同步磁阻電動機研究

　　摘要：該文根據能量平衡觀點，以異步電動機為參照，較全面地分析了Xd、Xq和凸極比K對磁阻電動機性能的影響，討論了凸極比適合值的選擇問題，并指出對cosj小于0.85以下的小容量電機，同步磁阻電動機在應用中可與異步電動機匹敵。

　　關鍵詞：同步磁阻電動機;凸極比;異步電動機

　　同步磁阻電動機由于結構簡單，轉子不存在電磁損耗，能避免開關磁阻電機的噪聲大及低速運行時力矩脈動顯著等缺點，近年來逐漸引起人們的研究興趣，特別是1991年著名學者T.A.Lipo教授發表文章提出同步磁阻電動機在交流驅動系統中替代異步電動機的可能性的問題[1]以后，更引起眾多學者的關注。遺憾的是所發表的文章都是以分馬力電機為例來討論問題，而這種微型電機在交流系統中占不了什么位置。然而，替代大量使用的異步電動機是一個重要的命題。它不僅在性能上意味著同步磁阻電動機能等同或超過異步電動機，而且在容量上至少要達到kW級，不能只在分馬力電機中打轉。在認真對待同步磁阻電動機的應用前景時，首先引起研究者注意的是如何克服長期以來阻礙同步磁阻電動機廣泛應用的功率因數偏低及與同尺寸的異步電動機比較其出力偏小的問題。從同步電機的基本運行原理來看，它與磁阻電動機的凸極比密切相關。所以，迄今為止大量研究文章都聚焦于尋找增大同步磁阻電動機凸極比的方法上。然而，電機是機電能量轉換的機械，它的運行規律必須遵守能量轉換規律。能量必須有載體，而載體在承載能量時有限制。這是討論問題的前提和依據。凸極比只能在這個限制下發揮作用。據此，本文展開了對磁阻電動機的研究，并認為同步磁阻電機與同容量的鼠籠電機有共同的定子，它們只是在轉子結構上不同。在此基礎上來研究同步磁阻電動機的應用前景。

　　2 相量圖與基本公式 圖1為同步磁阻電機的相量圖。根據這個相量關系可以導出同步磁阻電機的基本公式如下：

　　電壓方程：

　　輸入功率和輸出轉矩：

　　3幾個問題的分析幾個問題的分析幾個問題的分析幾個問題的分析

　　3.1 出力與凸極比的關系

　　若忽略定子繞組電阻r，則電機輸出轉矩表達式(8)簡化為：

　　可見，電機的輸出轉矩隨凸極比增大，這正是迄今為止大多數研究文章追求高凸極比的重要原因。然而從能量平衡的觀點看，電機的輸出是由輸入決定的。因筆者認為同步磁阻電動機與普通交流電機有共同的定子，則電機的輸入相電壓U、相電流I的允許值可認為是確定的，即電機的視在功率S=mUI一定，這樣輸入功率P=mUIcosΦ只有在cosΦ的變化范圍內能夠適當調整，則同步磁阻電動機的輸出力矩不可能隨K無限增大。其次，若將異步電動機的過載能力作為同步磁阻電動機的參考指標，則由KM=1/sin2θe可得在額定工作狀態下的功角θe=1/2arcsin(1/KM)。Y系列異步電動機過載能力的實際值大體在2-3的范圍，則性能與異步電動機相匹敵的磁阻電動機的θe約在10°-15°的范圍，由式(11)，K值也就大體確定了范圍。顯然，過分追求增大凸極比也沒必要。

　　為了方便對所討論的磁阻電動機的性能與相同定子的異步電動機作比較，將部分Y系列4極異步電動機的若干數據列于表1。