单相磁滞一磁阻电动机的稳态特性

    姚光中  (安徽机电学院)

  引  言

    磁滞电动机是一种具有自起动能力的同步电动机，广泛应用于驱动钟表机构、音像设备、电报传真机、记录仪表，陀螺仪表和自动化系统的小功率同步驱动装置中。磁滞电动机的起动转矩是由转子所采用的未事先充磁的硬磁材料的磁滞效应产生的，****转矩就是磁滞转矩，它取决于转子材料的磁滞回线的面积。激磁一定，普通磁滞电动机的电磁转矩从起动到同步速是恒定的，因此它的牵入同步转矩较大，起动性能良好。如负载转矩不超过****磁滞转矩，电动机将稳定同步运行，其功率角9将随负载转矩而变化，但不能超过磁滞角θb。然而它的牵出同步转矩(失步转矩)却不大，理论上等于满载转矩。

    另一方面，普通磁阻电动机虽无起动转矩，牵入同步转矩也较小，但其失步转矩较大，在功率角θ=45^o电角度时，达****同步转矩。因此，为了全面提高同步电动机的牵入和牵出同步转矩，获得****性能，可将这二种电动机结合起来，制成磁滞一磁阻电动机，又称反应式磁滞电动机。在这种组合型同步电动机中，可有效地同时利用磁滞效应和磁阻效应。

    磁滞电动机的转子一般都由铁钴钒(Fe—Co—V)或铁钴钼(Fe—Co—Mo)合金制成圆筒形，如将它的转子制成凸极形，即相差90。电角度的轴上磁阻不同，则该电动机还能产生磁阻转矩，与其磁滞转矩迭加。在低于同步速运行时，磁阻转矩进一步增大了牵入同步转矩；在转子达到同步速运行时，合成的****同步转矩是磁滞效应和磁阻效应共同产生的，因此它的失步转矩增大，其它性能也有所改善。

    早在1916年，苏联制造的CII型单相罩极同步电动机就是这种电动机的雏型。70年代磁滞一磁阻电动机的转子结构，大都是将转子外圆磨出平面或在转子外表面开对称的小槽，平面数或小槽数等于电动机的极数。显然，这将造成气隙不均匀，引起气隙磁阻的脉动，产生齿谐波，从而导致附加损耗和电磁噪声增大。本文介绍一种均匀气隙的单相磁滞一磁阻电动机的结构特点，并举实例对比磁阻一磁滞电动机和普通磁滞电动机的额定运行性能和失步点的性能。

1  结构特点

    均匀气隙的单相磁滞一磁阻电动机的原理线路和转子结构示意图如图1所示。

定子上有在空问正交的主、副二绕组m、a，副绕组电路串接电容以获得圆形磁场；转子磁滞环1内壁开有4个对称的磁阻槽2，使其形成一个4极转子，这样，气隙仍保持均匀不变。磁滞环套在非磁性轴套3的外面。

原理线路和转子结构示意图如图1所示。定子上有在空问正交的主、副二绕组m、a，副绕组电路串接电容以获得圆形磁场；转子磁滞环1内壁开有4个对称的磁阻槽2，使其形成一个4极转子，这样，气隙仍保持均匀不变。磁滞环套在非磁性轴套3的外面。

2实例和比较

    以普通磁滞电动机为例额定输出功率P2N=80W，额定电压Ul=220V，频率f=50Hz，4极，单相电容运转。

    定子数据：

    铁心内径Dil=6．0cm

    铁心长度L=7．2cm

槽数zl=24

  每相串联匝数Wl=940匝线径φ=0．47mm绕组型式，二相对称正弦绕组，分布如图2所示。

副相串接电容值C=6μF

转子数据：

磁滞环外经D=5．96cm

磁滞环内经D试=4．50cm

磁滞环长度L=7．2cm

磁滞材料选用Fe—Co—Mo系2J25型合金，该系材料热处理稳定，锻件性能不变。工艺简单，且含钴量较低，材料价格比较便宜，其磁性能为

    B_r=10000Gs

    H_C=2000e

    P_μ=3．8×10⁵erg／cm³·Hz

为便于比较，新设计的磁滞一磁阻电动机采用与上述磁滞电动机完全相同的定子，转子环采用相同的磁滞材料和内、外径尺寸，但在磁滞环内圆表面均布有4个相同的磁阻槽，其尺寸为

    磁滞环外径D=5．96cm

    磁滞环内径D_id=4．50cm

实践表明，磁滞—磁阻电动机的****转矩与比值β=b_p／τ，△d／D_i1／2和s／△d有密切关系。计算和试验证明宜取β=0．8～0．9；但不宜过大，否则q轴处磁滞环内磁密过高，磁滞转矩减小太多。故取

    d轴处环厚△_d=0．73cm

    q轴处环厚△_q=0．35cm

    (磁阻槽深S=0．38cm)

    内磁阻槽宽b_s=0．5cm

    上述二个转子的剖面图如图3a和b所示。

根据上述设计数据可计算出磁滞一磁阻电动机的参数：

r_l(75℃)=31．02Ω，R_hd=21．73Ω，

R_hq=259．38Ω，R_d=52．75Ω，

R_q=290．40Ω．应用文献[3]提供的理论计算和试验方法求得的同步电抗如表1所示。

磁滞一磁阻电动机的稳态特性如图4所示。由于计算参数和特性时假定磁滞材料的磁滞回线是矩形的，基波气隙磁场是圆形的，故计算值与试验值之间稍有差异。

从图4曲线可找出磁滞一磁阻电动机额定运行时的性能，与普通磁滞电动机对比如表2所示。

至于失步点的性能，亦可列出对比表，如表3所示。

可见，磁滞——磁阻电动机的各项性能均优于普通磁滞电动机。

3结论

a．从表2可看出，在电机基本尺寸和所用材料相同的条件下，磁滞一磁阻电动机的额定输出功率和转矩可比普通磁滞电动机提高50％左右，功率因数提高45％以上，效率基本未变。

b．从表3可看出，磁滞一磁阻电动机失步点的性能也能优于普通磁滞电动机。失步转矩数增大了一倍多；稳定同步运行的范围扩大了，普通磁滞电动机的失步转矩角即为****磁滞角．

而磁滞一磁阻电动机的失步转矩角增大为

    θ_p=tg^-1(184．25／52．75)=74．02^o

该性能对于加速度引起的过载很大的情况，例如陀螺电动机将其做成磁滞一磁阻式的，有时就很有益。

c．在电源电压，频率和电动机参数一定时，电磁转矩为功率角θ的函数，比值X_q／X_d和R_d／X_d愈小，****电磁转矩愈大。