劉天知，李新華，張建華

(湖北工業(yè)大學(xué)，武漢 430068)

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鐵氧體單相永磁輔助磁阻同步電動機研究

劉天知，李新華，張建華

(湖北工業(yè)大學(xué)，武漢 430068)

研究一種新型鐵氧體單相永磁輔助式磁阻同步電動機。這種電機與釹鐵硼永磁單相同步電動機效率接近，但制造成本低，具有較高的性價比。文章首先對同一規(guī)格的單相異步電動機、釹鐵硼永磁單相同步電動機和鐵氧體單相永磁輔助式磁阻同步電動機三種單相電機進行了建模及仿真比較，然后分析了鐵氧體單相永磁輔助式磁阻同步電動機的穩(wěn)態(tài)性能，最后給出了22 W鐵氧體單相永磁輔助式磁阻同步電動機樣機的部分實驗結(jié)果及其分析。

鐵氧體；單相永磁輔助磁阻同步電動機；磁阻轉(zhuǎn)矩；仿真分析；樣機實驗

0 引 言

電容起動與運轉(zhuǎn)式單相異步電動機(以下簡稱單相異步電機)在家用電器中得到了廣泛應(yīng)用。但單相異步電機存在較大的轉(zhuǎn)差損耗，效率低，如果用釹鐵硼永磁單相同步電動機(以下簡稱釹鐵硼單相電機)代替單相異步電機，效率會有明顯上升[1]。然而隨著釹鐵硼永磁材料價格的不斷上漲，釹鐵硼單相電機的制造成本增加，市場競爭力減弱；另一方面，釹鐵硼單相電機起動過程中存在較大的永磁制動轉(zhuǎn)矩，電機帶有較大慣量負載起動時會比較困難[2-3]。

近幾年，鐵氧體永磁輔助式磁阻同步電動機引起了人們的廣泛關(guān)注[4-7]。本文研究一種新型鐵氧體單相永磁輔助式磁阻同步電動機(以下簡稱鐵氧體單相電機)。鐵氧體單相電機的定子結(jié)構(gòu)與單相異步電機相同，即定子上為兩相正交繞組，且在輔相繞組中串入了電容器；轉(zhuǎn)子上有起動籠和多層槽結(jié)構(gòu)，槽內(nèi)放置鐵氧體永磁材料。鐵氧體單相電機與釹鐵硼單相電機相比優(yōu)勢是十分明顯的：首先，鐵氧體單相電機電磁轉(zhuǎn)矩中永磁轉(zhuǎn)矩比重減小，不需要較大的空載氣隙磁場，可以使用比較廉價的鐵氧體永磁材料，這樣鐵氧體單相電機的制造成本降低，與此同時，經(jīng)過合理設(shè)計的鐵氧體單相電機的效率可以接近或者達到釹鐵硼單相電機的效率，因此，鐵氧體單相電機具有很高的性價比；其次，由于鐵氧體單相電機的空載氣隙磁場很低，異步起動過程中的永磁制動轉(zhuǎn)矩比較小，同步過程相對容易，可以帶較大慣量的負載起動；再次，鐵氧體電機耐高溫能力比釹鐵硼電機強；第四，三相永磁輔助式磁阻同步電動機的功率因數(shù)比較低[8]，但鐵氧體單相電機定子輔相繞組中串入了電容器，可以有較高的功率因數(shù)。綜上，鐵氧體單相電機是一種低成本、高性能的單相電機，在家用電器等領(lǐng)域有著良好應(yīng)用前景。

1 比較分析

為了比較單相異步電機、釹鐵硼單相電機和鐵氧體單相電機的起動和穩(wěn)態(tài)性能，下面使用Maxwell軟件對上述三種單相電機進行仿真分析。為此分別構(gòu)建表1所示規(guī)格單相異步電機、釹鐵硼單相電機和鐵氧體單相電機的仿真模型，如圖1所示。三種單相電機具有相同的定子鐵心和繞組，定子均為24槽。釹鐵硼單相電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)取自文獻[3]。仿真時假定為泵類負載。

表1 單相電機的主要參數(shù)

(a)單相異步電機(b)釹鐵硼單相電機(c)鐵氧體單相電機

圖1 三種單相電機的仿真模型

圖2給出了三種單相電機起動過程轉(zhuǎn)速的仿真波形。可見，單相異步電機起動過程最為平滑，但起動過程比較長；而釹鐵硼單相電機和鐵氧體單相電機起動過程則相對較短，鐵氧體單相電機牽入同步過程比較順利，釹鐵硼單相電機同步前存在明顯的轉(zhuǎn)速振蕩現(xiàn)象。

圖2 三種單相電機的起動過程方正

表2給出了三種單相電機的穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果。表中效率計算時只考慮了電機的銅耗和鐵耗，電機效率的計算值會偏高。

表2 三種單相電動機的穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果

表2結(jié)果表明，三種單相電機的功率因數(shù)基本相同，但與單相異步電機相比，釹鐵硼單相電機和鐵氧體單相電機的效率都有大幅上升，鐵氧體單相電機效率略低于釹鐵硼單相電機。釹鐵硼單相電機永磁材料質(zhì)量為0.027 kg/臺，鐵氧體單相電機永磁材料質(zhì)量為0.045 kg/臺，鐵氧體單相電機永磁材料成本只有鐵氧體單相電機的1/4左右。

2 性能分析

釹鐵硼單相電機主要由永磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動，然而鐵氧體單相電機磁阻轉(zhuǎn)矩比重明顯上升，因此這種電機在性能上與釹鐵硼單相電機有一定差別。

2.1 空載氣隙磁密和電動勢

對圖1(b)、(c)所示的鐵氧體單相電機和釹鐵硼單相電機進行仿真，空載氣隙磁密和空載相電動勢波形如圖3、圖4所示。

圖3 空載氣隙磁密

圖4 空載相電動勢

鐵氧體單相電機和釹鐵硼單相電機的氣隙磁密基波幅值分別為0.13 T和0.77 T，前者只有后者的1/6；鐵氧體單相電機和釹鐵硼單相電機的電動勢基波分別為36 V和215 V，兩者相差6倍?？梢?，鐵氧體單相電機的空載氣隙磁密和電動勢是很低的。

2.2 主輔相電流

圖5給出了是鐵氧體單相電機和釹鐵硼單相電機相、線電流和功率的關(guān)系曲線，該圖是在電機輔相繞組串聯(lián)2 μF電容時仿真得到的。從圖可知，兩種電機的線電流和輔相電流變化規(guī)律基本相同，但釹鐵硼單相電機的主相電流有一個最小值，而鐵氧體單相電機的主相電流則隨輸出功率增加呈下降趨勢。

(a)鐵氧體單相電機(b)釹鐵硼單相電機

圖5 兩種單相電機電流與輸出功率的關(guān)系

2.3 功角特性

圖6給出了鐵氧體單相電機和釹鐵硼單相電機矩角特性的仿真曲線。可見，鐵氧體單相電機最大電磁轉(zhuǎn)矩時的功角比釹鐵硼單相電機的大。由于鐵氧體單相電機的磁阻轉(zhuǎn)矩比釹鐵硼單相電機的大，導(dǎo)致鐵氧體單相電機最大電磁轉(zhuǎn)矩對應(yīng)功角增大；另一方面，鐵氧體單相電機在功角0°～70°范圍內(nèi)的電磁轉(zhuǎn)矩為負，屬制動性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩。

圖6 兩種電機的矩角特性曲線

2.4 永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩

釹鐵硼單相電機氣隙磁密高，永磁轉(zhuǎn)矩大；鐵氧體單相電機氣隙磁密低，永磁轉(zhuǎn)矩較小。圖7給出了鐵氧體單相電機和釹鐵硼單相電機永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩的仿真結(jié)果。鐵氧體單相電機磁阻轉(zhuǎn)矩占總轉(zhuǎn)矩的64.3%，釹鐵硼單相電機磁阻轉(zhuǎn)矩只占總轉(zhuǎn)矩的23.4%，可見，鐵氧體單相電機的磁阻轉(zhuǎn)矩利用率較高。

圖7 兩種電機的轉(zhuǎn)矩比較

3 樣機試制及實驗

為了驗證鐵氧體單相電機的性能，作者設(shè)計并制作了一臺22 W鐵氧體單相電機(以下簡稱樣機)。表3是樣機設(shè)計的主要參數(shù)。該樣機定子鐵心和繞組與22 W單相異步電機相同，轉(zhuǎn)子鐵心由軸鋼切割制成，每極上有二層“U”形槽，圖8為樣機轉(zhuǎn)子鐵心，為了便于試制，起動籠用圓的紫銅條和紫銅環(huán)焊接而成。圖9 為樣機負載實驗平臺。圖10是1 000 r/min時樣機空載發(fā)電時主、輔相電動勢實驗波形。由于定轉(zhuǎn)子均開槽，電動勢中的齒諧波比較大，如果定子采用斜槽，電動勢波形會得到一定改善。

表3 鐵氧體單相電機樣機主要設(shè)計參數(shù)

圖8 22W樣機轉(zhuǎn)子鐵心圖9 樣機實驗平臺

圖8 22W樣機轉(zhuǎn)子鐵心圖9 樣機實驗平臺

圖10 樣機主輔相空載相電動勢波形

對樣機進行負載實驗。實驗時輔相外接1.5 μF電容器，負載為型號QSZC-0.5的磁滯測功機。圖11是樣機負載特性曲線。由圖可知，樣機額定功率因數(shù)cosφ1=0.99，額定效率ηN= 44%。同規(guī)格單相異步電機的額定效率為38%，與單相異步電機相比效率提高了6%。

圖11 樣機的負載特性曲線

需要說明的是，由于受鐵氧體材料尺寸等限制，樣機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計尚未充分優(yōu)化，因此，鐵氧體單相電機的效率還有較大的提升空間。

4 結(jié) 語

鐵氧體單相電機是一種新型的單相同步電動機。這種電機充分發(fā)揮了磁阻轉(zhuǎn)矩的作用，不需要使用價格較高的釹鐵硼永磁材料，可以接近或達到釹鐵硼單相電機的力能指標，具有良好的性價比，在家用電器等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。

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Study of Ferrite Single-Phase Permanent-Magnet Assisted Synchronous Reluctance Motor

LIUTian-zhi,LIXin-hua,ZHANGJian-hua

(Hubei University of Technology,Wuhan 430068,China)

A novel-type ferrite single-phase permanent-magnet assisted reluctance synchronous motor was mainly studied in the paper.Compared with the NdFeB single-phase synchronous motor, this machine has lower manufacturing cost and higher performance with almost the same efficiency.Firstly, the simulation models of the single-phase induction motor, NdFeB single-phase synchronous motor and ferrite single-phase synchronous motor were built with the same specification and performances above motors are compared; Secondly, some steady-state performances of single-phase ferrite permanent-magnet assisted reluctance synchronous motor were analyzed by the simulation；Lastly, some experimental results and analysis were presented about the prototype of 22 W ferrite single-phase permanent-magnet assisted reluctance synchronous motor.

ferrite; single-phase permanent magnet assisted synchronous reluctance motor; reluctance torque; simulation analysis; prototype test

2015-07-31

TM351；TM352

A

1004-7018(2016)09-0001-03