復合實心轉(zhuǎn)子磁阻電動機起動性能分析
程 明 （東南大學）
【摘要】運用狀態(tài)變量法，建立磁阻電動機暫態(tài)性能的數(shù)學模型，導出了磁阻電動機狀態(tài)方程的直接表達式，并采用定步長四階龍格一庫塔法對復合實心轉(zhuǎn)子磁阻電動機的起動性能進行數(shù)字仿真計算，所得結(jié)果與試驗值較為一致。與凸極實心轉(zhuǎn)子磁阻電動機相比，復合實心轉(zhuǎn)子磁阻電動機轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速脈動小，暫態(tài)過程短。
【敘詞】磁阻電動機，實心轉(zhuǎn)子，狀態(tài)方程，數(shù)學模型，起動，性能，數(shù)字仿真
引 言
磁阻電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、牢固耐用、運行可靠和價格低等優(yōu)點，近年來國內(nèi)外學者作了大量深入的理論和試驗研究，提出了多種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，電機性能指標明顯提高。到目前為止，磁阻電機的轉(zhuǎn)子型式歸納起來主要有凸極式、分塊式、磁障式等幾種。其中，凸極式結(jié)構(gòu)******，但電機性能較差，分塊式和磁障式電機的性能較好，但結(jié)構(gòu)較復雜。通常，磁阻電動機的轉(zhuǎn)子由硅鋼片疊成。B.J.Chalmersn首次在磁阻電動機中采用了實心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。與疊片轉(zhuǎn)子磁阻電機相比實心轉(zhuǎn)子磁阻電動機不僅結(jié)構(gòu)更簡單、牢固，而且易于加工，電機的起動特性好。但是，當電機極數(shù)大于4時，實心轉(zhuǎn)子只宜呆用凸極式結(jié)構(gòu)，因此電機穩(wěn)態(tài)性能不佳。本文在綜合分析磁障式轉(zhuǎn)子和實心轉(zhuǎn)子特點的基礎上，提出了在凸極實心轉(zhuǎn)子外面再套一個薄壁鋼套，構(gòu)成所謂的復合實心轉(zhuǎn)子，結(jié)構(gòu)如圖l所示。
復合實心轉(zhuǎn)子磁阻電機既保留了實心轉(zhuǎn)子電機的優(yōu)點，又具有磁障式磁阻電機的主要特點，電機損耗減小，效率較高，牽入轉(zhuǎn)矩較大。由于在實際應用中，不僅要求磁阻電機具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，在暫態(tài)性能方面也應滿足可靠運行的要求。因此，本文對復合實心轉(zhuǎn)子磁阻電機的起動特性進行分析，這對復合實心轉(zhuǎn)子磁阻電機的研制、開發(fā)和使用有著實際的意義。
1數(shù)學模型
在a、b、c座標系下，磁阻電機的電機電壓方程為：
據(jù)此不難導出磁阻電機在a，b，c座標系下的狀態(tài)方程，但是，電機繞組的自感和互感系數(shù)皆為轉(zhuǎn)子位置角日的周期性函數(shù)，這樣會給分析計算帶來一定困難，為此，引入如上的dqo變換。
對電流和磁鏈有類似的變換關(guān)系。經(jīng)運算可得
磁鏈方程為
將式(4)代入式(3)，整理后可得剄dqo座標系下磁阻電機的電壓狀態(tài)方程
電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子運動方程為
式(5)、(7)、(8)即組成dqo座標中磁阻電動機的狀態(tài)方程。可用定步長四階龍格一庫塔法進行求解。
為了直觀，便于同試驗結(jié)果比較，定子D，Q軸電流應轉(zhuǎn)換為a、b、c相電流輸出，其逆變換為
在對稱運行情況下．fo=0，則口相電流為
2計算結(jié)果及分析
一臺550W，380V．2A，5Hz，Y連接，3相4極的復合實心轉(zhuǎn)子磁阻電動機，其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖1所示，它的主要參數(shù)為
轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量Jr= 1.988xl0-3kg．m2
對于疊片式轉(zhuǎn)子電機，在起動性能數(shù)值計算中通常認為轉(zhuǎn)子參數(shù)保持某一定值不變。但對實心轉(zhuǎn)子磁阻電動機來說，這一假設將會導致明顯誤差。由圖2可見，實心轉(zhuǎn)子電機的轉(zhuǎn)子參數(shù)均為轉(zhuǎn)差S的函數(shù)，不再為常數(shù)。在電機起動性能仿真計算中應考慮這一影響。
數(shù)值計算開始δ=l，由圖中曲線查得相應的轉(zhuǎn)子參數(shù)，計算起動特性，然后由計箅得到的新的S值查取新的轉(zhuǎn)子參數(shù)，計算第2點，如此逐點計算。
圖3為TL =0，J= Jr時復合實心轉(zhuǎn)子磁阻電動機起動性能的數(shù)字仿真計算結(jié)果和試驗曲線。由圖中可知，仿真計算結(jié)果與試驗曲線吻合較好，如果在起動性能計算中，使電機的轉(zhuǎn)子阻抗保持不變，則計算結(jié)果與試驗結(jié)果明顯不符，如圖4所示。
還對一臺凸極實心轉(zhuǎn)子磁阻電機的起動性能進行了仿真計算。該電機與前述復合實心轉(zhuǎn)子磁阻電機的差別在于轉(zhuǎn)子為無鋼套的凸極轉(zhuǎn)子，可由圖1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。起動性能曲線如圖5所示。比較圖3和圖5可知，凸極實心轉(zhuǎn)子磁阻電機起動后，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的脈動分量較大，電機需較長時間才能達到穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)。說明復合實心轉(zhuǎn)子中的鋼套可有效地改善電機的起動性能。
3結(jié)論
本文運用狀態(tài)變量法，建立磁阻電機暫態(tài)性能的數(shù)學模型，導出了dqo座標系下磁阻電機狀態(tài)方程的直接表達式，并采用定步長四階龍格一庫塔法對復合實心轉(zhuǎn)子磁阻電機的起性能的數(shù)字仿真計算，計算中考慮實心轉(zhuǎn)子阻抗隨轉(zhuǎn)速變化對電機起動性能的影響，計算結(jié)果與試驗結(jié)果較為一致，說明所建立的數(shù)字模型是正確的。與凸極實心轉(zhuǎn)子磁阻電機起動性能的對比分析表明，復合實心轉(zhuǎn)子中的鋼套能改善磁阻電機的起動特性，使轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的脈動減小，暫態(tài)過程縮短。
（本文得到周鶚教授的指導和蔣全博士的幫助，作者表示衷心感謝。）
|
