基于电机叠压异性转子磁路及参数性能的分析＊

吾布里·阿依丁

（新疆工程学院电气与信息工程系，新疆 乌鲁木齐 830091）

基于电机叠压异性转子磁路及参数性能的分析＊

吾布里·阿依丁

（新疆工程学院电气与信息工程系，新疆 乌鲁木齐 830091）

提出了一种新型组合式转子同步电机，目的是解决轴向叠片各向异性转子电机的振荡和异步运行问题。对电机的结构和参数计算进行了介绍，并在简化分析基础上推导了新电机的交、直轴电抗和空载电势计算公式。系统介绍了电机的磁场、参数及性能的分析计算方法及其数值实施过程，并结合实例对电机的结构、参数和性能进行较为详细的分析和讨论。

磁阻同步电机；电机磁路分析；参数性能

1 引言

轴向叠片各向异性转子电机是适应高品质交流变速传动需要而发展起来的一种新型磁阻同步电机，其结构特点是转子铁芯由轴向未经分段处理的整块导磁叠片和非导磁绝缘材料叠片交替叠压而成。轴向叠片各向异性转子电机的性能分析和参数计算多采用有限元磁场分析方法进行［1］，完全采用磁路分析方法并不多见。与有限元法相比较，磁路法要粗略得多，不可能定量研究轴向叠片各向异性转子电机的磁场分布，但简易实用，尤其是可以对一些有限元分析难以经济求解的特殊问题能给出简明结果，因而仍具有重要应用价值。如在某些非正常情况下，两极轴向叠片各向异性转子电机可能因振荡失步而发生异步运行［2］，此时，由于转差率较大，定子旋转磁场会在未经分段处理的转子铁芯叠片中感应出较大的电流，并产生较大的“单轴转矩”［3］。这一转矩在略大于1／2同步速处为负值，有可能将电机“卡住”在该转速附近振荡或作异步运行，严重影响电机的运行性能。解决这一问题的有效途径是对转子导磁叠片进行分段处理，以割断叠片中的涡流回路，消除或减小单轴转矩的危害。然而，轴向叠片各向异性电机转子的叠片数很多，为保证强度，不可能都进行分段处理，而运动导体涡流电磁场的有限元求解又非常昂贵，因此，借助于磁路分析方法，近似求取q轴磁通分布及q轴磁阻大小，则有可能以最经济手段寻求到改进电机运行特性的最有效途径。本文为此进行深入研究，并结合实验样机给出具有重要理论意义和实用价值的分析结果。

轴向叠片各向异性转子电机作为一种新型磁阻电机，自20世纪90年代以来得到国内外众多科研人员的重视和关注。与传统电机相比，该电机沿用普通交流电机定子，转子则采用导磁材料和非导磁绝缘材料的矩形叠片沿轴向交替高密叠压而成，如图1所示为q轴磁通进入转子铁芯后的等效磁网络，其导磁性能呈现高度各向异性，凸极比Ld／Lq可达普通电机的10-20倍。电机因而具有高效率、高功率因数、高过载倍数、低运行噪声等一系列优点，在高品质交流变速驱动领域有着极为广阔的应用前景。

在样机实验中，发现两极高密度轴向叠片各向异性转子电机变频启动时有可能出现振荡和异步运行情况。具体表现为电源频率高于某一临界值时，电机失步，并在1／2同步速附近上下振荡。经研究发现，造成这一现象的根本原因是转子q轴叠片回路在变频启动时感应出涡流，进而产生“单轴转矩”，该转矩在略大于1／2同步速时由正变负，使得电机“卡”在半速附近不能继续升速为减小单轴转矩对启动性能的不利影响，需设法让电机在启动时增加同步转矩，使合成转矩曲线Tp有所提升，以减小或消除振荡区域，为此设计出新型组合式高密度轴向叠片各向异性转子电机。

2 电机磁路分析

高密度轴向叠片各向异性转子电机的d轴磁路较为简单，磁通从定d轴方向到达叠片另一侧，再径向穿过气隙回到定子铁芯［4］，与普通各向同性转子电机的分析过程完全类同。因此，本文仅着重于q轴磁路的分析。因高密度轴向叠片各向异性转子电机以d、q轴为对称中心，在以下的分析中，可以只分析转子铁芯的一侧，而认为另一侧的结果相同。当q轴方向的磁通Φa从定子铁芯进入转子铁芯外侧第1片叠片a后，部分磁通将变向对称地沿着叠片宽度方向（即d轴方向）流通，然后穿过气隙回到定子铁芯，如图1中Φy1、Φy2所示；另一部分将穿过导磁叠片的厚度方向（即q轴方向）进入到下一块导磁叠片b，如图1中Φb所示。与此类似，当Φb进入叠片b后，同样会分成3部分。进而考虑到转子铁芯导磁叠片或非导磁叠片每片都近似相同，于是可将转子叠片形成的q轴磁回路等效地考虑为如图1所示的磁路。

图1 q轴磁通进入转子铁芯后的等效磁网络

图1中，R0为导磁叠片a、b之间的磁阻，Ry为从a点沿导磁叠片d轴方向过d轴等效气隙回到定子铁芯的磁阻。

式中：vy为导磁叠片在y方向的磁阻率；v0为非导磁叠片的磁阻率；tc和t0分别为导磁叠片和非导磁叠片的厚度；δy为y方向气隙长度；l和h为叠片的有效长度和平均宽度。因空气磁阻率和非导磁叠片磁阻率相近，同取为v0，又v0≫vy（v0≈8× 105m·H-1，vy＝50m·H-1），上式简化为

设图1中q轴磁路的等效总磁阻为Ra。由于转子铁芯导磁叠片数目很多，可以认为磁通在穿过叠片a进入叠片b后遇到的磁阻仍然是Ra，因此，可将图1简化为图2。由图2可知，磁阻为：

图2 转子q轴磁网络的简化模型

由此可得：

通常，经优化设计的高密度轴向叠片各向异性电机转子的极靴张角大致约120°，导磁叠片厚度大致是非导磁叠片厚度的2倍，此时

可见，当磁通Φa进入第1块导磁叠片后，只有0．88倍的磁通能够穿透这块叠片而进入到下一块导磁叠片。依此类推，当磁通穿过10片以上的叠片后，其大小将只有初始大小的20%左右。因此可近似认为，q轴的磁通全部被转子铁芯最外层的10块导磁叠片导入d轴方向，穿过气隙进入定子铁芯，而不再链及其余的导磁叠片。

3 结束语

两极高密度轴向叠片各向异性转子电机q轴磁通主要被转子铁芯最外层的10片导磁叠片从d轴方向导入定子铁芯，几乎不再链及其余的导磁叠片。因此，对导磁叠片分段处理时，可以只处理转子铁芯每侧最外层的10片即可。而本文得出的电机q轴磁通在转子导磁叠片中的分布情况及q轴磁阻大小的结论，对分析高密度轴向叠片各向异性转子电机异步运行时转子叠片中产生的单轴转矩极具参考价值。同时，本文对高密度轴向叠片各向异性转子电机q轴磁路的分析方法对定性研究此类电机的磁场分布也具有示范作用。

轴向叠片各向异性转子电机作为一种新型电机，在许多方面具有优异的运行性能。然而，单轴转矩的存在影响了两极轴向叠片各向异性转子电机的变频启动特性。新结构转子在原有基础上适当加入部分永磁材料，借助永磁剩磁场产生的同步转矩使合成转矩曲线有所提升，因而能改善电机的启动性能。本文介绍了新电机的结构特点，同时结合磁路分析法和傅立叶分解分别计算了永磁段和高密度轴向叠片各向异性段的d、q轴电抗以及空载电势E0，并依据叠加原理，进而求得新电机的交、直轴电抗参数。经过一台2．2kW的实际样机计算检验，所得结果与实测值近似，误差小于9%，证明这种分析方法是可行的。

［1］辜承林，李朗如．切转子轴向叠压各向异性（ALA）电机磁场、参数及性能的分析与计算［J］．中国电机工程学报，1994，14（3）：14-20．

［2］易明军．ALA转子电机及其控制系统的研究［D］．武汉：华中理工大学，1999．

［3］许实章，等．电机学（下册）［M］．北京：机械工业出版社，1990．［4］Boldea I，Nasar S A．EmergingElectricMachineswithAxially-Laminated Anisotropic Rotors：Areview［J］．EMPS，1991，19：673-703．

［5］辜承林，BJChalmers．高密度轴向叠片式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．

［6］Staton D A E，Miller TJE，Wood SE．Maximising the Saliency RatiooftheSynchronousReluctanceMotor［J］．IEE-B，1993，140（4）：249-259．

［7］辜承林．机电动力系统分析［M］．武汉：华中理工大学出版社，1998，293-295．

［8］易明军．ALA转子电机及其控制系统的研究［D］．华中理工大学硕士学位论文，1999．

［9］朱建华．组合式转子同步电动机新结构探讨［R］．华中理工大学毕业设计报告，2000．

［10］陈俊峰．永磁电机［M］．北京：机械工业出版社，1982．

Analysis of laminated anisotropic motor rotor magnetic circuit and parameters performance

Obul Aydin
（Xinjiang Institute of Electrical and Information Engineering，Urumqi 830091，China）

A novel combined rotor synchronous motor is put forward,which is to solve the operating problems of ALA rotor oscillation and asynchronous motor．The structure and parameters calculation of the motor are introduced,and the calculating formula of direct axis reactance and the no-load EMF are derived on the basis of simplifying analysis．The analysis calculation methods and its numerical implementation process of magnetic field,parameters and performance for this motor are also introduced．

reluctance synchronous motor;motor magnetic circuit analysis;parameters performance

TM341

A

2013-03-20

新疆工程学院技支计划项目［201323］

1005—7277（2014）01—0028—03

吾布里·阿依丁（1963-），新疆轮台县人，副教授，主要从事煤矿自动控制工程研究。