單相磁滯一磁阻電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)特性
姚光中 （安徽機(jī)電學(xué)院）
【摘要】磁滯一磁阻電動(dòng)機(jī)可有效地同時(shí)利用磁滯效應(yīng)和磁阻效應(yīng)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，因此其性能優(yōu)于普通的磁滯電動(dòng)機(jī)。本文舉實(shí)例對(duì)比磁滯一磁阻電動(dòng)機(jī)和普通磁滯電動(dòng)機(jī)的額定運(yùn)行性能和失步點(diǎn)的性能，理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值比較接近。
【敘詞】單相電機(jī)，磁阻電動(dòng)機(jī)，磁滯同步電動(dòng)機(jī)，穩(wěn)態(tài)特性，失步，比較
引 言
磁滯電動(dòng)機(jī)是一種具有自起動(dòng)能力的同步電動(dòng)機(jī)，廣泛應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)鐘表機(jī)構(gòu)、音像設(shè)備、電報(bào)傳真機(jī)、記錄儀表，陀螺儀表和自動(dòng)化系統(tǒng)的小功率同步驅(qū)動(dòng)裝置中。磁滯電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩是由轉(zhuǎn)子所采用的未事先充磁的硬磁材料的磁滯效應(yīng)產(chǎn)生的，****轉(zhuǎn)矩就是磁滯轉(zhuǎn)矩，它取決于轉(zhuǎn)子材料的磁滯回線的面積。激磁一定，普通磁滯電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩從起動(dòng)到同步速是恒定的，因此它的牽入同步轉(zhuǎn)矩較大，起動(dòng)性能良好。如負(fù)載轉(zhuǎn)矩不超過(guò)****磁滯轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)將穩(wěn)定同步運(yùn)行，其功率角將隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩而變化，但不能超過(guò)磁滯角。然而它的牽出同步轉(zhuǎn)矩（失步轉(zhuǎn)矩）卻不大，理論上等于滿載轉(zhuǎn)矩。
另一方面，普通磁阻電動(dòng)機(jī)雖無(wú)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，牽入同步轉(zhuǎn)矩也較小，但其失步轄矩較大，在功率角p =45度電角度時(shí)，達(dá)****同步轉(zhuǎn)矩。因此，為了全面提高同步電動(dòng)機(jī)的牽人和牽出同步轉(zhuǎn)矩，獲得****性能，可將這二種電動(dòng)機(jī)結(jié)合起來(lái)，制成磁滯一磁阻電動(dòng)機(jī)，又稱反應(yīng)式磁滯電動(dòng)機(jī)。在這種組合型同步電動(dòng)機(jī)中，可有效地同時(shí)利用磁滯效應(yīng)和磁阻效應(yīng)。
磁滯電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子一般都由鐵鈷釩(Fe-Co-V)或鐵鈷鉬(Fe-Co-Mo)合金制成圓筒形，如將它的轉(zhuǎn)子制成凸極形，即相差90度電角度的軸上磁阻不同，則該電動(dòng)機(jī)還能產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，與其磁滯轉(zhuǎn)矩迭加。在低于同步速運(yùn)行時(shí)，磁阻轉(zhuǎn)矩進(jìn)一步增大了牽入同步轉(zhuǎn)矩；在轉(zhuǎn)子達(dá)到同步速運(yùn)行時(shí)，合成的****同步轉(zhuǎn)矩是磁滯效應(yīng)和磁阻效應(yīng)共同產(chǎn)生的，因此它的失步轉(zhuǎn)矩增大，其它性能也有所改善。
早在1916年，蘇聯(lián)制造的C皿型單相罩極同步電動(dòng)機(jī)就是這種電動(dòng)機(jī)的雛型。70年代磁滯一磁阻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，大都是將轉(zhuǎn)子外圓磨出平面或在轉(zhuǎn)子外表面開(kāi)對(duì)稱的小槽，平面數(shù)或小槽數(shù)等于電動(dòng)機(jī)的極數(shù)。顯然，這將造成氣隙不均勻，引起氣隙磁阻的脈動(dòng)，產(chǎn)生齒諧波，從而導(dǎo)致附加損耗和電磁噪聲增大。本文介紹一種均勻氣隙的單相磁滯一磁阻電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并舉實(shí)例對(duì)比磁阻一磁滯電動(dòng)機(jī)和普通磁滯電劫機(jī)的額定運(yùn)行性能和失步點(diǎn)的性能。
1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
均勻氣隙的單相磁滯一磁阻電動(dòng)機(jī)的單相磁滯一磁阻電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)特性原理線路和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。定子上有在空間正交的主、副二繞組ma，副繞組電路串接電容以獲得圓形磁場(chǎng)；轉(zhuǎn)子磁滯環(huán)1內(nèi)壁開(kāi)有4個(gè)對(duì)稱的磁阻槽2，使其形成一個(gè)4極轉(zhuǎn)子，這樣，氣隙仍保持均勻不變。磁滯環(huán)套在非磁性軸套3的外面。
2實(shí)例和比較
以普通磁滯電動(dòng)機(jī)為例額定輸出功率P2N =80W，額定電壓Ui=220V，頻率f=50Hz，4極，單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)。
定子數(shù)據(jù)：
鐵心內(nèi)徑Dil= 6.Ocm
鐵心長(zhǎng)度L =7.2cm
槽數(shù)Zi= 24
每相串聯(lián)匝數(shù)W1=940匝
線徑φ=0.47mm
繞組型式，二相對(duì)稱正弦繞組，分布如圖2所示。
副相串接電容值C=6μF
轉(zhuǎn)子數(shù)據(jù)：
磁滯環(huán)外經(jīng)D = 5.96cm
磁滯環(huán)內(nèi)經(jīng)Did= 4.5 0cm
磁滯環(huán)長(zhǎng)度L= 7.2cm
磁滯材料選用Fe-Co-Mo系2J25型合金，該系材料熱處理穩(wěn)定，鍛件性能不變。工藝簡(jiǎn)單，且含鈷量較低，材料價(jià)格比較便宜，其磁性能為
Br= lOOOOGs
Hc= 2000e
Pμ =3.8×l05／Cm3.Hz
為便于比較，新設(shè)計(jì)的磁滯一磁阻電動(dòng)機(jī)采用與上述磁滯電動(dòng)機(jī)完仝相同的定子，轉(zhuǎn)子環(huán)采用相同的磁滯材料和內(nèi)、外徑尺寸，但在磁滯環(huán)內(nèi)圓表面均布有4個(gè)相同的磁阻槽，其尺寸為
磁滯環(huán)外徑D -=5.96cm
磁滯環(huán)內(nèi)徑Did= 4.5 0cm
實(shí)踐表明，磁滯一磁阻電動(dòng)機(jī)的****轉(zhuǎn)矩與比值有密切關(guān)系。計(jì)算和試驗(yàn)證明宜取β= 0.8～0.9；但不宜過(guò)大，否則q軸處磁滯環(huán)內(nèi)磁密過(guò)高，磁滯轉(zhuǎn)矩減小太多。故取
d軸處環(huán)厚d= 0.73cm
q軸處環(huán)厚q= 0.35cm
（磁阻槽深S =0.38cm）
內(nèi)磁阻槽寬bs= 0.5 cm
上述二個(gè)轉(zhuǎn)子的剖面圖如圖3a和b 所示。
根據(jù)上述設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可計(jì)算出磁滯一磁阻電動(dòng)機(jī)的參數(shù)：
應(yīng)用文獻(xiàn)[3]提供的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)方法球的的同步電抗如圖表1所示。
磁滯一磁阻電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)特性如圖4所示。由于計(jì)算參數(shù)和特性時(shí)假定磁滯材料的磁滯回線是矩形的，基波氣隙磁場(chǎng)是圓形的，故計(jì)算值與試驗(yàn)值之間稍有差異。
從圖4曲線可找出磁滯一磁阻電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的性能，與普通磁滯電動(dòng)機(jī)對(duì)比如表2所示。
至于失步點(diǎn)的性能，亦可列出對(duì)比表，如表3所示。
可見(jiàn)，磁滯一一磁阻電動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)性能均優(yōu)于普通磁滯電動(dòng)機(jī)。
3結(jié)論
a．從表2可看出，在電機(jī)基本尺寸和所用材料相同的條件下，磁滯一磁阻電動(dòng)機(jī)的額輸出功率和轉(zhuǎn)矩可比普通磁滯電動(dòng)機(jī)提高百分之50左右，功率因數(shù)提高百分之45
b．從表3可看出，磁滯一磁阻電動(dòng)機(jī)失步點(diǎn)的性能也能優(yōu)予普通磁滯電動(dòng)機(jī)。失步轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)增大了一倍多；穩(wěn)定同步運(yùn)行的范圍擴(kuò)大了，普通磁滯電動(dòng)機(jī)酌失步轉(zhuǎn)矩角即為****磁滯角。
該性能對(duì)于加速度引起的過(guò)載很大的情況，例如陀螺電動(dòng)機(jī)將其做成磁滯一磁阻式的，有時(shí)就很有益。
c．在電源電壓，頻率和電動(dòng)機(jī)參數(shù)一定時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩為功率角口的函數(shù)，比值愈小，****電磁轉(zhuǎn)矩愈大。
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