铁氧体单相永磁辅助磁阻同步电动机研究

刘天知，李新华，张建华

(湖北工业大学，武汉 430068)



铁氧体单相永磁辅助磁阻同步电动机研究

刘天知，李新华，张建华

(湖北工业大学，武汉 430068)

研究一种新型铁氧体单相永磁辅助式磁阻同步电动机。这种电机与钕铁硼永磁单相同步电动机效率接近，但制造成本低，具有较高的性价比。文章首先对同一规格的单相异步电动机、钕铁硼永磁单相同步电动机和铁氧体单相永磁辅助式磁阻同步电动机三种单相电机进行了建模及仿真比较，然后分析了铁氧体单相永磁辅助式磁阻同步电动机的稳态性能，最后给出了22 W铁氧体单相永磁辅助式磁阻同步电动机样机的部分实验结果及其分析。

铁氧体；单相永磁辅助磁阻同步电动机；磁阻转矩；仿真分析；样机实验

0 引 言

电容起动与运转式单相异步电动机(以下简称单相异步电机)在家用电器中得到了广泛应用。但单相异步电机存在较大的转差损耗，效率低，如果用钕铁硼永磁单相同步电动机(以下简称钕铁硼单相电机)代替单相异步电机，效率会有明显上升[1]。然而随着钕铁硼永磁材料价格的不断上涨，钕铁硼单相电机的制造成本增加，市场竞争力减弱；另一方面，钕铁硼单相电机起动过程中存在较大的永磁制动转矩，电机带有较大惯量负载起动时会比较困难[2-3]。

近几年，铁氧体永磁辅助式磁阻同步电动机引起了人们的广泛关注[4-7]。本文研究一种新型铁氧体单相永磁辅助式磁阻同步电动机(以下简称铁氧体单相电机)。铁氧体单相电机的定子结构与单相异步电机相同，即定子上为两相正交绕组，且在辅相绕组中串入了电容器；转子上有起动笼和多层槽结构，槽内放置铁氧体永磁材料。铁氧体单相电机与钕铁硼单相电机相比优势是十分明显的：首先，铁氧体单相电机电磁转矩中永磁转矩比重减小，不需要较大的空载气隙磁场，可以使用比较廉价的铁氧体永磁材料，这样铁氧体单相电机的制造成本降低，与此同时，经过合理设计的铁氧体单相电机的效率可以接近或者达到钕铁硼单相电机的效率，因此，铁氧体单相电机具有很高的性价比；其次，由于铁氧体单相电机的空载气隙磁场很低，异步起动过程中的永磁制动转矩比较小，同步过程相对容易，可以带较大惯量的负载起动；再次，铁氧体电机耐高温能力比钕铁硼电机强；第四，三相永磁辅助式磁阻同步电动机的功率因数比较低[8]，但铁氧体单相电机定子辅相绕组中串入了电容器，可以有较高的功率因数。综上，铁氧体单相电机是一种低成本、高性能的单相电机，在家用电器等领域有着良好应用前景。

1 比较分析

为了比较单相异步电机、钕铁硼单相电机和铁氧体单相电机的起动和稳态性能，下面使用Maxwell软件对上述三种单相电机进行仿真分析。为此分别构建表1所示规格单相异步电机、钕铁硼单相电机和铁氧体单相电机的仿真模型，如图1所示。三种单相电机具有相同的定子铁心和绕组，定子均为24槽。钕铁硼单相电机的转子结构取自文献[3]。仿真时假定为泵类负载。

表1 单相电机的主要参数

(a)单相异步电机(b)钕铁硼单相电机(c)铁氧体单相电机

图1 三种单相电机的仿真模型

图2给出了三种单相电机起动过程转速的仿真波形。可见，单相异步电机起动过程最为平滑，但起动过程比较长；而钕铁硼单相电机和铁氧体单相电机起动过程则相对较短，铁氧体单相电机牵入同步过程比较顺利，钕铁硼单相电机同步前存在明显的转速振荡现象。

图2 三种单相电机的起动过程方正

表2给出了三种单相电机的稳态仿真结果。表中效率计算时只考虑了电机的铜耗和铁耗，电机效率的计算值会偏高。

表2 三种单相电动机的稳态仿真结果

表2结果表明，三种单相电机的功率因数基本相同，但与单相异步电机相比，钕铁硼单相电机和铁氧体单相电机的效率都有大幅上升，铁氧体单相电机效率略低于钕铁硼单相电机。钕铁硼单相电机永磁材料质量为0.027 kg/台，铁氧体单相电机永磁材料质量为0.045 kg/台，铁氧体单相电机永磁材料成本只有铁氧体单相电机的1/4左右。

2 性能分析

钕铁硼单相电机主要由永磁转矩驱动，然而铁氧体单相电机磁阻转矩比重明显上升，因此这种电机在性能上与钕铁硼单相电机有一定差别。

2.1 空载气隙磁密和电动势

对图1(b)、(c)所示的铁氧体单相电机和钕铁硼单相电机进行仿真，空载气隙磁密和空载相电动势波形如图3、图4所示。

图3 空载气隙磁密

图4 空载相电动势

铁氧体单相电机和钕铁硼单相电机的气隙磁密基波幅值分别为0.13 T和0.77 T，前者只有后者的1/6；铁氧体单相电机和钕铁硼单相电机的电动势基波分别为36 V和215 V，两者相差6倍。可见，铁氧体单相电机的空载气隙磁密和电动势是很低的。

2.2 主辅相电流

图5给出了是铁氧体单相电机和钕铁硼单相电机相、线电流和功率的关系曲线，该图是在电机辅相绕组串联2 μF电容时仿真得到的。从图可知，两种电机的线电流和辅相电流变化规律基本相同，但钕铁硼单相电机的主相电流有一个最小值，而铁氧体单相电机的主相电流则随输出功率增加呈下降趋势。

(a)铁氧体单相电机(b)钕铁硼单相电机

图5 两种单相电机电流与输出功率的关系

2.3 功角特性

图6给出了铁氧体单相电机和钕铁硼单相电机矩角特性的仿真曲线。可见，铁氧体单相电机最大电磁转矩时的功角比钕铁硼单相电机的大。由于铁氧体单相电机的磁阻转矩比钕铁硼单相电机的大，导致铁氧体单相电机最大电磁转矩对应功角增大；另一方面，铁氧体单相电机在功角0°～70°范围内的电磁转矩为负，属制动性质的转矩。

图6 两种电机的矩角特性曲线

2.4 永磁转矩和磁阻转矩

钕铁硼单相电机气隙磁密高，永磁转矩大；铁氧体单相电机气隙磁密低，永磁转矩较小。图7给出了铁氧体单相电机和钕铁硼单相电机永磁转矩和磁阻转矩的仿真结果。铁氧体单相电机磁阻转矩占总转矩的64.3%，钕铁硼单相电机磁阻转矩只占总转矩的23.4%，可见，铁氧体单相电机的磁阻转矩利用率较高。

图7 两种电机的转矩比较

3 样机试制及实验

为了验证铁氧体单相电机的性能，作者设计并制作了一台22 W铁氧体单相电机(以下简称样机)。表3是样机设计的主要参数。该样机定子铁心和绕组与22 W单相异步电机相同，转子铁心由轴钢切割制成，每极上有二层“U”形槽，图8为样机转子铁心，为了便于试制，起动笼用圆的紫铜条和紫铜环焊接而成。图9 为样机负载实验平台。图10是1 000 r/min时样机空载发电时主、辅相电动势实验波形。由于定转子均开槽，电动势中的齿谐波比较大，如果定子采用斜槽，电动势波形会得到一定改善。

表3 铁氧体单相电机样机主要设计参数

图8 22W样机转子铁心图9 样机实验平台

图8 22W样机转子铁心图9 样机实验平台

图10 样机主辅相空载相电动势波形

对样机进行负载实验。实验时辅相外接1.5 μF电容器，负载为型号QSZC-0.5的磁滞测功机。图11是样机负载特性曲线。由图可知，样机额定功率因数cosφ1=0.99，额定效率ηN= 44%。同规格单相异步电机的额定效率为38%，与单相异步电机相比效率提高了6%。

图11 样机的负载特性曲线

需要说明的是，由于受铁氧体材料尺寸等限制，样机转子结构设计尚未充分优化，因此，铁氧体单相电机的效率还有较大的提升空间。

4 结 语

铁氧体单相电机是一种新型的单相同步电动机。这种电机充分发挥了磁阻转矩的作用，不需要使用价格较高的钕铁硼永磁材料，可以接近或达到钕铁硼单相电机的力能指标，具有良好的性价比，在家用电器等领域有着良好的应用前景。

[1] 李新华，周克定.新型高效率的钕铁硼永磁单相同步电动机[J].湖北工学院学报，1999,14(S1):4-5.

[2] KURIHARA K,KUBOTA T,HORI M.Steady-state and transient performance analysis for a single-phase capacitor-run permanent-magnet motor with skewed rotor slots[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2010,57(1):44-51.

[3] 李新华，李蓉，翁萍.空调风机单相永磁同步电动机起动过程仿真研究[J].湖北工业大学学报，2011,26(3):66-69.

[4] KUMAR JHA A.Optimization of line start permanent magnet synchronous motor for magnet cost reduction[D].Stockholm,Sweden:Royal Institute of Technology,2012.

[5] ORTEGA DULANTO A.Design of a synchronous reluctance motor assisted with permanent magnets for pump applications[D].Stockholm,Sweden:Royal Institute of Technology,2015.

[6] 李新华，刘伟，黄贤蕾，等.异步起动永磁辅助式磁阻同步电动机研究[J].微特电机，2015,43(6):1-4.

[7] JEONG Y-H,KIM K,KIM Y-J,et al.Design characteristics of PMa-SynRM and performance comparison with IPMSM based on numerical analysis[C]//Proceedings of the 2012 International Conference on Electrical Machines,ICEM.2012.

[8] MORIMOTO S,SANADA M,TAKEDA Y.Performance of PM assisted synchronous reluctance motor for high efficiency and wide constant power operation[C]//Conference Record of the 2000 Industry Applications Conference.IEEE,2000:509-514.

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