收稿日期:1999-06-04
教育部博士点专项基金(97048732)和湖北省自然科学基金(98J 066)资助
设计分析
高凸极比轴向叠片式转子电机设计及其参数测定
易明军 辜承林
(华中理工大学,武汉430074)
Design and Verif ication of a High Saliency ALA Rotor Motor Yi Ming jun G u Chenglin
(Hua zhong Univ ersity of Science and Technolog y,Wuhan 430074)
【摘 要】 介绍了一台三相两极A L A 转子电机的设计制作过程,总结了两极AL A 转子设计的一般法则,并采用静态法对电机的参数进行了测定。结果表明,制作出的AL A 转子电机具有很高的凸极比(不饱和值达到11.8),并有潜在的优异性能。
【关键词】 轴向叠片各向异性转子 磁阻同步电机 凸极比 参数
中图分类号:TM 35 文章标识码:A 文章编号:1004-7018(2000)02-0015-03
【Abstract 】 Th e prog ram to des ig n a two -po le AL A moto r is introduced ,and some desig n ex periences ar e summarized .In par ticula r ,th e static m easur em ent is used to verify the pa rameters of a proto type moto r.Results sho w that the moto r ha s a high saliency ra tio(11.8unsaturated),which make it av ailable fo r a po tential hig h -perfo rmance applicatio n .
【Keywords 】 axially -lamina ted a nisotro pic (AL A )ro tor relucta nce sy nchro no us machine (R SM ) saliency ra tio
pa rameters 1引 言
轴向叠片各向异性(Axially -Laminated Aniso tropic,简称为ALA)转子磁阻同步电机是在传统的磁阻式转子电机基础上发展起来的,是现代高品质交流变速传动发展的产物[1,2]。这种新型磁阻电机早于1966年由Cruickshank 和M enzies 提出,自90年代以来获得了较快的发展,特别是英、美两国的研究比较深入。在互联网上的查询显示[3],美国Berkeley 大学的Seth.R.Sanders 教授
制作的2极60kW 的ALA 转子电机,转速可达
48000r /min ,而效率超过了95%!本文介绍的一台三相两极2.2kW 的ALA 转子电机实验样机的凸极比在不饱和时达到了11.8。
2ALA 转子电机结构与特点
ALA 转子电机本质上仍是一种磁阻电机,其定子与普通交流电机定子相似,而转子结构非常独特。具体说来,转子上除了无槽无导体之外,最大特点就是转子本体采用高导磁材料和非导磁材料叠片沿轴向交替高密叠压而成,致使叠片宽度和厚度方向的磁阻率高度各向异性,电感L d /L q 的比值(即凸极比,a =L d /L q )很大,一般可为普通凸极电机的5～20倍。而ALA 转子电机设计中重要的参数也是凸极比a ,这一参数几乎决定了电机的各项运行性能指标,因此如何获得高的a 值往往成为
ALA 转子电机设计的关键[4,5]
。
图1是本课题组制作的一台三相两极ALA 转子电机的截面图和转子结构示意图。其转子叠片经叠压后在两侧夹上夹板,并用螺钉紧固,然后加工成圆柱形,再由转子轴套接的两个端盖于转子铁心两端压装总成
。
图1 AL A 转子电机截面图和转子结构示意图
由于ALA 转子电机采用无铜损转子结构,故运行过程中基本上不存在转子发热问题;而由于转子表面光滑,磁阻连续变化,因而转矩脉动和运行
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噪声都很小;此外,高凸极比和高L d值使得电机具有高效率、高功率因数、高转矩密度和高过载能力等优点[1,2,6];同步运行的方式使控制系统相对简单而可靠;又因电机运行过程中仅由定子侧提供电磁激励,故很容易实现弱磁控制和高速运行。
综上可知,基于ALA转子电机优异的综合性能,其在高品质交流变速传动领域和高速传动领域,如快速响应变速传动、高速主轴传动、大功率驱动中具有非常广阔的应用前景,并可望作为发电机在水力和风力发电以及航空航天工业中得以应用。
3实验样机设计与制作
3.1定子
实验样机定子采用型号为Y90L-2的三相异步电动机定子,其基本数据为极对数p=1,额定功率P N=2200W,额定电压(相)U N=220V,额定频率f N=50Hz,功率因数cos h=0.86,额定效率Z= 0.8,定子外径D W=130mm,定子内径D n=72mm,铁心长度l=110m m,槽形半开口槽,定子槽数Z =18,每槽线数N c=58,绕组形式单层交叉,跨距y1=9,并联支路数a=1,相电阻r s=
2.5Ψ。
3.2转子
为了增强电机直轴导磁率,同时减小交轴导磁率,转子导磁叠片采用武钢生产的有取向高导磁的变压器用冷轧硅钢片(牌号为Q09),叠压时以直轴方向为高导磁方向,非导磁兼绝缘材料采用胶纸板,两者厚度之比(纸片经叠压后)K t=0.30.169,叠片数目n=123,转子极靴宽度张角[4]T p=108. 7°,转子外径D r=71.6m m,气隙长度W=0.2mm,转子铁心有效长度l=110m m。
3.3转子加工过程
对两极ALA转子,在尽量获取最大凸极比的同时,尤其要注意保证转子的牢固性和同心度,同时要保证导磁叠片之间的绝缘[7]。为此,在转子的设计制作过程中,采用以下步骤。
首先,转子导磁叠片和非导磁绝缘叠片按设计的尺寸留一定余量剪切,为防止硅钢片表面的毛刺穿透纸片而使叠片导通,剪切后须将叠片表面打磨。接着将叠片钻出三个销孔后,将硅钢片涂上环氧树脂(为了增强硅钢片与纸片之间的粘合力)后和纸片沿轴向交替高密叠压,叠压成形后,在转子叠片的两侧夹上夹板,再用套上绝缘套的不锈钢螺杆穿过铁心销孔紧固,以此增强铁心的完整性和牢固性,完成后将铁心放入烘箱烘干。
转子铜端盖与铁心结合的一端要挖出一个凹面,形成一个“套子”,以利于和铁心的连接与紧固。两极转子的轴不通过铁心,而由左、右两个部分组成。将转子轴与加工好的铜端盖热套在一起,为增强两者连接的紧固性,用一销钉打入销孔销住两者。在已成一体的转子铁心两端各车出一个台阶面,在此台阶面上装上绝缘套,将转子轴与铜端盖组成的连接器略微加热后套接在铁心的台阶面上,这时铜端盖凹面与铁心凸面之间仍留有一个气隙面,以保证两者之间绝缘。为了使连接器同铁心牢固连接,并承受电机运行时圆周方向的剪切力,沿轴向在端盖的铜端面加工螺孔,螺孔钻入铁心凸面一定深度并攻丝,再拧上圆头螺钉,螺钉同端盖的接触面装上绝缘套,从而保证了铁心导磁叠片不会通过铜端盖形成闭合回路。
完成以上加工步骤后,将转子作为一体在车床上加工出大致的形状,然后用磨床精磨加工,最后给转子轴装上轴承,从而整个转子加工完成,图2就是采用上述工艺制作的电机转子组装图。
实践证明,采用上述设计方案和加工工艺制作出的转子相当牢固,转子表面非常光滑,具有很高的同心度,同时也保证了铁心叠片之间的绝缘
。
图2 转子组装图
代号名 称材 料数 量
1转子铁心硅钢片、纸片123+122
2转子夹板电木2
3垫片黄铜6
4六角螺栓黄铜6
5双头螺栓不锈钢3
6半圆头螺钉钢10
7铁心端盖黄铜2
8紧固销钉钢2
9轴承钢2
10转子轴1钢1
11转子轴2钢1
总结两极ALA转子电机的设计、制作经验,主要有以下几点:
16微特电机 2000年第2期
(1)设计时根据ALA转子的优化设计方法及转子强度计算[4],同时兼顾最大凸极比和转子强度安全系数;
(2)由于两极转子的轴不是一个整体,因而在设计、加工时应充分考虑到转子的牢固性和同心度;
(3)为避免转子铁心叠片之间出现磁路导通而使电机交轴自感增大的现象,制作转子的材料中除了导磁叠片之外,其他材料都应是非导磁体;
(4)要尽量避免转子出现导电闭合回路(包括交、直轴两个方向),以减小电机非稳定运行时感应产生的异步转矩,故使转子成为一体的紧固连接件(如螺钉,不锈钢杆,铜套等)都要套上绝缘套;
(5)设计时应充分考虑转子铁心叠片之间应力的影响,合理布置紧固螺杆的分布距离及夹板厚度,以保证最终加工出的转子铁心不出现变形。
4参数测量
ALA转子电机的参数,特别是交、直轴电感的大小及其比值(凸极比)对电机的性能有重要影响,因此,如何准确而简便地测量ALA转子电机的参数是研究中的重要内容之一。目前,已有多种测量参数的方法,较为常用的就有静态法、小转差法、零功率法、直接负载法、空载负载实验法和P-Q圆图法等[7,8]。在这几种测量方法中,静态法最为简便。由于ALA电机转子上没有电流通道,因而由测量得到的值即为交、直轴同步电感,并且能够测量到较大电流变化范围内电机自感的变化曲线。鉴于静态法的简便及测量值的宽范围等优点,故此在测量中采用了这个方法。
图3是实验原理图。静态法测参数时,先用调压器对ALA转子电机定子的一相绕组加以频率为f (f=5～50Hz,在条件许可情况下,尽可能用低频)的交流电,连续调节电压,同时缓慢地转动电机转子,记录下电压表、电流表出现的最大值和最小值。由于电机定子电枢只有一相绕组通电,因而流经该相绕组的电流将会产生与该相绕组轴线重合、变化频率为f的脉振磁势。当电机直轴同该相绕组轴线重合时,脉振磁势磁路的磁阻最小,电感达到最大值L max,电流为最小值I min,而具有内阻的电压源输出电压达到最大值U max;当电机交轴同该相绕组轴线重合时,电感为最小值L min,电流达到最大值I max,电压亦为最小值U min。由此,定子一相绕组对应的交、直轴电感值的计算式为:
L max=(U max/I min)2-(r s+r A)2/2πf
L min=(U min/I max)2-(r s
+r A)2/2πf
(1)式中:r s是定子相绕组电阻,可由万用表或电桥测得,r A为电流表内阻。
图3 静态测参数实验线路图
由以上测量方法可知,L min、L max分别对应定子一相交、直轴电感。由Park交换,电机三相合成交、直轴电感就是[7]
L d≈1.5L max
L q≈1.5L min
(2) 图4是实验数据经式(1)、(2)计算得出的电机交、直轴电感及凸极比曲线。从图中可以看出,电机的直轴自感及凸极比在相电流越过0.23倍额定值后即开始出现饱和现象,而交轴电感一直保持为常数。从实验数据可知,
电机的直轴自感不饱和值最大为627m H,交轴自感只有54m H,从而凸极比的不饱和值高达11.8,即便在深度饱和情况下(励磁电流标么值大于1)也超过了5.4。可见,制作出的ALA转子电机具有相当高的凸极比。
图4 自感及凸极比曲线
5结 语
两极ALA转子电机设计制作(下转第33页)
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图4 空间电压矢量平面和多边形磁链轨迹图
|λ1|=3|Δλ|
磁链增量矢量
Δλ=VΔt1
V为空间电压矢量,Δt1为电压矢量作用时间,空间电压矢量幅值:
|V|=V dc-i dc R
式中:V de为逆变器输入端直流电压,i dc为电压矢量作用时的直流电流,R为逆变器通电回路总电阻,故
|Δλ|=(V dc-i dc R)Δt1
为保证旋转磁链幅值恒定,必须保证|Δλ|恒定,在忽略直流电压波动和电阻压降影响时,只须保证Δt1=常数。 将设计好的多边形磁链轨迹按照一定的逻辑关系写入GAL编程器。GAL编程器就可输出六路PWM信号以驱动逆变器六只功率器件,产生所需要的空间电压矢量。
采用带有起动补偿单元及效率控制单元的多边形磁链轨迹方案实现最小电流控制,可以使电机提高其低频起动转矩,保证U/f=常数控制的精度,使其工作在最佳效率的稳定工作状态。
4结 论
根据永磁同步电动机矢量图分析可知,在cos h =1时电枢电流并非最小,故永磁电机宜采用最小电流控制。本文采用磁链轨迹控制实现恒转矩负载的最小电流控制,并给出了控制原理图,本方案具体电路正在实施中。
参 考 文 献
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第一作者简介:韩英桃,女,1960年生,工程师,主要从事电机及其控制技术应用研究。
(上接第17页)
的实践表明,采用本文介绍的设计加工工艺,可以获得相当高的凸极比及直轴自感,从而使电机具有潜在的优异性能。而且,由于ALA电机转子上没有绕组,故可通过静态法测量电机的参数。样机的实验研究结果表明,进一步的改进设计还应考虑对转子铁心两侧叠片沿轴向进行分段或打上槽口,以避免电机非稳定运行时在转子交轴方向的平面叠片中感应出涡流,产生对电机运行不利的异步转矩[7]。
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