同步磁阻電動(dòng)機(jī)研究

　　摘要：該文根據(jù)能量平衡觀點(diǎn)，以異步電動(dòng)機(jī)為參照，較全面地分析了Xd、Xq和凸極比K對(duì)磁阻電動(dòng)機(jī)性能的影響，討論了凸極比適合值的選擇問(wèn)題，并指出對(duì)cosj小于0.85以下的小容量電機(jī)，同步磁阻電動(dòng)機(jī)在應(yīng)用中可與異步電動(dòng)機(jī)匹敵。

　　關(guān)鍵詞：同步磁阻電動(dòng)機(jī);凸極比;異步電動(dòng)機(jī)

　　同步磁阻電動(dòng)機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)子不存在電磁損耗，能避免開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的噪聲大及低速運(yùn)行時(shí)力矩脈動(dòng)顯著等缺點(diǎn)，近年來(lái)逐漸引起人們的研究興趣，特別是1991年著名學(xué)者T.A.Lipo教授發(fā)表文章提出同步磁阻電動(dòng)機(jī)在交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中替代異步電動(dòng)機(jī)的可能性的問(wèn)題[1]以后，更引起眾多學(xué)者的關(guān)注。遺憾的是所發(fā)表的文章都是以分馬力電機(jī)為例來(lái)討論問(wèn)題，而這種微型電機(jī)在交流系統(tǒng)中占不了什么位置。然而，替代大量使用的異步電動(dòng)機(jī)是一個(gè)重要的命題。它不僅在性能上意味著同步磁阻電動(dòng)機(jī)能等同或超過(guò)異步電動(dòng)機(jī)，而且在容量上至少要達(dá)到kW級(jí)，不能只在分馬力電機(jī)中打轉(zhuǎn)。在認(rèn)真對(duì)待同步磁阻電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用前景時(shí)，首先引起研究者注意的是如何克服長(zhǎng)期以來(lái)阻礙同步磁阻電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用的功率因數(shù)偏低及與同尺寸的異步電動(dòng)機(jī)比較其出力偏小的問(wèn)題。從同步電機(jī)的基本運(yùn)行原理來(lái)看，它與磁阻電動(dòng)機(jī)的凸極比密切相關(guān)。所以，迄今為止大量研究文章都聚焦于尋找增大同步磁阻電動(dòng)機(jī)凸極比的方法上。然而，電機(jī)是機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的機(jī)械，它的運(yùn)行規(guī)律必須遵守能量轉(zhuǎn)換規(guī)律。能量必須有載體，而載體在承載能量時(shí)有限制。這是討論問(wèn)題的前提和依據(jù)。凸極比只能在這個(gè)限制下發(fā)揮作用。據(jù)此，本文展開(kāi)了對(duì)磁阻電動(dòng)機(jī)的研究，并認(rèn)為同步磁阻電機(jī)與同容量的鼠籠電機(jī)有共同的定子，它們只是在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上不同。在此基礎(chǔ)上來(lái)研究同步磁阻電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用前景。

　　2 相量圖與基本公式 圖1為同步磁阻電機(jī)的相量圖。根據(jù)這個(gè)相量關(guān)系可以導(dǎo)出同步磁阻電機(jī)的基本公式如下：

　　電壓方程：

　　輸入功率和輸出轉(zhuǎn)矩：

　　3幾個(gè)問(wèn)題的分析幾個(gè)問(wèn)題的分析幾個(gè)問(wèn)題的分析幾個(gè)問(wèn)題的分析

　　3.1 出力與凸極比的關(guān)系

　　若忽略定子繞組電阻r，則電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩表達(dá)式(8)簡(jiǎn)化為：

　　可見(jiàn)，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩隨凸極比增大，這正是迄今為止大多數(shù)研究文章追求高凸極比的重要原因。然而從能量平衡的觀點(diǎn)看，電機(jī)的輸出是由輸入決定的。因筆者認(rèn)為同步磁阻電動(dòng)機(jī)與普通交流電機(jī)有共同的定子，則電機(jī)的輸入相電壓U、相電流I的允許值可認(rèn)為是確定的，即電機(jī)的視在功率S=mUI一定，這樣輸入功率P=mUIcosΦ只有在cosΦ的變化范圍內(nèi)能夠適當(dāng)調(diào)整，則同步磁阻電動(dòng)機(jī)的輸出力矩不可能隨K無(wú)限增大。其次，若將異步電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力作為同步磁阻電動(dòng)機(jī)的參考指標(biāo)，則由KM=1/sin2θe可得在額定工作狀態(tài)下的功角θe=1/2arcsin(1/KM)。Y系列異步電動(dòng)機(jī)過(guò)載能力的實(shí)際值大體在2-3的范圍，則性能與異步電動(dòng)機(jī)相匹敵的磁阻電動(dòng)機(jī)的θe約在10°-15°的范圍，由式(11)，K值也就大體確定了范圍。顯然，過(guò)分追求增大凸極比也沒(méi)必要。

　　為了方便對(duì)所討論的磁阻電動(dòng)機(jī)的性能與相同定子的異步電動(dòng)機(jī)作比較，將部分Y系列4極異步電動(dòng)機(jī)的若干數(shù)據(jù)列于表1。