctance motor; reluctance torque; simulation analysis; prototype test

2015-07-31

TM351；TM352

A

1004-7018(2016)09-0001-03