组合式转子电机开环稳定性探讨

陈学珍,陈旭武,刘 俊

(湖北理工学院 电气与电子信息工程学院，湖北 黄石 435003)

组合式转子电机开环稳定性探讨

陈学珍,陈旭武,刘 俊

(湖北理工学院 电气与电子信息工程学院，湖北 黄石 435003)

组合式转子电机的转子由面贴式永磁段和高密度轴向叠片磁阻段组合而成。分析了2段d轴之间的夹角α对电机稳定性的影响，得出了组合式转子电机稳定运行时α角应满足的条件，并分别对α=0，α=45°和α=90°时3台组合式转子电机进行开环空载起动实验。实验结果表明该理论分析是正确的，为该组合式转子电机实用化提供了有力的理论依据。

组合式转子；稳定；开环

随着永磁材料的发展及价格的降低，永磁同步电机备受关注。我国虽盛产永磁材料，但大量使用也会导致资源馈乏，且永磁电机调速范围窄。因此既能节省永磁材料又能保留永磁电机优点，还能扩宽调速范围的电机才具有很好的发展前景，组合式转子电机正是这样的产物。组合式转子电机的定子与三相感应电机的定子相同，转子由高密度轴向叠片各向异性(ALA)磁阻段和面贴式永磁(SPM)段组合而成。ALA转子电机具有宽调速范围的优点[1-3]，克服了永磁电机弱磁难的缺点，合理设计可使组合式转子电机充分发挥ALA磁阻电机和永磁电机的优点。文献[4-5]在相邻叠片之间填充合适的永磁材料，讨论了非线性转矩特性和控制方式。文献[6]通过根轨迹方法分析了4极组合式转子电机的稳定性，并提出了附加机械惯性阻尼器可以改善电机的动稳态性能，实验验证了此方法简单、有效可行。文献[7]研究了4极组合式转子电机永磁段占转子全长比例k、永磁段d轴与ALA段d轴之间的夹角α对电机最大电磁转矩和弱磁能力的影响。本文主要讨论了α角对4极组合式转子电机开环稳定性能的影响。结果表明α角需满足一定的条件转子电机才能稳定运行。

1 组合式转子电机的结构和基本方程式

组合式转子电机由SPM段和ALA段组合而成，4极组合式转子电机结构图如图1所示。

图1 4极组合式转子结构图

为避免漏磁，在SPM段和ALA段之间加一定宽度的隔磁环。

组合式转子电机在dq坐标系下的向量图如图2所示，显然4极组合式转子电机的α角范围为0≤α≤90°。图1中de、qe和dp、qp分别为ALA段d轴、q轴和SPM段d轴、q轴；Ψf为永磁磁链；δ为功角。

图2 组合式转子电机在dq坐标系下的向量图

状态方程为：

(1)

式(1)中，B为机械粘性摩擦阻尼系数；ωs为定子同步电角速度；P为极对数；TL为负载转矩；J为电机的转动惯量。

2 组合式转子电机稳定性能分析

将式(1)进行小信号线性化得线性状态方程为:

(2)

其中:

Δu=ΔTL

式A(x)中下标为“0”的是稳态值。

将式(2)结合劳斯判据得系统稳定必须满足:

(3)

解式(3)得：δ0+β<α≤π+δ0-γ

(4)

(5)

结合α的实际范围得：

δ0+β<α≤90°

(6)

考虑到式(6)的β角与ω0有关，由式(5)知ω0越大，β越大。显然，在同样的电机参数下，α越小，电机稳定运行的速度越低；α越大，电机稳定运行的速度越高。

3 组合式转子电机实验研究

3.1组合式转子电机的转子结构

实验样机的定子与普通三相异步电动机Y100L1-4一样，转子由ALA段和SPM段组合而成。图3是组合式转子电机ALA段d轴和SPM段d轴之间夹角α分别为0°，45°和90°的转子实物图。

(a) α=0°

(b) α=45°

(c) α=90°

3.2组合式转子电机的等效电感参数测量

将电机任意两相绕组接正弦电源，采用静态法测得的参数作为电机的实际参数。图4分别为α=0°，α=45°和α=90°的组合式转子电机交轴电感Lq、直轴电感Ld与相电流的关系[8]曲线。

(a) α=0°

(b) α=45°

(c) α=90°

从测量结果发现3种组合式转子电机对应的Ld、Lq曲线随电流变化趋势相似，Lq基本不随电流的变化而变化，且值较小；Ld具有饱和特性，电流小于0.8 A时Ld随电流的增大而增大，达到最大值后随电流的增大而减小，饱和后基本不变，最终Ld>Lq。测量结果表明组合式转子电机具有ALA转子电机各向异性的特点，等效电感基本不受α角的影响。

3.3实验

实验使用Panasonic公司的通用变频器M1X374BSA供电，变频器供电下4极组合转子电机空载起动实验线路图如图5所示。

图5 变频器供电下4极组合转子电机空载起动实验线路图

α=0的组合式转子电机变频器空载起动限流未能测得转速波形。手动升频的实验结果记录于表1中。实验现象如下：当电源频率低于10 Hz时，电机能同步升速；在15～40 Hz之间时，随着电源频率上升，电机振荡剧烈，电流显著增大，噪声大；当电源频率升到41 Hz时变频器限流。

表1 逆变器供电下4极组合式转子电机空载起动实验记录

α=45°的组合式转子电机空载起动能自动升速到额定转速稳定运行，用示波器记录了逆变器加速时间分别设定为20 s和2.5 s时的转速曲线如图6所示 (电机的额定转速为1 500 r/min，纵轴每格对应的转速为345 r/min,下同)。从图6中可以看出，电机在起动过程中出现了明显波动。

(a) 起动时间为20 s

(b) 起动时间为2.5 s

α=90°的组合式转子电机自动升频空载起动的转速曲线如图7所示。电机在从0～1 500 r/min自动升速的过程中，转速波动不明显，且具有快速响应能力。

4 结论

组合式转子电机2段d轴之间的夹角对电机开环空载起动稳定性影响很大，理论分析得出：α越小，电机稳定运行的速度越低；α越大，电机稳定运行的速度越高。通过3种组合式转子电机开环变频空载起动实验，验证了理论分析的正确性。

[1] 辜承林，易明军.轴向迭片各向异性转子电机振荡及异步运行分析[J].中国电机工程学报,2000,20(12):7-10.

[2] Chalmers B J,Musaba L.Design and field-weakening performance of a synchronous reluctance motor with axially-laminated rotor [J].IEEE Transactions on Industry Applications,1998,34(5):1035-1041.

[3] 辜承林,Chalmers B J.高密度轴向叠片式ALA转子同步电机的优化设计[J].中国电机工程学报,1998,18(1):29-33.

[4] 赵宇,宁圃奇,柴建云.新型复合转子永磁磁阻电机设计[J].电机与控制应用,2007,34(1):7-10.

[5] 郭伟,赵争鸣.新型同步磁阻永磁电机的结构与电磁参数关系分析[J].中国电机工程学报, 2005,25(11):124-128.

[6] 陈学珍,辜承林.组合转子同步电机稳定性探讨[J].电机与控制学报,2010,14(12):41- 46.

[7] 陈学珍，辜承林.ALA+SPM组合转子同步电机设计探讨[J].中国电机工程学报,2010,30(21):98-102.

[8] 陈学珍.新型ALA+SPM合式转子电机设计及实验研究[D].武汉：华中科技大学，2011.

(责任编辑吴鸿霞)

Research on Open-loop Stability of Combined Rotor Machine

ChenXuezhen，ChenXuwu，LiuJun

(School of Electrical and Electronic Information Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003)

The combined rotor machine is made up of a high density axially laminated magnetic reluctance segment and a surface permanent magnet segment.Influences on the stability of the machine are analyzed for the different angleαbetween two-part d-axis,the conclusion has been drawn that the stable operation of the combined rotor motor can be obtained when the angleαmeets the certain conditions. And open-loop and no-load starting experiments on combined rotor motor are respectively completed whenα=0,α= 45° andα=90°,the experimental results show that theoretical analysis is correct,which provides the reliable theoretical evidence for the combined rotor motor to realize the practical application.

combined rotor;stability;open-loop

2013-10-18

湖北理工学院优秀中青年创新团队项目；湖北理工学院创新人才项目(项目编号13xjz04C)；湖北省优秀中青年创新团队项目(项目编号T201223)；湖北省教育厅项目(项目编号B2013068)。

陈学珍(1971— )，女，教授，博士，研究方向：特种电机的设计与控制。

10.3969/j.issn.2095-4565.2014.01.001

TM351

A

2095-4565(2014)01-0001-04