同步磁阻电动机研究

合集下载
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。

同步磁阻电动机研究

作者:佚名文章来源:不详点击数:219 更新时间:2006-5-18

同步磁阻电动机研究

吴汉光, 林秋华, 游琳娟

(福州大学电气工程系,福建福州350002)

摘要:该文根据能量平衡观点,以异步电动机为参照,较全面地分析了

X

、X q和凸极比K对磁阻电动机性能的影响,讨论了凸极比适合值的选择问题,d

并指出对cos j小于0.85以下的小容量电机,同步磁阻电动机在应用中可与异步电动机匹敌。

关键词:同步磁阻电动机;凸极比;异步电动机

同步磁阻电动机由于结构简单,转子不存在电磁损耗,能避免开关磁阻电机的噪声大及低速运行时力矩脉动显著等缺点,近年来逐渐引起人们的研究兴趣,特别是1991年著名学者T.A.Lipo教授发表文章提出同步磁阻电动机在交流驱动系统中替代异步电动机的可能性的问题[1]以后,更引起众多学者的关注。遗憾的是所发表的文章都是以分马力电机为例来讨论问题,而这种微型电机在交流系统中占不了什么位置。然而,替代大量使用的异步电动机是一个重要的命题。它不仅在性能上意味着同步磁阻电动机能等同或超过异步电动机,而且在容量上至少要达到kW级,不能只在分马力电机中打转。在认真对待同步磁阻电动机的应用前景时,首先引起研究者注意的是如何克服长期以来阻碍同步磁阻电动机广泛应用的功率因数偏低及与同尺寸的异步电动机比较其出力偏小的问题。从同步电机的基本运行原理来看,它与磁阻电动机的凸极比密切相关。所以,迄今为止大量研究文章都聚焦于寻找增大同步磁阻电动机凸极比的方法上。然而,电机是机电能量转换的机械,它的运行规律必须遵守能量转换规律。能量必须有载体,而载体在承载能量时有限制。这是讨论问题的前提和依据。凸极比只能在这个限制下发挥作用。据此,本文展开了对磁阻电动机的研究,并认为同步磁阻电机与同容量的鼠笼电机有共同的定子,它们只是在转子结构上不同。在此基础上来研究同步磁阻电动机的应用前景。

2 相量图与基本公式

图1为同步磁阻电机的相量图。根据这个相量关系可以导出同步磁阻电机的基本公式如下:

电压方程:

参数方程:

输入功率和输出转矩:

3 几个问题的分析

3.1 出力与凸极比的关系

若忽略定子绕组电阻r,则电机输出转矩表达式(8)简化为:

可见,电机的输出转矩随凸极比增大,这正是迄今为止大多数研究文章追求高凸极比的重要原因。然而从能量平衡的观点看,电机的输出是由输入决定的。因笔者认为同步磁阻电动机与普通交流电机有共同的定子,则电机的输入相电压U、

相电流I的允许值可认为是确定的,即电机的视在功率S=mUI一定,这样输入功率P=mUIcos

Φ只有在cosΦ的变化范围内能够适当调整,则同步磁阻电动机的输出力矩不可能随K无限增大。其次,若将异步电动机的过载能力作为同步磁阻电

动机的参考指标,则由KM=1/sin2θ

e

可得在额定工作状态下的功角

θe=1/2arcsin(1/KM)。Y系列异步电动机过载能力的实际值大体在2-3的范围,则性能与异步电动机相匹敌的磁阻电动机的θe约在10°-15°的范围,由式(11),K值也就大体确定了范围。显然,过分追求增大凸极比也没必要。

为了方便对所讨论的磁阻电动机的性能与相同定子的异步电动机作比较,将部分Y系列4极异步电动机的若干数据列于表1。

3.2 凸级比K与参数x d、x q的取值问题

3.2.1 X d、X q及K的可能取值范围

X

d

、X q的数值在频率确定时是电机磁路磁阻大小的反映。在构成电机磁路的材料中,硅钢片的导磁性能最好,磁阻最小,而空气的磁阻最大。因此,无论同步磁阻电动机的转子采用什么结构形式,可能获得的最小磁阻必大于有同样大小气隙的、转子由硅钢片构成的圆柱体所形成的电机磁阻。后者可以认为与有相同结构尺寸的异步电机激磁电抗X m相对应(或近似地认为异步电动机的空载电抗

X

)即X d max≤X m。从另一个角度考虑,任何结构的转子所形成的电机磁路磁阻最大值不可能超过定子相同而将转子抽出的异步电动机所形成的磁路磁阻。若将转子抽出所得的异步电动机的电抗为X p,则X q min≥X p。上述两种极端情况不可能同时出现在同步磁阻电动机的结构之中。因此,X d、X q的取值在X m与X p之间,相应的凸极比K必小于X m/ X p。考虑到实际结构及制造工艺的问题,以异步电机的短路电抗X K作为X q的下限更有实际意义,则最大可能的凸极比K max≈Xm/XK。Y90S-4异步电机短路电抗实测值为X K=15.82 W,抽出转子后测得X p=8.49 W,由表1可知其X m=220/1.3=169.23 W,则若将这种电机改变转子结构成为同步磁阻电机,理

论上的凸极比极限值为K

max≈Xm/XP =19.93,而实际能做到的最大凸极比约为K

max≈Xm/XK

=

10.7。

3.2.2 X d、X q的适合值

分析图1的相量关系可见,如果X d、X q或I d、I q变化,点C将在以AB为直径的半圆弧上移动(A点本身也有微小的变化)。此时有:

式(13)表明,点C的位置是I d、I q、X d、X q的函数,其轨迹是以OB为直径的半圆弧。但是从几何观点看,当U和I确定时,点C的位置又是功率因数角j和功角θ的函数。若点C确定,从相量图上看就是功角θ被确定。假定要求在所确定的负载电流I时cos j为某一值,即Φ角被确定,则Ψ=Φ-θ就确定了,I d、I

也随之确定,这就有唯一对应的一组X d、X q值。换一个角度说,在电机的相电q

压U、相电流I确定的前提下,电机的功率因数是θ、X d、X q的函数,如果根据过载能力K M的要求选定在额定运行时的功角θe,则为使电机有某一cosΦ值,存在唯一适合的X d、X q值。

表2列出了将Y90S-4异步电动机改制成同步磁阻电动机时,为保持电机在额定电流时的coxΦ= 0.788,不同的q e所要求的X d、X q及K值。可见如要求电机的过载能力K M = 2,电机的参数应为:X d = 185.38、X q = 25.81,K = 7.19。若要求K M = 3,相应的q e = 9.7356,则X d = 157.16、X q = 19.217,K = 8.17。所以电机参数有其与性能相应的适合值,如参数不能满足要求,就得不到相应的性能。

3.3 功率因数cos j与凸极比K的关系

同步磁阻电动机的功率因数总是滞后的,而且由于其可能的d轴最小磁阻与异步电动机相当,所以从输入电源来看,磁阻电机负载时表现出来的磁阻可能会比异步电动机大,则当两者的输入电流相同时,磁阻电机的励磁电流分量就有可能要比异步电动机大。这正是长期以来磁阻电动机cos j偏低的原因。

从表2数据看到:在U、I确定的条件下,为保持某一确定的cosΦ,凸极比K随所选择的功角q e变化,并存在最小值。这究竟是特例还是普遍规律?分析如下:

由式(5)、(6)并考虑到式(3)、(4)可得:

相关文档
最新文档