组合转子同步电机弱磁调速研究

陈学珍，徐　刚

(1湖北理工学院 电气与电子信息工程学院，湖北 黄石 435003;2湖北三峡职业技术学院，湖北 宜昌 443000)



组合转子同步电机弱磁调速研究

陈学珍1，徐刚2

(1湖北理工学院 电气与电子信息工程学院，湖北 黄石 435003;2湖北三峡职业技术学院，湖北 宜昌 443000)

针对永磁转子电机弱磁难的缺点，设计制造了永磁段和高密度轴向叠片各向异性段组合的转子同步电机。分析了组合转子同步电机弱磁调速原理，结构上削弱了永磁体磁链，增大了直轴电感，易于弱磁。通过同步变频发电机组供电实验，得到调速范围2倍于基速。表明组合转子电机弱磁性能优于永磁电机。

组合转子;同步电机;弱磁

多叠片结构的ALA同步磁阻电机的转子表面光滑，磁阻变化连续[1-3]，大大减小了低速运行时转矩脉动和噪声，而且具有宽广的调速范围，但转矩密度不高。永磁同步电机(SPM)具有高效、高功率因数和高转矩密度的优点[4-6]，但因永磁磁链远大于直轴电枢反应磁链，调速范围窄。文献[7]在ALA转子叠片之间填加永磁，成为一种复合转子电机，改善了弱磁性能，但结构复杂。英国学者Chalmers首次提出将两者按一定的比例组合，能够克服各自的缺点，获得更好的性能[8-9]。文献[10]讨论了组合转子电机的稳定性好于单一的ALA转子电机。文献[11]研究了不同组合转子电机的负载特性，结果表明组合转子结构不同，负载性能也不同，通过优化转子结构得到最佳负载特性电机。文献[12]研究了组合转子电机开环稳定性，理论分析和实验表明组合转子永磁段和磁阻段偏转角的大小对开环稳定性影响很大。显然，在组合电机稳定性方面已做了大量研究工作，而在弱磁方面的研究比较少。本文主要研究组合转子电机的弱磁调速性能。

1　组合式转子电机弱磁调速原理

组合转子的结构见图1，SPM段与ALA段之间设置一个4 mm的隔磁环，为讨论方便，设永磁段占转子全长的比值为k。

(a)　SPM段截面

(b)　组合转子的侧视图

(c)　ALA段截面

忽略电阻的影响，两相dq旋转坐标系相量图如图2所示。

由相量图得电压方程式:

(1)

其中:

(2)

式(2)中Lp为SPM段电感，Lda和Lqa分别为ALA段直轴电感和交轴电感。

图2　组合转子电机dq相量图

(3)

当Id为极限电流Ilim，则电机理想的最高转速计算表达式为:

(4)

将式(3)两边平方并整理得:

(5)

组合转子电机Ld>Lq，由式(5)得电压极限轨迹是椭圆，随着ω增大，椭圆长轴和短轴缩小，椭圆变小。dq轴电流在电压电流限制条件下轨迹如图3所示。组合转子电机电压极限椭圆圆心在电流极限圆的圆外，电压极限椭圆越小，转速越高。

图3　电压电流极限轨迹

2　弱磁调速实验

采用同步变频发电机组进行弱磁调速实验，考虑发电机组本身的容量、速度和机械强度的限制，选择组合转子电机的基准速度为600 r/min，相电压为88 V。在调速过程中，保持相电压不变，缓慢调节发电机组的频率，以提高同步转速。当组合转子电机的速度超过600 r/min时，继续升高发电机组的频率，反电动势就会比端电压高，直轴电流反向，电机弱磁运行。分别保持恒功率600 W和800 W进行实验，用转速计测量转速，得到恒功率弱磁曲线如图4所示,图4中实线为拟合曲线，点为实测值。由实测数据可得600 W恒功率调速范围接近于2倍基速，相信采用弱磁控制器闭环调速会有更宽的调速范围，后续文章将对其进行研究。

图4　恒功率弱磁曲线

3　结束语

通过弱磁调速理论分析得出：由SPM段和ALA段组合而成的转子电机在结构上削弱了永磁磁链，增大了直轴电感Ld，加强了直轴电枢反应，改善了弱磁，调速范围比永磁电机宽。完成的同步变频发电机组供电实验得到2倍基速，充分证明组合转子电机弱磁调速性能优于单一的面贴式永磁同步电机。

[1]辜承林.机电动力系统分析[M].武汉：华中科技大学出版社，1998:293-295.

[2]杜成顺.ALA转子电机无传感器变频调速系统实验研究[D].武汉:华中科技大学,2007.

[3]周立求,朱建华,辜承林.轴向叠片各向异性转子同步磁阻电机直接转矩控制的研究[J].中国电机工程学报,2006,26(4):154-158.

[4]卢东斌，欧阳明高，谷靖，等.电动汽车永磁同步电机最优制动能量回馈控制[J].中国电机工程学报，2013，33(3):85-91.

[5]王庆龙，张兴，张崇巍.永磁同步电机矢量控制双滑模模型参考自适应系统转速辨识[J].中国电机工程学报，2014，34(6):897-902.

[6]李景灿，廖勇.考虑饱和及转子磁场谐波的永磁同步电机模型[J].中国电机工程学报，2011，31(3)：60-66.

[7]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.

[8]Chalmers BJ,Akmese R,Musaba L.Design and field-weakening performance of permanent-magnet/reluctance motor with two-part rotor[C].Proceeding Institution Electrical Engineering,1998,145(2):133-139.

[9]Chalmers BJ,Musaba L.Design and field-weakening performance of a synchronous reluctance motor with axially-laminated rotor[J].IEEE Transactions on Industry Applications,1997,1(5):1035-1041.

[10]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.

[11]陈学珍，陈旭武，刘俊.组合转子电机稳定性和负载性能比较研究[J].微特电机,2014，42(10)：1-3，12.

[12]陈学珍，陈旭武，刘俊.组合式转子电机开环稳定性探讨[J].湖北理工学院学报，2014，30(1)：1-5.

(责任编辑吴鸿霞)

Research on Field-weakening Speed Adjusting of CombinedRotor Synchronous Motor

Chen Xuezhen1, Xu Gang2

(1School of Electrical and Electronic Information Engineering,HuBei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003;2Hubei Three Gorges Polytechnic,Yichang Hubei 443000)

Aiming at the difficult operation of Field-weakening on permanent magnet rotor motor,a rotor synchronous motor making up of permanent magnet section and high density Axially-Laminated Anisotropic(ALA)section is designed and manufactured.The field-weakening speed control principle of combined rotor synchronous motor is analyzed,the permanent magnet flux is weakened in structure,the direct axis inductance increases,field-weakening becomes easy.The experiment of synchronous variable frequency generator power supply has been done and the obtained adjusting speed range is 2 times of the base speed range,which verifies that the field-weakening performance of combined rotor motor can be better than that of the permanent magnet motor.

combined rotor;synchronous motor;field-weakening

2016-05-12

湖北省自然科学基金项目(项目编号：2014CFC1092);湖北理工学院创新人才项目(项目编号：13xjz04C)。

陈学珍，教授，博士，研究方向：电机及其控制。

10.3969/j.issn.2095-4565.2016.04.001

TM341

A

2095-4565(2016)04-0001-03