提高感应伺服电动机起动性能的新型转子结构

杨光力，彭辉灯,谭 耳，卓 亮

(贵州航天林泉电机有限公司，贵阳 550008)

0 引 言

感应伺服电动机结构坚固、加工方便、价格便宜，随着感应伺服系统的难点逐渐被解决，感应伺服电动机的伺服性能大为改进，其在高性能领域的应用日益广泛。传统两相笼型感应伺服电动机采用高电阻率导条来提升电机的起动性能，同时使电机的机械特性更接近线性。但转子电阻过大时电机空载和负载运行时转速降低，电机的效率降低，功率减小。因此在不降低感应伺服电动机正常运行时转速和效率的前提下，进一步提高电机的起动性能，具有工程实际应用意义。

近年来，国内外学者对提高普通感应电动机的起动性能进行大量研究，主要包括对电机转子结构和转子材料的研究。在结构方面主要针对实心转子和复合转子的结构进行改进[1-5]，在材料方面主要改变转子材料的合金成分[6-8]。但对感应伺服电动机起动性能的研究比较少，文献[9]给出了两相感应伺服电动机以阶跃交流电压对主磁场供电及以交流电压同时对两磁场供电情况下计算瞬态起动转矩的方法；文献[10]建立了两相感应伺服电动机的数学模型，并给出了其动态特性仿真的方法。它们都没有对提高两相感应伺服电动机的起动性能进行研究。

本文针对某型航空中频笼型两相感应伺服电动机模型，通过分析笼型两相感应伺服电动机的起动性能及现有改善其起动性能的方法，提出了一种在单笼中插入2根导条的新型转子结构，通过Ansoft Maxwell 2D对电机模型进行起动性能仿真，并将仿真结果与传统单笼两相感应伺服电动机的起动性能进行对比，最后对制造的4台样机进行了起动性能测试。

1 两相感应伺服电动机起动性能分析及现有改善措施

1.1 两相感应伺服电动机起动性能分析

(a)

(b)

(c)

(d)

(a)

(b)

(c)

(d)

在两相感应伺服电动机起动时，转差率s=1，此时等效电路的电阻和电抗：

(1)

由于电机的电磁转矩：

(2)

式中：T1为正向旋转电磁场的电磁转矩；T2为反向旋转电磁场的电磁转矩；Pe1为正向旋转电磁场的电磁功率；Pe2为反向旋转电磁场的电磁功率；ns为同步转速。

由式(2)可知，此时电机的起动转矩与控制绕组电流的对称分量之差和同步转速有关，同一台电机的同步转速ns是确定的，即电机的起动转矩只与控制绕组电流的对称分量之差的大小相关。

控制绕组的正序阻抗和负序阻抗分别：

(3)

其中：

(4)

励磁绕组回路的正序阻抗和负序阻抗分别：

(5)

其中：

(6)

控制绕组的正序分量与负序分量分别：

(7)

1.2 现有改善两相感应伺服电动机起动性能措施

由两相感应伺服电动机的起动性能分析可知，当增大转子电阻时，电机的起动性能会提高。传统双笼型转子感应电机利用集肤效应增加转子起动时的电阻[12]，提高电机的起动性能，双笼槽形如图3所示。

图3 双笼转子槽形

为了减小转子的转动惯量、提高动态响应，传统两相感应伺服电动机笼型转子为细长结构，无法采用传统感应电机的双笼结构，所以通过采用高电阻率导条(如黄铜)来提高电机的起动性能。由电机学知识可知，电机额定运行转差率s将会随转子电阻的增大而增大，电机的电磁功率、总机械功率、转差功率(即转子铜耗)三者之比：

Pem∶Pmec∶Ps=1∶(1-s)∶s

(8)

由式(8)可知，当转差率增大时，转子铜耗将增大，当s=0.5时，转子铜耗等于总机械功率。虽然增加转子电阻能提高伺服电动机的起动性能，但在正常运行时，转子电阻过大将使得电机的转差率变大，电机空载和负载运行转速降低，电机效率低下，电机发热加重。

2 新型两相感应伺服电动机转子结构设计与仿真分析

2.1 新型转子结构设计

为了提高电机的起动性能，本文根据感应伺服电动机的特点，将转子槽形设计为平行齿的半闭口梨形槽结构，笼中插入2根导条。一方面，半闭口槽的槽开口较小，有利于铁心表面损耗、齿部损耗的减小；另一方面，还可以减小气隙系数和励磁电流，增加槽面积利用率，同时由于槽绝缘的弯曲程度小，故不易破损。新型转子槽形如图4所示。

图4 新型转子槽形

转子齿宽的设计公式：

(9)

式中：hr01=hr0+hr1；D2为转子铁心外径；Q2为转子槽数。

(10)

式中：hr02=hr01+hr2。

转子轭高hc2的计算公式：

(11)

最终设计出的新型转子结构槽形主要尺寸：r1=0.5 mm，r2=0.4 mm，hc2=1.5 mm，转子示意图如图5所示。从图5可以看出，上层导条的截面积要大于下层导条的截面积，本文转子上层导条材料使用电阻率为8.04×10-8Ω·m的黄铜，下层导条材料使用电阻率为2.17×10-8Ω·m的紫铜，电机主要尺寸参数如表1所示。

图5 新型转子结构图

表1 电机主要参数

2.2 新型转子起动性能分析

相比于传统单笼感应伺服电动机，新型转子感应伺服电动机的主要结构特点是转子的单笼槽形更深，且笼中插入了2根铜条。设电机起动瞬间下层与上层导条电流均为Ir，电感分别为L1和L2，与下层和上层导条交链的磁链分别为ψ1和ψ2，转差率s=1，定子频率为f1，转子频率为f2。由于下层导条与全部磁力线交链，而上层导条只与少数磁力线交链，故ψ1≫ψ2。又由下层与上层导条电感计算公式分别：

(12)

(13)

由于s=1，则f1=f2，故下层导体与上层导体电抗分别：

X1=2πf1L1

(14)

X2=2πf1L2

(15)

电机起动时f2与f1相等，且L1≫L2，则X1≫X2，则电流主要集中在电抗较小的上层导条。上层导条在起动时起主要作用，上层导条材料为电阻率大的黄铜，由前面分析可知，电机的起动转矩也会增大。当电机起动结束，f2减到最小，此时X1≈X2，电流分布主要取决于下层和上层导条的电阻值，而总的电阻值减小，电机的效率也会增高。

2.3 仿真分析

通过在Ansoft Maxwell 2D中建立两相感应伺服电动机二维有限元分析模型，新型双笼转子结构与传统单笼转子结构模型分别如图6和图7所示。

图6 新型转子两相感应伺服电动机模型

图7 单笼两相感应伺服电动机模型

本文所研究的两相感应伺服电动机工作电容为0.30～0.35 μF，仿真中我们将工作电容值分别设置为0.300 μF,0.325 μF,0.350 μF进行仿真。由于电机的起动电流和起动转矩，分别指其各绕组按额定运行时的接法及在额定电压和频率下且转子堵转时，所吸收的最大电流和产生的最低转矩，所以在Ansoft Maxwell 2D仿真中将转速设置为0堵转时，其仿真出的堵转转矩和堵转电流即为电机的起动转矩和起动电流。

对电机堵转运行时的模型完成各项设置进行求解，经过后处理得到了2种电机模型在3种工作电容下的堵转转矩-时间关系分别如图8和图9所示。2种电机模型控制绕组的堵转电流波形如图10和图11所示，可以看出3种工作电容下的电流波形重合在一条线上，电流的变化基本一致。励磁绕组的堵转电流波形如图12和图13所示。综合2种电机模型起动性能仿真结果对比如表2所示。新型转子结构的起动转矩更大，其中在工作电容为0.300 μF时为8.475 mN·m，比单笼结构起动转矩提高了约30%，其动态性能更好；另外，新型转子结构的起动励磁电流降低了约28%，但控制绕组起动电流增加了约6%。

图8 新型转子结构堵转转矩-时间关系

图9 单笼转子结构堵转转矩-时间关系

图10 新型转子结构控制绕组堵转电流波形

图11 单笼转子结构控制绕组堵转电流波形

图12 新型转子结构励磁绕组堵转电流波形

图13 单笼转子结构励磁绕组堵转电流波形

表2 2种转子结构堵转性能仿真结果对比

可以看出，新型转子结构提高了两相感应伺服电动机的起动转矩，降低了起动电流，对电机的起动性能改善效果较明显。

3 实验验证

为了验证新型转子结构两相感应伺服电动机提高起动性能的有效性，制造了4台样机，图14为样机的实物照片。表3为4台新型双笼转子结构两相感应伺服样机的实测数据。可以看出，4台样机的堵转性能的测试值与仿真值存在较小误差，实际测量的堵转转矩比仿真值略小，主要是由工艺和测量环境等因素造成的。

图14 样机实物图

表3 样机堵转性能测试数据

4 结 语

通过Ansoft Maxwell 2D仿真软件分别对传统单笼转子结构和新型双笼转子结构两相感应伺服电动机进行起动性能仿真，并对样机进行测试。仿真结果表明，新型转子结构两相感应伺服电动机在起动时由于集肤效应作用，转子起动转矩更大、起动电流更小；样机的测试性能与仿真结果基本一致，进一步验证了新型转子结构对提高两相感应伺服电动机起动性能的有效性。