吾布里·阿依丁

（新疆工程學(xué)院電氣與信息工程系，新疆 烏魯木齊 830091）

基于電機(jī)疊壓異性轉(zhuǎn)子磁路及參數(shù)性能的分析＊

吾布里·阿依丁

（新疆工程學(xué)院電氣與信息工程系，新疆 烏魯木齊 830091）

提出了一種新型組合式轉(zhuǎn)子同步電機(jī)，目的是解決軸向疊片各向異性轉(zhuǎn)子電機(jī)的振蕩和異步運(yùn)行問(wèn)題。對(duì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)計(jì)算進(jìn)行了介紹，并在簡(jiǎn)化分析基礎(chǔ)上推導(dǎo)了新電機(jī)的交、直軸電抗和空載電勢(shì)計(jì)算公式。系統(tǒng)介紹了電機(jī)的磁場(chǎng)、參數(shù)及性能的分析計(jì)算方法及其數(shù)值實(shí)施過(guò)程，并結(jié)合實(shí)例對(duì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)和性能進(jìn)行較為詳細(xì)的分析和討論。

磁阻同步電機(jī)；電機(jī)磁路分析；參數(shù)性能

1 引言

軸向疊片各向異性轉(zhuǎn)子電機(jī)是適應(yīng)高品質(zhì)交流變速傳動(dòng)需要而發(fā)展起來(lái)的一種新型磁阻同步電機(jī)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子鐵芯由軸向未經(jīng)分段處理的整塊導(dǎo)磁疊片和非導(dǎo)磁絕緣材料疊片交替疊壓而成。軸向疊片各向異性轉(zhuǎn)子電機(jī)的性能分析和參數(shù)計(jì)算多采用有限元磁場(chǎng)分析方法進(jìn)行［1］，完全采用磁路分析方法并不多見(jiàn)。與有限元法相比較，磁路法要粗略得多，不可能定量研究軸向疊片各向異性轉(zhuǎn)子電機(jī)的磁場(chǎng)分布，但簡(jiǎn)易實(shí)用，尤其是可以對(duì)一些有限元分析難以經(jīng)濟(jì)求解的特殊問(wèn)題能給出簡(jiǎn)明結(jié)果，因而仍具有重要應(yīng)用價(jià)值。如在某些非正常情況下，兩極軸向疊片各向異性轉(zhuǎn)子電機(jī)可能因振蕩失步而發(fā)生異步運(yùn)行［2］，此時(shí)，由于轉(zhuǎn)差率較大，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)會(huì)在未經(jīng)分段處理的轉(zhuǎn)子鐵芯疊片中感應(yīng)出較大的電流，并產(chǎn)生較大的“單軸轉(zhuǎn)矩”［3］。這一轉(zhuǎn)矩在略大于1／2同步速處為負(fù)值，有可能將電機(jī)“卡住”在該轉(zhuǎn)速附近振蕩或作異步運(yùn)行，嚴(yán)重影響電機(jī)的運(yùn)行性能。解決這一問(wèn)題的有效途徑是對(duì)轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁疊片進(jìn)行分段處理，以割斷疊片中的渦流回路，消除或減小單軸轉(zhuǎn)矩的危害。然而，軸向疊片各向異性電機(jī)轉(zhuǎn)子的疊片數(shù)很多，為保證強(qiáng)度，不可能都進(jìn)行分段處理，而運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體渦流電磁場(chǎng)的有限元求解又非常昂貴，因此，借助于磁路分析方法，近似求取q軸磁通分布及q軸磁阻大小，則有可能以最經(jīng)濟(jì)手段尋求到改進(jìn)電機(jī)運(yùn)行特性的最有效途徑。本文為此進(jìn)行深入研究，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)樣機(jī)給出具有重要理論意義和實(shí)用價(jià)值的分析結(jié)果。

軸向疊片各向異性轉(zhuǎn)子電機(jī)作為一種新型磁阻電機(jī)，自20世紀(jì)90年代以來(lái)得到國(guó)內(nèi)外眾多科研人員的重視和關(guān)注。與傳統(tǒng)電機(jī)相比，該電機(jī)沿用普通交流電機(jī)定子，轉(zhuǎn)子則采用導(dǎo)磁材料和非導(dǎo)磁絕緣材料的矩形疊片沿軸向交替高密疊壓而成，如圖1所示為q軸磁通進(jìn)入轉(zhuǎn)子鐵芯后的等效磁網(wǎng)絡(luò)，其導(dǎo)磁性能呈現(xiàn)高度各向異性，凸極比Ld／Lq可達(dá)普通電機(jī)的10-20倍。電機(jī)因而具有高效率、高功率因數(shù)、高過(guò)載倍數(shù)、低運(yùn)行噪聲等一系列優(yōu)點(diǎn)，在高品質(zhì)交流變速驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域有著極為廣闊的應(yīng)用前景。

在樣機(jī)實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)兩極高密度軸向疊片各向異性轉(zhuǎn)子電機(jī)變頻啟動(dòng)時(shí)有可能出現(xiàn)振蕩和異步運(yùn)行情況。具體表現(xiàn)為電源頻率高于某一臨界值時(shí)，電機(jī)失步，并在1／2同步速附近上下振蕩。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，造成這一現(xiàn)象的根本原因是轉(zhuǎn)子q軸疊片回路在變頻啟動(dòng)時(shí)感應(yīng)出渦流，進(jìn)而產(chǎn)生“單軸轉(zhuǎn)矩”，該轉(zhuǎn)矩在略大于1／2同步速時(shí)由正變負(fù)，使得電機(jī)“卡”在半速附近不能繼續(xù)升速為減小單軸轉(zhuǎn)矩對(duì)啟動(dòng)性能的不利影響，需設(shè)法讓電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)增加同步轉(zhuǎn)矩，使合成轉(zhuǎn)矩曲線Tp有所提升，以減小或消除振蕩區(qū)域，為此設(shè)計(jì)出新型組合式高密度軸向疊片各向異性轉(zhuǎn)子電機(jī)。

2 電機(jī)磁路分析

高密度軸向疊片各向異性轉(zhuǎn)子電機(jī)的d軸磁路較為簡(jiǎn)單，磁通從定d軸方向到達(dá)疊片另一側(cè)，再?gòu)较虼┻^(guò)氣隙回到定子鐵芯［4］，與普通各向同性轉(zhuǎn)子電機(jī)的分析過(guò)程完全類同。因此，本文僅著重于q軸磁路的分析。因高密度軸向疊片各向異性轉(zhuǎn)子電機(jī)以d、q軸為對(duì)稱中心，在以下的分析中，可以只分析轉(zhuǎn)子鐵芯的一側(cè)，而認(rèn)為另一側(cè)的結(jié)果相同。當(dāng)q軸方向的磁通Φa從定子鐵芯進(jìn)入轉(zhuǎn)子鐵芯外側(cè)第1片疊片a后，部分磁通將變向?qū)ΨQ地沿著疊片寬度方向（即d軸方向）流通，然后穿過(guò)氣隙回到定子鐵芯，如圖1中Φy1、Φy2所示；另一部分將穿過(guò)導(dǎo)磁疊片的厚度方向（即q軸方向）進(jìn)入到下一塊導(dǎo)磁疊片b，如圖1中Φb所示。與此類似，當(dāng)Φb進(jìn)入疊片b后，同樣會(huì)分成3部分。進(jìn)而考慮到轉(zhuǎn)子鐵芯導(dǎo)磁疊片或非導(dǎo)磁疊片每片都近似相同，于是可將轉(zhuǎn)子疊片形成的q軸磁回路等效地考慮為如圖1所示的磁路。

圖1 q軸磁通進(jìn)入轉(zhuǎn)子鐵芯后的等效磁網(wǎng)絡(luò)

圖1中，R0為導(dǎo)磁疊片a、b之間的磁阻，Ry為從a點(diǎn)沿導(dǎo)磁疊片d軸方向過(guò)d軸等效氣隙回到定子鐵芯的磁阻。

式中：vy為導(dǎo)磁疊片在y方向的磁阻率；v0為非導(dǎo)磁疊片的磁阻率；tc和t0分別為導(dǎo)磁疊片和非導(dǎo)磁疊片的厚度；δy為y方向氣隙長(zhǎng)度；l和h為疊片的有效長(zhǎng)度和平均寬度。因空氣磁阻率和非導(dǎo)磁疊片磁阻率相近，同取為v0，又v0?vy（v0≈8× 105m·H-1，vy＝50m·H-1），上式簡(jiǎn)化為

設(shè)圖1中q軸磁路的等效總磁阻為Ra。由于轉(zhuǎn)子鐵芯導(dǎo)磁疊片數(shù)目很多，可以認(rèn)為磁通在穿過(guò)疊片a進(jìn)入疊片b后遇到的磁阻仍然是Ra，因此，可將圖1簡(jiǎn)化為圖2。由圖2可知，磁阻為：

圖2 轉(zhuǎn)子q軸磁網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)化模型

由此可得：

通常，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的高密度軸向疊片各向異性電機(jī)轉(zhuǎn)子的極靴張角大致約120°，導(dǎo)磁疊片厚度大致是非導(dǎo)磁疊片厚度的2倍，此時(shí)

可見(jiàn)，當(dāng)磁通Φa進(jìn)入第1塊導(dǎo)磁疊片后，只有0．88倍的磁通能夠穿透這塊疊片而進(jìn)入到下一塊導(dǎo)磁疊片。依此類推，當(dāng)磁通穿過(guò)10片以上的疊片后，其大小將只有初始大小的20%左右。因此可近似認(rèn)為，q軸的磁通全部被轉(zhuǎn)子鐵芯最外層的10塊導(dǎo)磁疊片導(dǎo)入d軸方向，穿過(guò)氣隙進(jìn)入定子鐵芯，而不再鏈及其余的導(dǎo)磁疊片。

3 結(jié)束語(yǔ)

兩極高密度軸向疊片各向異性轉(zhuǎn)子電機(jī)q軸磁通主要被轉(zhuǎn)子鐵芯最外層的10片導(dǎo)磁疊片從d軸方向?qū)攵ㄗ予F芯，幾乎不再鏈及其余的導(dǎo)磁疊片。因此，對(duì)導(dǎo)磁疊片分段處理時(shí)，可以只處理轉(zhuǎn)子鐵芯每側(cè)最外層的10片即可。而本文得出的電機(jī)q軸磁通在轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁疊片中的分布情況及q軸磁阻大小的結(jié)論，對(duì)分析高密度軸向疊片各向異性轉(zhuǎn)子電機(jī)異步運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子疊片中產(chǎn)生的單軸轉(zhuǎn)矩極具參考價(jià)值。同時(shí)，本文對(duì)高密度軸向疊片各向異性轉(zhuǎn)子電機(jī)q軸磁路的分析方法對(duì)定性研究此類電機(jī)的磁場(chǎng)分布也具有示范作用。

軸向疊片各向異性轉(zhuǎn)子電機(jī)作為一種新型電機(jī)，在許多方面具有優(yōu)異的運(yùn)行性能。然而，單軸轉(zhuǎn)矩的存在影響了兩極軸向疊片各向異性轉(zhuǎn)子電機(jī)的變頻啟動(dòng)特性。新結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子在原有基礎(chǔ)上適當(dāng)加入部分永磁材料，借助永磁剩磁場(chǎng)產(chǎn)生的同步轉(zhuǎn)矩使合成轉(zhuǎn)矩曲線有所提升，因而能改善電機(jī)的啟動(dòng)性能。本文介紹了新電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合磁路分析法和傅立葉分解分別計(jì)算了永磁段和高密度軸向疊片各向異性段的d、q軸電抗以及空載電勢(shì)E0，并依據(jù)疊加原理，進(jìn)而求得新電機(jī)的交、直軸電抗參數(shù)。經(jīng)過(guò)一臺(tái)2．2kW的實(shí)際樣機(jī)計(jì)算檢驗(yàn)，所得結(jié)果與實(shí)測(cè)值近似，誤差小于9%，證明這種分析方法是可行的。

［1］辜承林，李朗如．切轉(zhuǎn)子軸向疊壓各向異性（ALA）電機(jī)磁場(chǎng)、參數(shù)及性能的分析與計(jì)算［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，1994，14（3）：14-20．

［2］易明軍．ALA轉(zhuǎn)子電機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究［D］．武漢：華中理工大學(xué)，1999．

［3］許實(shí)章，等．電機(jī)學(xué)（下冊(cè)）［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990．［4］Boldea I，Nasar S A．EmergingElectricMachineswithAxially-Laminated Anisotropic Rotors：Areview［J］．EMPS，1991，19：673-703．

［5］辜承林，BJChalmers．高密度軸向疊片式轉(zhuǎn)子同步電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，1998，18（1）：29-33．

［6］Staton D A E，Miller TJE，Wood SE．Maximising the Saliency RatiooftheSynchronousReluctanceMotor［J］．IEE-B，1993，140（4）：249-259．

［7］辜承林．機(jī)電動(dòng)力系統(tǒng)分析［M］．武漢：華中理工大學(xué)出版社，1998，293-295．

［8］易明軍．ALA轉(zhuǎn)子電機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究［D］．華中理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，1999．

［9］朱建華．組合式轉(zhuǎn)子同步電動(dòng)機(jī)新結(jié)構(gòu)探討［R］．華中理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告，2000．

［10］陳俊峰．永磁電機(jī)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982．

Analysis of laminated anisotropic motor rotor magnetic circuit and parameters performance

Obul Aydin
（Xinjiang Institute of Electrical and Information Engineering，Urumqi 830091，China）

A novel combined rotor synchronous motor is put forward,which is to solve the operating problems of ALA rotor oscillation and asynchronous motor．The structure and parameters calculation of the motor are introduced,and the calculating formula of direct axis reactance and the no-load EMF are derived on the basis of simplifying analysis．The analysis calculation methods and its numerical implementation process of magnetic field,parameters and performance for this motor are also introduced．

reluctance synchronous motor;motor magnetic circuit analysis;parameters performance

TM341

A

2013-03-20

新疆工程學(xué)院技支計(jì)劃項(xiàng)目［201323］

1005—7277（2014）01—0028—03

吾布里·阿依?。?963-），新疆輪臺(tái)縣人，副教授，主要從事煤礦自動(dòng)控制工程研究。