楊光力，彭輝燈,譚 耳，卓 亮

(貴州航天林泉電機有限公司，貴陽 550008)

0 引 言

感應伺服電動機結(jié)構(gòu)堅固、加工方便、價格便宜，隨著感應伺服系統(tǒng)的難點逐漸被解決，感應伺服電動機的伺服性能大為改進，其在高性能領(lǐng)域的應用日益廣泛。傳統(tǒng)兩相籠型感應伺服電動機采用高電阻率導條來提升電機的起動性能，同時使電機的機械特性更接近線性。但轉(zhuǎn)子電阻過大時電機空載和負載運行時轉(zhuǎn)速降低，電機的效率降低，功率減小。因此在不降低感應伺服電動機正常運行時轉(zhuǎn)速和效率的前提下，進一步提高電機的起動性能，具有工程實際應用意義。

近年來，國內(nèi)外學者對提高普通感應電動機的起動性能進行大量研究，主要包括對電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子材料的研究。在結(jié)構(gòu)方面主要針對實心轉(zhuǎn)子和復合轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)進行改進[1-5]，在材料方面主要改變轉(zhuǎn)子材料的合金成分[6-8]。但對感應伺服電動機起動性能的研究比較少，文獻[9]給出了兩相感應伺服電動機以階躍交流電壓對主磁場供電及以交流電壓同時對兩磁場供電情況下計算瞬態(tài)起動轉(zhuǎn)矩的方法；文獻[10]建立了兩相感應伺服電動機的數(shù)學模型，并給出了其動態(tài)特性仿真的方法。它們都沒有對提高兩相感應伺服電動機的起動性能進行研究。

本文針對某型航空中頻籠型兩相感應伺服電動機模型，通過分析籠型兩相感應伺服電動機的起動性能及現(xiàn)有改善其起動性能的方法，提出了一種在單籠中插入2根導條的新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，通過Ansoft Maxwell 2D對電機模型進行起動性能仿真，并將仿真結(jié)果與傳統(tǒng)單籠兩相感應伺服電動機的起動性能進行對比，最后對制造的4臺樣機進行了起動性能測試。

1 兩相感應伺服電動機起動性能分析及現(xiàn)有改善措施

1.1 兩相感應伺服電動機起動性能分析

(a)

(b)

(c)

(d)

(a)

(b)

(c)

(d)

在兩相感應伺服電動機起動時，轉(zhuǎn)差率s=1，此時等效電路的電阻和電抗：

(1)

由于電機的電磁轉(zhuǎn)矩：

(2)

式中：T1為正向旋轉(zhuǎn)電磁場的電磁轉(zhuǎn)矩；T2為反向旋轉(zhuǎn)電磁場的電磁轉(zhuǎn)矩；Pe1為正向旋轉(zhuǎn)電磁場的電磁功率；Pe2為反向旋轉(zhuǎn)電磁場的電磁功率；ns為同步轉(zhuǎn)速。

由式(2)可知，此時電機的起動轉(zhuǎn)矩與控制繞組電流的對稱分量之差和同步轉(zhuǎn)速有關(guān)，同一臺電機的同步轉(zhuǎn)速ns是確定的，即電機的起動轉(zhuǎn)矩只與控制繞組電流的對稱分量之差的大小相關(guān)。

控制繞組的正序阻抗和負序阻抗分別：

(3)

其中：

(4)

勵磁繞組回路的正序阻抗和負序阻抗分別：

(5)

其中：

(6)

控制繞組的正序分量與負序分量分別：

(7)

1.2 現(xiàn)有改善兩相感應伺服電動機起動性能措施

由兩相感應伺服電動機的起動性能分析可知，當增大轉(zhuǎn)子電阻時，電機的起動性能會提高。傳統(tǒng)雙籠型轉(zhuǎn)子感應電機利用集膚效應增加轉(zhuǎn)子起動時的電阻[12]，提高電機的起動性能，雙籠槽形如圖3所示。

圖3 雙籠轉(zhuǎn)子槽形

為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量、提高動態(tài)響應，傳統(tǒng)兩相感應伺服電動機籠型轉(zhuǎn)子為細長結(jié)構(gòu)，無法采用傳統(tǒng)感應電機的雙籠結(jié)構(gòu)，所以通過采用高電阻率導條(如黃銅)來提高電機的起動性能。由電機學知識可知，電機額定運行轉(zhuǎn)差率s將會隨轉(zhuǎn)子電阻的增大而增大，電機的電磁功率、總機械功率、轉(zhuǎn)差功率(即轉(zhuǎn)子銅耗)三者之比：

Pem∶Pmec∶Ps=1∶(1-s)∶s

(8)

由式(8)可知，當轉(zhuǎn)差率增大時，轉(zhuǎn)子銅耗將增大，當s=0.5時，轉(zhuǎn)子銅耗等于總機械功率。雖然增加轉(zhuǎn)子電阻能提高伺服電動機的起動性能，但在正常運行時，轉(zhuǎn)子電阻過大將使得電機的轉(zhuǎn)差率變大，電機空載和負載運行轉(zhuǎn)速降低，電機效率低下，電機發(fā)熱加重。

2 新型兩相感應伺服電動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真分析

2.1 新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了提高電機的起動性能，本文根據(jù)感應伺服電動機的特點，將轉(zhuǎn)子槽形設(shè)計為平行齒的半閉口梨形槽結(jié)構(gòu)，籠中插入2根導條。一方面，半閉口槽的槽開口較小，有利于鐵心表面損耗、齒部損耗的減小；另一方面，還可以減小氣隙系數(shù)和勵磁電流，增加槽面積利用率，同時由于槽絕緣的彎曲程度小，故不易破損。新型轉(zhuǎn)子槽形如圖4所示。

圖4 新型轉(zhuǎn)子槽形

轉(zhuǎn)子齒寬的設(shè)計公式：

(9)

式中：hr01=hr0+hr1；D2為轉(zhuǎn)子鐵心外徑；Q2為轉(zhuǎn)子槽數(shù)。

(10)

式中：hr02=hr01+hr2。

轉(zhuǎn)子軛高hc2的計算公式：

(11)

最終設(shè)計出的新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)槽形主要尺寸：r1=0.5 mm，r2=0.4 mm，hc2=1.5 mm，轉(zhuǎn)子示意圖如圖5所示。從圖5可以看出，上層導條的截面積要大于下層導條的截面積，本文轉(zhuǎn)子上層導條材料使用電阻率為8.04×10-8Ω·m的黃銅，下層導條材料使用電阻率為2.17×10-8Ω·m的紫銅，電機主要尺寸參數(shù)如表1所示。

圖5 新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖

表1 電機主要參數(shù)

2.2 新型轉(zhuǎn)子起動性能分析

相比于傳統(tǒng)單籠感應伺服電動機，新型轉(zhuǎn)子感應伺服電動機的主要結(jié)構(gòu)特點是轉(zhuǎn)子的單籠槽形更深，且籠中插入了2根銅條。設(shè)電機起動瞬間下層與上層導條電流均為Ir，電感分別為L1和L2，與下層和上層導條交鏈的磁鏈分別為ψ1和ψ2，轉(zhuǎn)差率s=1，定子頻率為f1，轉(zhuǎn)子頻率為f2。由于下層導條與全部磁力線交鏈，而上層導條只與少數(shù)磁力線交鏈，故ψ1?ψ2。又由下層與上層導條電感計算公式分別：

(12)

(13)

由于s=1，則f1=f2，故下層導體與上層導體電抗分別：

X1=2πf1L1

(14)

X2=2πf1L2

(15)

電機起動時f2與f1相等，且L1?L2，則X1?X2，則電流主要集中在電抗較小的上層導條。上層導條在起動時起主要作用，上層導條材料為電阻率大的黃銅，由前面分析可知，電機的起動轉(zhuǎn)矩也會增大。當電機起動結(jié)束，f2減到最小，此時X1≈X2，電流分布主要取決于下層和上層導條的電阻值，而總的電阻值減小，電機的效率也會增高。

2.3 仿真分析

通過在Ansoft Maxwell 2D中建立兩相感應伺服電動機二維有限元分析模型，新型雙籠轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)單籠轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)模型分別如圖6和圖7所示。

圖6 新型轉(zhuǎn)子兩相感應伺服電動機模型

圖7 單籠兩相感應伺服電動機模型

本文所研究的兩相感應伺服電動機工作電容為0.30～0.35 μF，仿真中我們將工作電容值分別設(shè)置為0.300 μF,0.325 μF,0.350 μF進行仿真。由于電機的起動電流和起動轉(zhuǎn)矩，分別指其各繞組按額定運行時的接法及在額定電壓和頻率下且轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)時，所吸收的最大電流和產(chǎn)生的最低轉(zhuǎn)矩，所以在Ansoft Maxwell 2D仿真中將轉(zhuǎn)速設(shè)置為0堵轉(zhuǎn)時，其仿真出的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和堵轉(zhuǎn)電流即為電機的起動轉(zhuǎn)矩和起動電流。

對電機堵轉(zhuǎn)運行時的模型完成各項設(shè)置進行求解，經(jīng)過后處理得到了2種電機模型在3種工作電容下的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩-時間關(guān)系分別如圖8和圖9所示。2種電機模型控制繞組的堵轉(zhuǎn)電流波形如圖10和圖11所示，可以看出3種工作電容下的電流波形重合在一條線上，電流的變化基本一致。勵磁繞組的堵轉(zhuǎn)電流波形如圖12和圖13所示。綜合2種電機模型起動性能仿真結(jié)果對比如表2所示。新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的起動轉(zhuǎn)矩更大，其中在工作電容為0.300 μF時為8.475 mN·m，比單籠結(jié)構(gòu)起動轉(zhuǎn)矩提高了約30%，其動態(tài)性能更好；另外，新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的起動勵磁電流降低了約28%，但控制繞組起動電流增加了約6%。

圖8 新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩-時間關(guān)系

圖9 單籠轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩-時間關(guān)系

圖10 新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)控制繞組堵轉(zhuǎn)電流波形

圖11 單籠轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)控制繞組堵轉(zhuǎn)電流波形

圖12 新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)勵磁繞組堵轉(zhuǎn)電流波形

圖13 單籠轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)勵磁繞組堵轉(zhuǎn)電流波形

表2 2種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)堵轉(zhuǎn)性能仿真結(jié)果對比

可以看出，新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)提高了兩相感應伺服電動機的起動轉(zhuǎn)矩，降低了起動電流，對電機的起動性能改善效果較明顯。

3 實驗驗證

為了驗證新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)兩相感應伺服電動機提高起動性能的有效性，制造了4臺樣機，圖14為樣機的實物照片。表3為4臺新型雙籠轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)兩相感應伺服樣機的實測數(shù)據(jù)?？梢钥闯觯?臺樣機的堵轉(zhuǎn)性能的測試值與仿真值存在較小誤差，實際測量的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩比仿真值略小，主要是由工藝和測量環(huán)境等因素造成的。

圖14 樣機實物圖

表3 樣機堵轉(zhuǎn)性能測試數(shù)據(jù)

4 結(jié) 語

通過Ansoft Maxwell 2D仿真軟件分別對傳統(tǒng)單籠轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和新型雙籠轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)兩相感應伺服電動機進行起動性能仿真，并對樣機進行測試。仿真結(jié)果表明，新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)兩相感應伺服電動機在起動時由于集膚效應作用，轉(zhuǎn)子起動轉(zhuǎn)矩更大、起動電流更??；樣機的測試性能與仿真結(jié)果基本一致，進一步驗證了新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對提高兩相感應伺服電動機起動性能的有效性。