永磁磁滞同步电机运行特性分析

1、永磁磁滞同步电机运行特性分析高义红任徳民' 焦泽德 '中国航夭工业总公司第一研究院，100854北京 - "3胡 0PERFORMANCE ANALYSIS OF TIIE PERMANENT MAGNETHYSTERESIS SYNCHRONOUS MOTORCiao Yihung Ren Demin Jiao ZoicChina Academy of launch-vehicle 丁zhmdogy.Beijing. 100854 ChirviABSIKACT A specific motor which called Pennancnl Xtagnet Hyste

2、resis Synchronous Mob)r had been inviteigaied in 1 be pa， xt with expenmentacion and cho inucal analysis C<.>nsidenng lhe vddy uurreot and hysteresis cfftvl in the hysteresis ring, ivcrall bioiulstton was performaL The axifomuly of experimentation and simulation had ban verified lhe rationalit

3、y of the simulation model and its xindationa mathetiiatival nicjdel Fhi»niugh investiganoii un lhe mflucnce of the pemwnent inag- net on the perfonnance of the mohK* including electromagru*til- torque, ciirrenl and speed was also carried m the paper.Result & the exj)eriTnentatH)n oenpared w

4、ith chc simulati. >n exhibiced superorily of the stake current dnd pull-in torque» chcref're lhe rww hybrid motor should be nK.ce valuable in practical appbcaaon>.KEY WORDS peniiaiient niagnei motors; hy>teresis motors; >txirting; synchaxiization摘要 灯一种箭型的永磁磁滞同步电机进行了实验测试和 理论分析“考恚

5、磁滞环内满沆效应和厳滞效应、对电机进行 了全面的仿真，实验的测试数据与仿真结果相呦合,这说明 仿真模型及作为其理论基黜的数学模型的结构是正确的。 结合实验和仿眞的结果,就永磁体对电磁转矩.电流特性、转 速特性的慘响进行了祥人分析.实验测试的数据以及仿真 的结果表明.亦稳态电流与同步牵人转矩方血的性能与瞪滞 电机相比永磁逊滞同步电机的性能有明显的改善、它足一种 很有实用 新型电机，关fit词 永磁电动机 磁滯电动机 起动 同步中图分类号TM3511引言磁滞电矶是一种具有自起动能力的同步电机. 与宜流电机.片步电机郴比它貝冇明显的优势：能 平稳地运行于同步速，能自起动，结构简单,工作可 靠貝:缺点

6、是力能指标絞低,转子同步时存住固有 振荡：因此人们从80年代开始研制永磁电机.这 种电机的才能指标和速度稳定性都很高，但起动运 行需要一套控制线路，这样就增大丁仪表的体积，增 加了仪表的发热量，降低了工作的可靠性在80年 代未到90年代初.人们在提高磁滞电机和永磁电机 性能与可靠性的同时，开始尝试将具有自起动能力 的磁滞电机和具有高力能指标的永磁电机结合起 来.研制磁滞起动的永磁同步电机“ H前，这方面的 研究成果还不多没有成熟的设计技术：本文对永 磁磁滞同步电机进行了研究.并对其运行性能进行 了分析2电机的基本结构本文所研究的电机采用了内转子结构转子沿 轴向依次安装磁滯环和永磁体，简要结构如

7、图I所 示图1永破磁滞同步电机转子示意00Fig 1 Embtematic stnicturv of the mtor in thepermanent magnet hjsterefiiE synchronous motor第10期高义红尊：水磁磁滞同步电机运行特性兮析73第10期高义红尊：水磁磁滞同步电机运行特性兮析733电机的电磁转矩同一数最级、所以在接近同步的时刻，永磁体的电磁 功率的流向就不能忽略，电磁转矩见图2C电磁转矩由以卞几部分组成：(1)直流分量，即永磁体的制动转矩和磁滞磁链 与定子电流之间产生的平均转矩,永磁体的制动转 矩表达式为7 braki 空"(-昭ul<

8、;/o> =3 (1-$)刖&崩+ (1-$)3心怎民式中bn和ho为永磁体在定子绕组中感应的转速 频率的电流;*创和和为&和打“在定子曲轴绕 组中产生的磁链；叭为同步电气角速度；咼= % 为永磁体产生的的磁链；心二臥5, zv = jLg：S为转差率C(2)以转差频率脉振的分量.即转子永磁体在气 隙空间形成的转子磁势与定子磁势之间的作用而产 生的转矩在电机接近同步速时，交变的频率逐渐减 小在同步运行时与定子磁势形成稳定的同步电磁 转矩，见式(2)。CE51 S； $1<4“/.(3)二倍转差频率的脉振转矩°它由d卯轴系 屮转差频率的磁琏和转差频率的电流之

9、间的作用所 形成，.如果气隙均匀.磁路对称.则这项转矩为0, 它是、<?轴遊导不等所引起的见式(3人图2近同步速时刻的电磁转矩Fig. 2 Suhsyndironous electromagnetic torque 在近同步速状态,电机电磁转矩-转速特性如图 3所示。图3近同步連电磁转矩转速特性Fig 3 SubsjiKhronous characteristic of the丁柯心)=p少山|COS( g / +內+册)+electron!tic torque vecus spetdR点q + （ 1 - S ）2Tj.T?CO£（ g Y + 爲）由图3可见，电磁转矩在近同

10、步速阶段经过阻- “J WqCOS（ SZ + 此十 Bq ）十尼振荡稳定在一个恒定的数值此时电磁转矩与凤 阻和轴承摩擦转矩相平衡近同步速阶段电磁转矩巒+ (1 -s卩中COS（ SO）/ + 山）转矩角的曲线如图4所示i)=号/>普h/j8S（2s/ + 卩d + 汕十必)-曽h%CC5( 2$砒十册+爲+冈)(3)由于机械时间常数远大于电气时间常数所以在转速较低的阶段即转差率S接近于1时永磁体mAma nos>4 exi ext m转矩角局d图4近同步速电磁转矩转矩角特性 Fig. 4 SuhsyochroiMMis characteristic (/ the etectroc

11、nagoetic torque versus torque angle 由图4可见，电磁转矩经过振荡最后稳定在某 一恒定的转矩角所对应的某一恒定数值的电磁转的电磁转矩角频率也接近于电气角频率，在电磁转 矩交变的某一周期内输人的脉振电磁功率接近于频率恒定的正弦波其平均值也就接近于0;而在转 速接近于同步速时因为转差率5接近0此时转矩交变的角频率与机械时间常数对应的角频率接近到第10期冑义红尊：永磁磁滞同步电机运行特性分析75距;.转距角的变化对应着功率角的变化，当电机稳 定在同步速以后转矩角保持在一个恒定的数值。这 说明功率角在电机稳定运行时也保持不变，电机同 步运行状态时输人的电磁功率刚好与风

12、阻转矩和轴 承摩擦转矩对应的功率相平衡.，由式(1)可见，永磁体制动转矩与永磁体在定子 中感应电势的平方成正比。如果增加永磁体的 体积，或者增加Eo值对电机的电磁转矩待性的影 响如图5所示：图5永6体对电磯辕矩的影响Fig. 5 The influence of the permanent mneton the ekctnxnagnetk torque由图5可见增大永磁体，将使电磁转矩的脉动 分量幅值增大。同样可以看到，因为永磁体制动转 矩的増加,使得电磁转矩呈现的凹形更加明显.3定子相电流电机的定子相电流值反映了电机起动同步阶 段的绕组温升情况，.相电流波形的变化对电机运廿 的稳定性有重要彫

13、响一如果在起动阶段，电流瞬变 过程出现电渝过大、频率不稳定的现象，就有可能对 定子绕纽造成损坏从而使电机的性能恶化°在定 子相电流中,存在着基频分SJ1-5)倍基频分就以 及(1-25)基频分在起动过程中，考察转差率 为,=0.5的特殊点(I -2.0 = 0,所以，当电机转速 到达同步速的一半时，即s =0.5时(I - 2、)倍基频 分量成为直流分量。由图6(小可以发现，定子相电 流波形图的口部岀现了明显不对称现象，这是因为 (1-25)倍基频分量在5 = 0.5呈现直流分量从而使 得定子电流正负幅值不相等所致。由图6(a)还可见，电机牵入同步的同时电流 开始下降;这是因为磁滞损

14、耗、涡流损耗随转差率的 减小而逐渐减小.所以定子输人的电功率降低，相电 流减4、;同时永磁体感应电势平衡了一部分定子电 压,所以定子电流进一歩降低一当、=0时，即电机 完全稳是运行于同步速时，涡流损耗与磁滞损耗为 零，此时转子永磁体、磁滞林料的感应电势与定子电 压的关系为” 1方一 M* : S5 ”H.i图6转差率特性与电谎特性殛 6 Slip and current charateristicsU=iz+E + EAv.(4)式中b为定子相电压矢就；i为定子相电流矢量: Z为定子阻抗：i?m和&心分别为转子水磁体磁滞 材料在定子绕组屮感应的反电势矢最.永磁体增加时，对定子电流的影响

15、如图7所示, 从图7可以发现,随着永磁体感应电势的增加 而使定子起动电流增加，稳态电流降低 在电机起 动阶段，永磁体在定子绕组中感应的(I - $ )匚频率 的电流分量的幅值与E。大小成正比,所以永磁体感 应电势的增加会导致起动电流增加；电机进人同步 以后、在负载功率不变的情况下，永磁体感应电勢的 增加会使水磁体感应电势与定子电压相量之间的夹 角减小：由式(4)知，此时定子阻抗压降iz減小, 在定子阻抗保持不变时,定子电流必然滅小.4转速特性由图8中可以发现随着永磁体感应电势的增CbJ图7永磯体对定子电流的影响 Fig.? The influence of the permanent magn

16、et on stator current加，必须考虑永磁体制动转矩对电机起动的彫响。r/s0 5£.(2£i.T1»If卜 111 “ 0961 &92 »« 9M eOS VW X： P®U*/>图8永磁体对转速特性的影响Fig. 8 The infliience of the permanent magnet on speed 加，由于永磁体制动转矩增加I,而使电机起动时间延 长。由图9可见随着永磁体在定子中感应电势Eo 的增加.即当永磁材料的比例增加到原来3借的时 候，转速在比较低的数值振荡，电机未能进入同步 如果

17、观察此时的永磁体制动转矩，(见图9(c).可 以发现在转速为2000 r/m附近水磁体制动转矩有 一个峰值,而旦图9(b)中可看到电机转速没有能够 超过这一数值，所以电机永磁材料不能无限制地增<c)图9永磁体蹙应电势为3E°时的转速特性(a) (b) 永礒体制动转矩-转速特性2) Fig.9 Speed chamcterixtic while PM rnduetd voltage is 3E.(a) (b) fPM braking torque versus speed charact£ristic(c)5实验结果本文对永磁磁滞同步电机，磁滞电机的电磁转 矩、定子电流

18、、起动时间分别进行了测试，见表1,对比的两台电机的主要设计数据见表2,两台 电机的定子采用相同结构，即定子极对数、槽形、尺 寸均相同，并且额定运行条件如频率、额定电压也相 同。从测试的数据可见永磁磁滞同步电机稳态电第10期冑义红尊：永磁磁滞同步电机运行特性分析7576中国电机工弄学报第N卷衰1永磁確滞同步电机滞电机测试数据Tab. 1 Tested results for the pennanent magnet hysteresis synchronous motor and hystereds motor起动电流I./A參态电流.起动功率録4率心w起动转矩/iN-m)同步牵入转 距/(Nm

19、)起动时御永磁磁滞同步电机0.6441D.29618.7506 1253.822 KT，5.488“ 1尸4 75礎滞电机心ton0 42018 50(1&0004.704 1(J'J4.606，HF'3 50衰2永或磁滞同步电机与磁滞电机主要设计数据对比Tab. 2 Comparison of (be primary design parameters of the permanent magnet hysteresissynchronous motor and hysteresis motor盹机觀涝环轴向氏度"nm水炭体轴向K«/rrjn維希环

20、外斥/mm倉滞环内拄巾切磁帶林料永磁蹙帶同步电机25.54.512 01U 52J4巒滞电机30.012 0m 5iH76中国电机工弄学报第N卷76中国电机工弄学报第N卷流降低同步牵人转矩堆大，6结论实验结果与仿真结果的一致性可以说明本文所 建立的数学模型以及基于此数学模型所建立的仿真 计算模型的结构是基本正确的。实验结果与仿真分析都表明：永磁体对于电机 的运行性能有非常取要的影响，永磁体在电机运行 过程中产生一项脉动转矩，脉动分量转矩在接近同 步速时使电机同步牵人转矩增加这对于电机的同 步是有利的;同时永磁体住气隙空间旋转切割定子 绕组.在定子中感应旋转电势从而产生与永磁体同 步旋转的电淤矢就。该电流与永磁体磁链作用，产 生永磁体制动转矩，在电机低速运行时它有一峰值亠 如果该项分童过大，即电机中采用了过多的永磁材 料，则在定于绕组中感应的电势过大，电机无法成功 实现自起动.电机只能在某一转速振荡、这对于电 机的起动是不利的。设计永磁磁滞同步电机时，不 能忽略制动转矩分量对电机起动的