（电机与电器专业论文）高温超导磁阻电动机的理论研究与样机设计.pdf

墨塞塑墨 a b s t r a c t h i g ht e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t o r ( h t s ) r e l u c t a n c em o t o r sh a v eh i g h e ro u t p u tp o w e r ， p o w e r f a c t o ra n d e f f i c i e n c yt h a nt r a d i t i o n a lr e l u c t a n c em o t o r sa tt h es a m es i z ea n dw e i g h t h o w e v e r ，t h eh t s r e l u c t a n c em o t o ri ss t i l ls t r a n g et om a n yr e s e a r c h e r si nc h i n a t h ep a p e ra d v a n c e ds o m e p r i n c i p l e so nh o w t oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h eh t s r e l u c t a n c em o t o r s c o n f o r m i n gt ot h e s ep r i n c i p l e s ，ah t sr e l u c t a n c em o t o ro f15 0wi s d e s i g n e d b yu s eo ft h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) a n dt h ek i mm o d e lf o rc r i t i c a ls t a t eo f t y p e i is u p e r c o n d u c t o r s ，t h ep a p e rd e m o n s t r a t e dh o wt oc o m p u t et h em a g n e t i cf i e l da n d s y n c h r o n i z i n gr e a c t a n c eo ft h ed e s i g n e dm o d e l t h em e t h o dc a nb ea p p l i e dt og e n e r a t e h t sr e l u c t a n c e m o t o r s f u r t h e r m o r e ，t h ep a p e rs t u d i e dh o wt oa n a l y z et h ew o r k i n g p e r f o r m a n c eo f h t sr e l u c t a n c em o t o r sb ym e a n so f s y n c h r o n i z i n gr e a c t a n c e c u r v e s t h ep a p e rc o m p a r e dt h eh t sr e l u c t a n c em o t o rw i t ht h et r a d i t i o n a lr e l u c t a n c em o t o r i t ss e e nt h a t ，w h e nt h es i z e sa n ds t r u c t u r e sa r ei d e n t i c a l ，t h eh t sr e l u c t a n c em o t o r p o s s e s s e sh i g h e rr a t i oo f x dt ox qt h a nt h et r a d i t i o n a lr e l u c t a n c em o t o r a n dt h eh i g h e r x d x ql e a d s t ot h eh i g h e ro u t p u t t o r q u e ，p o w e rf a c t o r a n de f f i c i e n c y t h e o p e r a t i o n s t a b i l i t yo f t h eh t sm o t o ra l s oe x c e l st h et r a d i t i o n a lr e l u c t a n c em o t o ro ft h es a m es i z e a n ds t r u c t u r e t h e p a p e r a l s o c o m p a r e d s e v e r a l t y p e s o fh t sr e l u c t a n c em o t o r sw h i c hh a v e d i f f e r e n ts t r u c t u r e s s o m ec o n c l u s i o n sa r ed r a w n ：a l a ( a x i a l l y l a m i n a t e da n i s o t r o p i c ) h t sr e l u c t a n c em o t o r p o s s e s s e sh i g h e ro u t p u tt o r q u et h a nr e a c t i v e i n s i d eh t s r e l u c t a n c e m o t o r t h ea l ah t sr e l u c t a n c em o t o rh a sb e t t e r s t e a d yw o r k i n gp e r f o r m a n e et h a n r e a c t i v e - i n s i d eh t sr e l u c t a n c em o t o rw h e nt h eo u t p u tp o w e ri sh i g h i t sa l s os e e nt h a t t h et h i n z e b r aa l ah t sr e l u c t a n c em o t o re x c e l st h et h i c k - z e b r aa l ah t sr e l u c t a n c e m o t o ri ns y n c h r o n i z i n g p e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：h i 【g ht e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t o r s ( h t s ) ，r e l u c t a n c em o t o r ，f i n i t e c l e m e n t m e t h o d ，c r i t i c a ls t a t em o d e l - 第一章引亩 第一章引言 1 1 超导电机概述和最新研究进展 随着高温超导( h i g ht e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t o r ，h t s ) 技术的迅速发展，超导发 电机和电动机在生产生活中的实际应用已经成为可能。原理上讲超导电机和常规电 机没有本质的区别，只是将常规的铜线绕组换成了超导体绕组。由于超导体具有完 全导电性，超导绕组在载流时焦耳损耗很小，同时能承载很高的电流密度。这样既 可以省去铁心，极大减少电机的体积和重量，又能将间隙的磁场强度设计在远高于 铁磁材料饱和的磁场水平。理论和试验研究显示，与传统电机相比，超导电机具有 更高的功率密度、效率和功率因数i 卜3 1 。这些优点使得超导电机比常规电机具有更 为优良技术和经济性能。 目前，超导电机的发展主要归为三类【4 1 电机转子上的直流绕组使用超导体绕组：复合h t s 线材在液氮温区现已做 到很高的临界电流密度，转子上若使用h t s 超导线材作为直流励磁绕组，可以使电 机获得更大的励磁电流和气隙磁通密度。目前在这一领域，德国西门子公司已经成 功研制出1 0 0 0k w 的h t s 电动机美国也制造了1 0 0 2 0 0h p 和1 0 0 0 h p 的h t s 电 动机。对于功率在1 0 0 0k w 以上的h t s 电动机，其体积质量参数将会优于同等功 率的传统电动机2 3 倍；而今后h t s 电机的总效率也有望高于传统电机。这两个 因素使得未来在相同的输出功率下，有可能实际制造出比传统电机更为经济的h t s 电机。需要指出，此类电机需要有冷却系统，以使h t s 绕组工作在足够低的温度( 液 氮温区) 。 2 电机定子上的交流电枢绕组使用超导体绕组：载有5 0 h z ( 或更高) 频率交 流电流的超导体绕组，其损耗比传统的铜线绕组要低3 - 4 倍。这将能够降低电机的 总损耗，从而实现具有更高效率和输出功率的h t s 电动机。在此类h t s 电机研究 领域，法国和美国走在前面。法国已经制造出功率分别为1 5k w 和l 5 0k w 的具有 h t s 电枢绕组的电动机样机。与第一类超导电机一样，具有h t s 电枢绕组的电机 也需要在液氮温区下运行。 3 电机转子上使用h t s 块材：利用h t s 块材的磁滞现象，可以制成h t s 磁滞 电动机；利用h t s 块材的抗磁性，可以制成h t s 磁阻电动机；利用h t s 块材俘获 磁通的特性( 2 0k 达到6 8t ，7 7k 达到1 2t ) ，可以制成h t s 永磁电动机。第 三类电机能够在7 7 k 的液氮温度下工作。此类使用y b c o 块材的h t s 电动机( 磁 高温超导磁阻电动机的理论研究与样机设计 滞、磁阻、永磁) 比相应的传统电动机有高出3 5 倍的输出功率。磁阻h t s 电动机 则还具有更高的效率和功率因数。目前，德国和俄罗斯已经合作研制出输出功率在 1 0 0w 1 0k w 范围内的磁阻和磁滞h t s 电动机。 1 2 高温超导材料简介 处于超导态的超导体具有两个基本特性，即零电阻现象和完全抗磁性。研究表明高温 超导体属于第二类超导体，它的磁化曲线与常规的第二类超导体在定性上是完全相同的，存 在下临界磁场h 。i 和上临界磁场h 。2 。当h 曼h 。i 时超导体处于m e i s s n e r 态；当h c i g 廿i c 2 时，超导体处于混合态，也可以称为涡旋态；当h h 。2 时，超导体处于正常态。与常规的 第二类超导体相比，高温超导体的超导态性质有三个显著不同的特点：一是高的转变温度； 二是很短的相干长度；三是高度的各向异性。高t c 意味着当温度接近t c 或处在t 。以上时 有显著的热涨落效应；同时，由于高温超导体的临界温度都高于液氮温度( 7 7 k ) ，因此 可以用液氮作为高温超导体的冷却介质。由于相干长度很短超导体样品在局域地区偏离 于正确的化学配比对其超导态性质的影响变得严重起来，其中包括转变温度t c 。例如，样 品内有不同化学配比的局域地区可以有不同的t c ，当然也会影响到其它的超导态性质。总 之，很短的相干长度使制各均匀的高温超导体样品成为一个很难达到的目标。高度的各向 异性来源于高温超导体是层状化合物。表征超导态性质的临界电流密度、穿透深度、相干 长度和能隙等都是强烈的各向异性的，它们在垂直于样品平面和平行于样品平面的值有显 著的差别。 当前高温超导体的成材化。主要集中在y b a c u o 和b i s r - c a c u - o 两个体系。 y b a c u o 的转变温度是9 0 k ，通常用于制备块状材料和超导薄膜；b i - s r c a c u - o 转变 温度为1 1 0 k ，通常用于制备超导长带。目前，国外b 。系材料小样品最高电流密度为7 x 1 0 4 a c r f l 2 ( 7 7 k ，b = 0 ) 。如美国a s c 公司生产的长度达1 1 6 0 m 的b i 系长带的电流密度为 1 2 7 1 0 4 a c m 2 ( 7 7 k ，b = 0 ) 。日本住友公司生产的1 2 0 0 m 长的b i 系带的电流密度为 1 7 7 x 1 0 4 a e m 2 ( 7 7 k ，自场) 。y 系超导体( y - b a c u o ) 就其性能而言，要比b ，系超 导体为高，如y b a c u o o 薄膜的电流密度可高达2 x 1 0 6a c r f l 2 ，比b i 系带材电流密度高 2 个数量级，而且在7 7 k 下，y 系超导体的磁场特性亦比b j 系的好。日本、美国等国多年 来一直致力于这方面的研究，并取得了一定的成绩，如美国f o l t y n 曾在具有过渡层的柔性 镍基合金上沉积2 “m 厚的外延y b c o 薄膜，其电流密度达1 3 x 1 0 6a c m 2 ( 7 5 k ，0 t ) 和 1 1 0 5a c m 2 ( 7 5 k 9 t ，磁场垂直c 轴) 。近十年的发展。高t 。氧化物超导块材也取得 了很大进展。围绕y 系材料采用液相处理法( l p p ，美国h o u s t o n 大学) 、淬火熔融生长法 ( q m g ，日本i s t e c 超导中心) 和粉末融化处理( p m p 中国西北有色金属研究院) 等 工艺，使j c 值超过了1 0 4 a c m 2 ( 7 7 k ，1 t ) a 一2 一 第一章引言 1 3 课题背景和意义 磁阻电动机结构简单，工作可靠，在需要恒速控制的领域被广泛应用；研究实践 已显示，高温超导技术将引起电机应用领域的一次革命，从而推动生产力更大的发 展。高温超导( h t s ) 磁阻电动机作为两者结合的产物，在结构上与常规磁阻电动 机没有本质差别，只是转子采用超导块材代替了常规的阻磁材料。与传统磁阻电动 机相比，h t s 磁阻电动机能够以更小的体积和重量实现更大的输出功率和更高的效 率。然而全世界有关h t s 磁阻电动机的研究目前还处于初级阶段，国内在这一领域 更为滞后。中国科学院电工研究所在学术资源配雹上，既储备了国内第一流的超导 应用技术，又具有电机研发的传统科研优势，所以具备能力和条件为中国高温超导 磁阻电动机的研究发展做出自己的贡献。 h t s 磁阻电动机是在传统磁阻电动机的转子内引入( r e ) b c o 超导块材( r e 可以是y 、s m 等轻稀土元素) 。由于第二类高温超导体具有显著的各向异性和非 线性，对h t s 磁阻电动机的内部磁场的求解过程与常规磁阻电动机有很大不同。目 前园外在分析h t s 磁阻电动机的内部磁场时，都还是把高温超导体简单看作为一种 类似于铝和铜的磁导率恒定的抗磁体，只是认为其磁导率比铝、铜更小而已。这样 做虽然可以简化电机内部磁场的求解过程，但由于其忽视了超导材料真实的电磁特 性，故而很难求解出接近电机实际情况的内部磁场值，也不可能进一步对h t s 磁阻 电动机的运行特性预先从理论上做出定量评价，其结果势必使h t s 磁阻电动机的设 计成本增加。本论文的主要内容之一便是研究在转子内存在y b c o 超导块材的情况 下，如何对电机内部的磁场进行较为准确的求解，这是进一步分析h t s 磁阻电动机 各项运行性能指标的基础，具有重要的理论和实际意义。另一方面，国外文献中有 关h t s 磁阻电动机的运行特性的分析和结构设计的优化，论述也不够深入。本论文 以一台具体的h t s 磁阻电动机样机作为研究实例较为详细地讨论了h t s 磁阻电 动机稳态工作特性的分析过程，不仅工作具有创新性，而且对以后该类电机的应用具 有理论指导意义。本课题受到国家自然科学基金( n o 5 0 1 0 7 0 1 0 ) 资助。 1 4 论文各部分的主要内容 ， 本论文主要研究h t s 磁阻电动机的分析方法与电磁设计。 第二章：介绍磁阻电动机的基本类型、结构和工作原理，进而分析磁阻电动机 的基本电磁关系和稳态工作特性。这些也是h t s 磁阻电动机必须遵循的基本原理。 第三章：依据磁阻电动机的工作特性，结合超导材料的电磁特性，初步提出 一3 一 高温超导磁阻电动机的理论研究与样机设计 h t s 磁阻电动机电磁设计的一般原则；并尝试进行一台额定功率为1 5 0 w 的内反应 式h t s 磁阻电动机的电磁设计。 第四章：以设计的一台内反应式h t s 磁阻电动机样机作为分析实例，基于第 二类超导体临界态k i m 模型和电磁场的有限元方法，提出了一般h t s 磁阻电动机 的内部磁场及交、直轴同步电抗的分析与计算方法。并在此基础上提出了借助h t s 磁阻电动机的电抗曲线分析h t s 磁阻电动机的稳态工作特性的方法。最后以设计样 机为例，对h t s 磁阻电动机与常规磁阻电动机作了比较，以进一步论证h t s 磁阻 电动机相对于常规磁阻电动机的优越性。 第五章：从电机的稳态工作特性角度比较了内反应式h t s 磁阻电动机样机与 a l a 式h t s 磁阻电动机样机；从动态响应性能角度比较了几种具有相同定子但转 子结构不同的a l a 式h t s 磁阻电动机。从上述比较中初步提出h t s 磁阻电动机结 构设计的优化方向。 一 第六章：介绍针对设计样机所做的初步试验，并提出今后试验中有待解决的问 题。 最后对整个论文做出总结。 一4 一 第二章磁阻电动机的理论分析 第二章磁阻电动机的理论分析 现今，功率范围从零点几瓦到数百瓦的各种同步电动机得到广泛的和各种不同 的应用。这些电动机可分为磁滞电动机和磁阻电动机。 磁滞电动机是无绕组圆柱形或圆盘形转子的同步电动机，在异步状态下，其转 矩主要由转子材料磁化时的磁滞作用所产生，而在转子同步旋转时转矩是由恒定 的转子磁化的磁场与定子旋转磁场之间的相互作用力所产生。 磁阻电动杌，曾称为反应式同步电动杌，是年f j 用转子上交轴和直轴磁阻不等而 产生磁阻转矩的一种同步电动机。与一般的同步电动机相比，磁阻电动机的转子上 仅有起凸极作用的部分，而没有励磁绕组或永久磁铁。因此它具有结构简单、无滑 动接触、制造容易、成本较低、过载能力大、运行可靠等优点广泛用于电子、光 学仪器仪表以及摄影机、录音机、复印机、晒图机等设备中。 2 1磁阻电动机的分类、结构与工作原理 2 1 1磁阻电动机的分类与结构 磁阻同步电动机按相数分三相和单相两种，在同体积下，三相磁阻同步电动机 比单相磁阻同步电动机出力高i 3 2 3 1 5 1 。单相磁阻同步电动机按启动方式，又可分 为电容起动、电容运转、电容起动和运转三种。电容起动电动机有较高的起动转矩， 电容运转电动机运行性能好，功率高，功率因数高，噪声小，但起动转矩较低。电 容起动和运转电动机兼有以上两种电动机的优点，即起动转矩较高，运行性能较好。 除功率较小的仪表用磁阻电动机外，功率稍大( 6 0 w 以上) 的磁阻电动机的结 构零件与异步电动机通用，定子结构与异步电动机甚为相似；其转子一般是在异步 电动机的转子铁心冲片上加开反应槽而成。加开反应槽可以使直轴和交轴磁阻产生 差异，磁阻差别愈大，磁阻转矩就愈大，出力和过载能力亦愈高。磁阻电动机转子 无激磁绕组，为使电动机能够产生异步转矩而自行起动，转子上设有供起动用的笼 型绕组并且多为铸铝式。 磁阻电动机常见的转子结构型式有外反应式( 凸极式) 、内反应式和内外反应 式三种。近十年来，轴向迭压各向异性( a x i a l l y l a m i n a t e da n i s o t r o p i c ，简称a l a ) 转子电动机也获得了较快发展。 外反应式的反应槽多开在转子外圆，使转予成为有凸极的圆柱形，从而使直轴 一5 一 高温超导磁阻电动机的理论研究与样机设计 和交轴极面下气隙不相等而造成直、交轴磁阻差异。这种结构最简单，易于加工 如图2 - l 所示，p 为电机极对数。 图2 - 3 内外反应式磁阻电动机转予冲片形状 一6 一 第二章磁阻电动机的理论分析 转子轴向叠压各向异性( a l a ：a x i a l l y l a m i n a t e da n i s o t r o p i c ) 磁阻电动机是 适应高品质交流变速传动需要而发展起来的种新型磁阻同步电动机。与前三种结 构的磁阻电动机相比，a l a 式磁阻电动机除了转子无槽无导体之外。最大特点就是 转子本体采用导磁材料( 现多见采用变压器冷轧硅钢片) 和非导磁绝缘材料迭片 4 5 。时，电动机失步而进入异步运行状态。由此可见， 磁阻同步电动机的电磁转矩和负载角0 的大小有关。 当转子被牵入同步运行之后，只要负载转矩小于晟大同步转矩，电动机都会以 同步速旋转。负载大小的突然变化而引起的转子振荡，会因笼型绕组感生电流所产 生的阻尼作用而衰减。 2 2磁阻电动机的磁动势电动势相一矢量图与基本方程式 凸极同步电动机在欠励磁电流情况下，转子磁势的不足部分由定子磁势的增磁 直轴分量来补充，而在过励磁电流的情况下，转子磁势的剩余部分则由定子磁势的 去磁直轴分量补充。由于这种现象，电机内的合成磁通保持了恒定。图2 - 6 是n 极 同步电动机在欠励磁电流情况下的相- 矢量图 图2 - 6 凸极同步电动机欠励时的相矢量图 图2 - 7 电动机惯例 + 在图2 6 、2 - 7 中，e 万2 e o + e a q + e a d 。如果把凸极同步电动机转子绕组内的 一8 一 蔓三童壁堕皇垫垫塑堡迨坌堑 激磁电流减小到零，那末其气隙磁通将完全由定子磁势产生，此时的输入电流非常 滞后。在这种情况下，在凸极同步电动机的磁动势电动势相矢量图2 - 6 中，由转子 激磁电流引起的定子空载电势e o = o 从而得到磁阻同步电动机的相一矢量图2 - 8 q 轴 q 轴 p 掣- 一，i x q 。l 、 | j i d x d t犀 r | 、 e、 蔓一 蔓一 - i ：歹1 i i ：歹刁i d 划 ( a ) 图2 - 8 磁阻同步电动机相- 矢景图 由图2 - 6 和图2 - 8 可见，磁阻电动机的工作过程原则上可以看成是凸极同步电 动机在切断转子激磁情况下的极限工作状态。 根据图2 - 7 规定的正方向，磁阻同步电动机的基本方程式为 u 12 e j + i i r + j1 x s = ( e a q + e a d ) + 1 1 r + j 1 1 x s = 1 1 r + j i d ( x a d s ) + j i q ( x a q “s ) = 1 1 r + j l d x d + j l q x qu 式中u 定子相电压 i 。定子相电流 i d 定子相电流直轴分量 i 。定子相电流交轴分量 x 。d 磁阻电动机的直轴电枢反应电抗 x 。磁阻电动机的交轴电枢反应电抗 一9 一 ( 2 1 ) 高温超导磁阻电动机的理论研究与样机设计 x d 直轴同步电抗 x 。交轴同步电抗 x 。定子漏抗 e 。d 定子电流的直轴分量激发的定子绕组直轴感应电势 e 。定子电流的交轴分量激发的定子绕组交轴感应电势 2 3 磁阻电动机的同步运行特性 2 3 1电流和功率 从磁阻电动机的相量图2 - 8 ( b ) 可以推出i a 、i 。以及i i 分别为 驴订u 1 伍。c o s 阳s i n 们。 u 1 q5 寿。d 5 n p + 。3 目 i i 2 u 1 式中，r 定子绕组电阻；o u l 与q 轴夹角。 ( 2 。2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 从电源输入到电动机定子绕组的电功率( 输入功率) 为： p 。2m u ，t 。c 。s 妒2 詈u ；t 等， ( 2 5 ) 式中，m 相数；母功率因数角。 如果忽略定子铁耗，则由定子传到转子的电磁功率为： 。p 1 2 r 2 葡m u 2 ( 1 - q ) 姊i n ( 柳宁+ 崞】 一1 0 一 第二章磁阻电动机的理论分析 如果忽略定子电阻( 即r = o ) ，得简化电磁功率表达式： p c m = 詈u ；荨妣口 2 3 2电磁转矩和最大电磁转矩 a 电磁转矩 由2 6 式可求得磁阻电动机的电磁转矩为 式中，c o 。电机同步机械角速度( c o s = 2 n f p ) 。 b 最大电磁转矩 通过求2 8 式的极大值得到磁阻电动机的最大电磁转矩表达式 一击葡,-ti-一)mu 2 0 b m m 0 3 ( l q 、 刃 x ，2 8 2 x ，( ! + 乓) 2 忽略定子电阻r 时的最大电磁转矩为： l 一杪；荨， ( 2 7 ) x 一二( 1 一) 】 ( 2 9 ) x dx d c 电磁转矩和最大电磁转矩均为比值r l x d 和x q x d 的函数 ( 2 1o ) 根据2 8 式，可以作出x 。x d = o 5 而r ，x d 不同时，电磁转矩与负载角的关系曲 线，如图2 - 9 ( a ) 所示。由图可知，r l x d 增加，曲线往左移，最大电磁转矩减小， 能够稳定运行的负载角范围也相应减小 q一2j x c r l ，一k 土彳 x 专一专 诺 上西。 2 3 3 效率和功率因。数。幽磁曲率减去磁阻电动机的空载损耗p 。就成为电机轴上 景鬈竺专守恒知遭从电磁功率减去磁阻电劲艰。1 5 。2 + ， 的输出功率p 2 、 p e “1 一p o = p 2e m 由此可得磁阻电动机效率为： 矸= 分泓 由2 4 式和2 5式可得到磁阻电动机功率因数为： p c o s 妒2 _ m u 2 1 - 1 - i - - 1 5 由2 。1 3 式可得r ；。时电动机的功翠因数为： 1 2 一 f 2 1 2 ) f 2 1 3 ) 第二章磁阻电动机的理论分析 。一 ( “j u 一。t t ) 8 i n 2 口 叩2 丽霖雨霜面 ( 2 1 4 ) 根据2 1 3 式，在图2 一i 0 给出x q x d = o 5 和x q x d = o 3 3 时c o s p 和0 的关系曲线。 由曲线可知，当定子电阻增加或x 。x d 减小时，c o s 叩增大。 ( a ) x q = o 5 x d 图2 1 0 功率因数与0 角的关系曲线 磁阻同步电动机工作特性如图2 1 1 所示： c o s t i 叩 ( b ) x q = o 3 3 x a 图2 1l 磁阻同步电动机工作特性曲线 2 4 磁阻电动机的异步起动特性 2 4 1- - j 1 i 磁阻同步电动机的异步起动 具有鼠笼绕组的磁阻电动机，在异步起动时的起动转矩m 。的数学表达式可写 为 7 1 ： 一1 3 一 n n n n n n 高温超导磁阻电动机的理论研究与样机设计 m m u i = l n 1 ( r l s + 2 + ( x l + c x 2l工 式中 i 旋转磁场同步角速度( 仿。= 2 n f p ) 2 转子旋转角速度 s 转差率 r l 定子绕组每相电阻 x - 定子绕组每相电抗： r 2 归算到定子绕组后的鼠笼转子的每相电阻 x 2 归算到定子绕组后的鼠笼转子的每相电抗 卜电网频率。 ( 2 15 ) 当磁阻电动机定子绕组接电源，产生旋转磁场，在转子绕组中感应电势。由于 直轴磁阻和交轴磁阻不相等，因此转子电流不对称。将不对称的转子电流分解成正 序和负序对称分量。此时定予电流与转子正序电流的磁势相互作用产生正向转矩 t f ( 图2 1 2 曲线1 ) 。转子负序磁势与在定子绕组中由转子负序磁势所感应的负序 电流相互作用产生反向转矩t b ( 图2 1 2 曲线2 ) 。将曲线1 和2 叠加得曲线3 此 h 口作用在电动机转子上的合成转矩与转差率关系曲线。 2 1 2 磁阻同步电动机起动过程转矩转差率盥线 由图可见，该曲线上s = 0 5 附近有凹陷，如果负载转矩大于转矩最低值时，则 电动机起动过程中可能在半同步速附近运转而不能达到正常运行。 2 4 2 磁阻电动机的牵入同步 磁阻同步电动机异步起动至接近同步转速时，在磁阻转矩作用下，牵入同步。 第二章磁阻电动机的理论分析 能否牵入同步主要与以下三个因素有关：磁阻转矩；牵入同步时的临界转差率；电 机本身及负载的转动惯量。在一定的磁阻转矩和负载转矩的作用下，转差率愈小， 电机愈容易牵入同步：转差率愈大，电机就愈难牵入同步。这样就存在着一个所渭 能够牵入同步的临界转差率s 。在牵入同步时，只有当转子的转差率s s 。，时才能 牵入同步。 如果忽略接近同步转遥时的异步转矩，根据能量守恒定律，在牵入同步过程中， 转子能量的增加等于在这个过程中转矩所作的功，临界转差率的表达式可简化为： s = c r ( 2 1 6 ) 式中，p 为磁阻电动机极对数：t 。为磁阻电动机最大同步转矩；t l 为负载转矩；j 是电机本身和所带负载的转动惯量；为电机同步电角速度；e i 是对应t l 的负载角。 如前所述，牵入同步的条件是s 2 0 t 1 2 9 0 c o s 忙0 3 5 h t s 磁阻电动机基本尺寸是指定子冲片内、外径以及铁心有效长度。根据3 1 1 节论述，可以先在异步电动机基本产品系列中找出功率等级为1 5 0 w 左右的电机利 用系数c 和铁心有效长度与极距的比值九，进而通过c 值和九值确定该台h t s 磁 阻电动机样机的基本尺寸。 电机利用系数定义为电机有效部分单位体积、 其数学表达式可写为： s c = i j l d ( 1 l e f n s 式中n 。电机同步转速( t l 。= 6 0 f p ) p 电机极对数 d i l 定子冲片内径 l 。r _ 一铁心有效长度 s 。h t s 磁阻电动机视在功率 磁阻电动机计算视在功率为 一1 9 一 单位同步转速的计算视在功率， ( 3 1 ) 高温超导磁阻电动机的理论研究与样机设计 s 。= 衄1 1 矿而k e 面p n ( 3 2 ) 式中m 定子相数 i n 额定相电流 e i 额定负载时定子每相感应电动势( e l _ k e u 。) u 。额定相电压 k e 额定负载时定子每相感应电动势与额定相电压比值，一般为0 8 5 o 9 5 ( 功率 大和极数少时取较大值) 电机有效长度l 。f 与极距f 之比值为 五= 1 f ( 3 3 ) f = 廊i 1 2 p ( 3 4 ) 定子冲片内径d i l 与外径d l 之比值 k d2 d i l d l ( 3 5 ) 结合该h t s 磁阻电动机的设计功率，可从异步电动机基本系列产品的电机利 用系数图中选取c = i 1 5 x 1 0 。6v a ( m m 3 r m i n ) 。九值和k d 值亦均可从异步电动机 基本系列产品( 此处使用j 2 系列) 的设计参数手册中选取。对于该台h t s 磁阻电 动机样机，选取k - - 0 8 6 ，k d = 0 6 。 现在，可以根据3 1 式3 5 式确定样机的基本尺寸如下： 3 2 3 定子冲片 d i l = 4 6 m m d t = 7 6 6 m m l c f = 6 2 m m 1 材料5 0 w 2 7 0 ，厚o 5 x 1 0 一m 。 2 叠压系数 k 一= o 9 5 e 3 定子槽数z 1 2 2 4 2 0 h t s 磁阻电动机的电磁设计方案 4 定子槽形：圆底梨形槽，如图3 一l 所示。 槽口宽 槽口高 槽肩角 槽肩宽 槽深 b o l = 1 5 m m h 0 1 = o 3 m m y = 3 0 0 b - = 29 m m h s = 7 5 m m 槽梯形高h = 5 m m 槽底半径r = 1 9 m m 5 定子齿距t l2 晋2 6 - 0 2 m m n d i 2 4 6 定子每槽间电角度一等。1 5 。 7 定子槽面积ss ：坐h + 三r 2 2 2 5 m m 2s = ! + 二= 2 2 s 22 8 定子冲片形状如图3 - 2 所示 3 2 4定子绕组设计 a 绕组型式 图3 - 2 定子冲片 一2 l 图3 一l 定子槽形 高温超导磁阻电动机的理论研究与样机设计 样机定子2 极。2 4 槽，绕组单层叠绕，每相由两组线圈组成。定子绕组布线接 线图在图3 3 中给出，绕组参数在表3 1 中给出。 v 图3 - 32 4 槽2 极单层叠式绕组布线接线图 表3 1 绕组参数 线圈数线圈组数每组元件数 极距节距绕组系数并联支路数 q = 1 2u = 6s = 2t = l2 y = i l l k d n = 09 58 a = l b 绕组接法：y c 导线规格与槽满率 绕组线规格为q ( z y x y ) 一2 2 0 0 0 2 8 g b t 6 1 0 9 1 l 一1 9 9 0 。聚酯亚酰胺 聚酰胺酰亚胺复合漆包铜圆线，标称直径0 2 8 毫米，最大漆包外径o 3 2 9 m m ，常温 下标称单位长度阻值0 2 7 7 6q m 。 槽满率为6 5 ，每槽导线数为15 3 匝。 3 2 5 转子冲片设计 1 气隙长度6根据3 1 2 节中关于超导磁阻电动机气隙长度的选取原则，确 定该台h t s 磁阻电动机的气隙长度6 = 0 5 m m 。 2 转子外径d 2 = d i l 一2 6 = 4 6 0 - 8 = 4 5 m m 3 转子冲片材料5 0 w 2 7 0 ，厚o 5 1 0 - 3 m 。 h t s 磁阻电动机的电磁设计方案 4 转子叠压系数 k 一= 0 9 5 r e 5 为了提高设计样机的输出转矩与能量密度，改善电机的同步运行性能，同时 减小转子在液氮中旋转时所受的阻力，根据3 1 2 节中有关h t s 磁阻电动机转子磁 路结构应如何选取的论述，应采用内反应式或a l a 式转子结构作为h t s 磁阻电动 机的转子磁路结构。再结合y b c o 超导块材的切割特性并考虑到a l a 转子的加工 难度和制造成本，该台样机实际采用了内反应式结构。转子冲片的具体结构与尺寸 如图3 4 所示： 图3 - 4 转子冲片 图3 - 4 中画出的电机转子中的两个内反应槽用于填塞y b c o 超导块材，以增加 交轴磁路的磁阻。 本章小结 以普通磁阻电动机的电磁关系为基础，结合超导材料特殊的电磁特性，初步提 出了h t s 磁阻电动机电磁设计的一般原则：h t s 磁阻电动机宜采用内反应式结构 或a l a 结构：极弧系数选取可比一般磁阻电机大一些：气隙应在合理范围内取大 一些。并借鉴传统同步电动机的设计方法，依据超导磁阻电动机设计的一般原则， 尝试进行了一台额定功率为1 5 0 w 的内反应式超导磁阻电动机的电磁设计。 2 3 高温超导磁阻电动机的理论研究与样机设计 第四章h t s 磁阻电动机的分析方法 本章以第三章中的h t s 磁阻电动机设计样机为算例，详细讨论了h t s 磁阻电动 机的分析方法。 根据第二章对磁阻电动机所做的理论分析可知，磁阻同步电动机的各项稳态工 作特性指标( 定子电流、输出功率、功率因数、效率等) 都是关于直轴同步电抗x d 、 交轴同步电抗x 。定子绕组每相电阻r 和负载转矩t ( 或功率角0 ) 的多元函数。因 此，要想通过计算方法评价h t s 磁阻电动机的稳态工作特性，可以首先确定电机的 直、交轴同步电抗和定予绕组的一相阻值( 其中，定子绕组每相电阻r 可根据绕组 设计参数进行估算，并可直接由万用表测得。在本课题所设计的实际样机中，r 在 液氮温区等于5 8 n ) 。 图4 ，l 为第三章中设计的h t s 磁阻电动机样机之截面示意图，由图可知，该设 计样机的结构属于内反应式。其设计参数在第三章中己给出，此处不再罗列。本章 将结合这台具体的h t s 磁阻电动机样机，讨论一般h t s 磁阻电动机的普遍分析方 法。 图4 1 内反应式h t s 磁阻电动机样机之截面 4 1i - i t s 磁阻电动机内部磁场的求解方法 为了能准确计算h t s 磁阻电动机的直、交轴同步电抗，必须先准确求解电机内 部的磁场。在以往的文献中，虽然有一些是采用有限元方法对h t s 磁阻电动机的内 部磁场进行求解，但求解过程中在确定超导体的电磁本构关系时，都还是把高温超 导体简单看作一种类似于铝和铜的磁导率恒定的抗磁体，区别仪在于其磁导率比 铝、铜更小。这样做虽然可以简化电机内部磁场的求解过程，但由于其忽视了超导 材料真实的电磁特性，故而很难求解出接近电机实际情况的内部磁场值，也就不可 能准确计算出h t s ( 滋阻电动机的交、直轴同步电抗。本节将充分考虑到超导材料电 - 2 4 - h t s 磁阻电动机的分析方法 磁特性的各向异性与非线性，较为详细地讨论h t s 磁阻电动机内部磁场的更为准确