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

(湖北工業大學，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

(湖北工業大學，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態性能，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果及其分析。

鐵氧體；單相永磁輔助磁阻同步電動機；磁阻轉矩；仿真分析；樣機實驗

0 引 言

電容起動與運轉式單相異步電動機(以下簡稱單相異步電機)在家用電器中得到了廣泛應用。但單相異步電機存在較大的轉差損耗，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構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；轉子上有起動籠和多層槽結構，槽內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勢是十分明顯的：首先，鐵氧體單相電機電磁轉矩中永磁轉矩比重減小，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，經過合理設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。綜上，鐵氧體單相電機是一種低成本、高性能的單相電機，在家用電器等領域有著良好應用前景。

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態性能，下面使用Maxwell軟件對上述三種單相電機進行仿真分析。為此分別構建表1所示規格單相異步電機、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子結構取自文獻[3]。仿真時假定為泵類負載。

表1 單相電機的主要參數

(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速的仿真波形?？梢?，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速振蕩現象。

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態仿真結果。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態仿真結果

表2結果表明，三種單相電機的功率因數基本相同，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量為0.027 kg/臺，鐵氧體單相電機永磁材料質量為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矩驅動，然而鐵氧體單相電機磁阻轉矩比重明顯上升，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、線電流和功率的關系曲線，該圖是在電機輔相繞組串聯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?？梢?，鐵氧體單相電機最大電磁轉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矩比釹鐵硼單相電機的大，導致鐵氧體單相電機最大電磁轉矩對應功角增大；另一方面，鐵氧體單相電機在功角0°～70°范圍內的電磁轉矩為負，屬制動性質的轉矩。

圖6 兩種電機的矩角特性曲線

2.4 永磁轉矩和磁阻轉矩

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

圖7 兩種電機的轉矩比較

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是樣機設計的主要參數。該樣機定子鐵心和繞組與22 W單相異步電機相同，轉子鐵心由軸鋼切割制成，每極上有二層“U”形槽，圖8為樣機轉子鐵心，為了便于試制，起動籠用圓的紫銅條和紫銅環焊接而成。圖9 為樣機負載實驗平臺。圖10是1 000 r/min時樣機空載發電時主、輔相電動勢實驗波形。由于定轉子均開槽，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計參數

圖8 22W樣機轉子鐵心圖9 樣機實驗平臺

圖8 22W樣機轉子鐵心圖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cosφ1=0.99，額定效率ηN= 44%。同規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，樣機轉子結構設計尚未充分優化，因此，鐵氧體單相電機的效率還有較大的提升空間。

4 結 語

鐵氧體單相電機是一種新型的單相同步電動機。這種電機充分發揮了磁阻轉矩的作用，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，在家用電器等領域有著良好的應用前景。

[1] 李新華，周克定.新型高效率的釹鐵硼永磁單相同步電動機[J].湖北工學院學報，1999,14(S1):4-5.

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[3] 李新華，李蓉，翁萍.空調風機單相永磁同步電動機起動過程仿真研究[J].湖北工業大學學報，2011,26(3):66-69.

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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