復(fù)合實(shí)心轉(zhuǎn)子磁阻電動(dòng)機(jī)
起動(dòng)性能分析
程 明 (東南大學(xué))
【摘要】運(yùn)用狀態(tài)變量法，建立磁阻電動(dòng)機(jī)暫態(tài)性能的數(shù)學(xué)模型，導(dǎo)出了磁阻電動(dòng)機(jī)狀態(tài)方程的直接表達(dá)式，并采用定步長(zhǎng)四階龍格一庫(kù)塔法對(duì)復(fù)合實(shí)心轉(zhuǎn)子磁阻電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能進(jìn)行數(shù)字仿真計(jì)算，所得結(jié)果與試驗(yàn)值較為一致。與凸極實(shí)心轉(zhuǎn)子磁阻電動(dòng)機(jī)相比，復(fù)合實(shí)心轉(zhuǎn)子磁阻電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速脈動(dòng)小，暫態(tài)過(guò)程短。
【敘詞】磁阻電動(dòng)機(jī)，實(shí)心轉(zhuǎn)子，狀態(tài)方程，數(shù)學(xué)模型，起動(dòng)，性能，數(shù)字仿真
引 言
磁阻電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固耐用、運(yùn)行可靠和價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者作了大量深入的理論和試驗(yàn)研究，提出了多種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，電機(jī)性能指標(biāo)明顯提高。到目前為止，磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子型式歸納起來(lái)主要有凸極式、分塊式、磁障式等幾種。其中，凸極式結(jié)構(gòu)******，但電機(jī)性能較差，分塊式和磁障式電機(jī)的性能較好，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。通常，磁阻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子由硅鋼片疊成。b．j．chalmers首次在磁阻電動(dòng)機(jī)中采用了實(shí)心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。與疊片轉(zhuǎn)子磁阻電機(jī)相比，實(shí)心轉(zhuǎn)子磁阻電動(dòng)機(jī)不僅結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、牢固，而且易于加工，電機(jī)的起動(dòng)特性好。但是，當(dāng)電機(jī)極數(shù)大于4時(shí)，實(shí)心轉(zhuǎn)子只宜采用凸極式結(jié)構(gòu)，因此電機(jī)穩(wěn)態(tài)性能不佳。本文在綜合分析磁障式轉(zhuǎn)子和實(shí)心轉(zhuǎn)子特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了在凸極實(shí)心轉(zhuǎn)子外面再套一個(gè)薄壁鋼套，構(gòu)成所謂的復(fù)合實(shí)心轉(zhuǎn)子，結(jié)構(gòu)如圖l所示。
復(fù)合實(shí)心轉(zhuǎn)子磁阻電機(jī)既保留了實(shí)心轉(zhuǎn)子電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，又具有磁障式磁阻電機(jī)的主要特點(diǎn)，電機(jī)損耗減小，效率較高，牽入轉(zhuǎn)矩較大。由于在實(shí)際應(yīng)用中，不僅要求磁阻電機(jī)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，在暫態(tài)性能方面也應(yīng)滿足可靠運(yùn)行的要求。因此，本文對(duì)復(fù)合實(shí)心轉(zhuǎn)子磁阻電機(jī)的起動(dòng)特性進(jìn)行分析，這對(duì)復(fù)合實(shí)心轉(zhuǎn)子磁阻電機(jī)的研制、開發(fā)和使用有著實(shí)際的意義。
l數(shù)學(xué)模型
在a、b、c座標(biāo)系下，磁阻電機(jī)的電壓方程為
中磁阻電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)方程。可用定步長(zhǎng)四階龍格一庫(kù)塔法進(jìn)行求解。
為了直觀，便于同試驗(yàn)結(jié)果比較，定子d，q軸電流應(yīng)轉(zhuǎn)換為a、b、c相電流輸出，其逆變換為
在對(duì)稱運(yùn)行情況下,io=0，則a相電流為
2計(jì)算結(jié)果及分析
一臺(tái)550w，380v，2a，5hz，y連接，3相4極的復(fù)合實(shí)心轉(zhuǎn)子磁阻電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖1所示，它的主要參數(shù)為
r1=9．32ω，x1=14．6ω，xd=189ω
xq=69ω xad=174.4ω,xaq=54．4ω
rω=3．513x 10-4n·m·s／rad
轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量jr=1．988×10-3kg·m2對(duì)于疊片式轉(zhuǎn)子電機(jī)，在起動(dòng)性能數(shù)值計(jì)算中通常認(rèn)為轉(zhuǎn)子參數(shù)保持某一定值不變。但對(duì)實(shí)心轉(zhuǎn)子磁阻電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，這一假設(shè)將會(huì)導(dǎo)致明顯誤差。由圖2可見，實(shí)心轉(zhuǎn)子電機(jī)的轉(zhuǎn)子參數(shù)均為轉(zhuǎn)差率s的函數(shù)，不再為常數(shù)。在電機(jī)起動(dòng)性能仿真計(jì)算中應(yīng)考慮這一影響。
數(shù)值計(jì)算開始δ=l，由圖中曲線查得相應(yīng)的轉(zhuǎn)子參數(shù)，計(jì)算起動(dòng)特性，然后由計(jì)算得到的新的s值查取新的轉(zhuǎn)子參數(shù)，計(jì)算第2點(diǎn)，如此逐點(diǎn)計(jì)算。
圖3為tl=o，j=jr時(shí)復(fù)合實(shí)心轉(zhuǎn)子磁阻電動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能的數(shù)字仿真計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)曲線。由圖中可知，仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)曲線吻合較好，如果在起動(dòng)性能計(jì)算中，使電機(jī)的轉(zhuǎn)子阻抗保持不變，則計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果明顯不符，如圖4所示。
還對(duì)一臺(tái)凸極實(shí)心轉(zhuǎn)子磁阻電機(jī)的起動(dòng)性能進(jìn)行了仿真計(jì)算。該電機(jī)與前述復(fù)合實(shí)心轉(zhuǎn)子磁阻電機(jī)的差別在于轉(zhuǎn)子為無(wú)鋼套的凸極轉(zhuǎn)子，可由圖l中令鋼套壁厚d為零而得，其余結(jié)構(gòu)參數(shù)與圖l相同。起動(dòng)性能曲線如圖5所示。比較圖3和圖5可知，凸圾實(shí)心轉(zhuǎn)子磁阻電機(jī)起動(dòng)后，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的脈動(dòng)分量較大，電機(jī)需較長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)。說(shuō)明復(fù)合實(shí)心轉(zhuǎn)子中的鋼套可有效地改善電機(jī)的起動(dòng)性能。
|
