單相寫極永磁同步電機仿真與建模

湖南工業大學電氣與信息工程學院 羅仔翼

湖南工業大學電氣與信息工程學院 電傳動控制與智能裝備湖南省重點實驗室 曾進輝

湖南工業大學電氣與信息工程學院 陽文闖

0 引言

寫極永磁同步電機是一種新型永磁同步電機，是基于感應電機和同步電機的混合設計，具有啟動電流低、功率因數高、啟動轉矩大、慣量大和瞬時重復啟動強等能力，且有運行電壓范圍寬、允許以低同步轉速運行等優點[1]。

圖1 寫極電機結構

圖2 寫極電機轉矩特性

電機結構如圖1所示。定子主繞組類似常規電機的主繞組。定子繞組上有由集中勵磁繞組構成的勵磁磁極。轉子表面有轉子磁層，在電機運行狀態下，轉子磁層被勵磁磁極磁化，“寫”成需要的磁極數。轉子磁層下有高電阻籠型繞組，在電機啟動時，轉子磁層產生磁滯轉矩，鼠籠繞組導條感生出感應電流，在定子旋轉磁場的作用下產生異步轉矩。當磁滯轉矩與異步轉矩共同作用將轉子加速到約80%的同步速時，勵磁繞組通電，在轉子磁層上寫下磁極。產生的同步轉矩將轉子牽入同步后，隨后勵磁磁極斷開，轉子磁極與定子旋轉磁場共同作用，寫極電機以同步狀態運行，轉矩特性如圖2所示。

1 單相寫極永磁同步電機數學模型

由于單相寫極電機定子中的主繞組和啟動繞組的存在，以及相應電流的不對稱,使得單相寫極電動機不對稱。因此用于傳統三相電機的方法不能用于單相寫極電機。在本文中，通過考慮單相寫極電機的混合特性，提出了一個適用于瞬態和穩態的動態模型。通過求解這些方程可以得到單相寫極電機主輸出參數。分析單相寫極電機的動態特性，建立一個電機性能模型。電機參數是關于轉子轉速的函數，除當轉子失速情況外，微分方程系數都是時變的。電機在寫極前后需要在啟動和滿載條件中選擇兩個不同的參考系，降低了控制方程的復雜性[2-4]。電壓和轉矩方程定子繞組是在空間正交中布置不相同的正弦分布繞組。假定主繞組as具有Ns等效匝數和電阻rs，輔助繞組bs的等效匝數及電阻值分別為Ns和rs。在轉子中采用高電阻鼠籠繞組，轉子繞組可視為是正交分布在兩個相同正弦的分布繞組，每個繞組的等效匝數和電阻為rr。將變量轉換為靜止參考系，產生以下電壓方程：

其中，ωb用于計算反作用的基極角速度，每秒磁通量方程：

轉矩和轉子轉速關系為：

當電動機達到同步速度的80%時，勵磁線圈通電，轉子磁層被勵磁磁極磁化，“寫”入所需磁極數后，勵磁線圈斷開，此時寫極電機以永磁同步電機狀態運行。電壓方程為：

電機同步轉速運行時，瞬時電磁轉矩方程為：

2 MATLAB仿真結果

參考根據以上方程，利用仿真軟件MATLAB建立各部分的仿真模型，選用一臺單相雙極寫極電機進行動態仿真。電機參數如下：

表1 電機參數

轉動慣量J=0.0146kg/m2，NS/Ns=1.181。由電流-時間特性仿真圖3分析可得：啟動電流約是額定電流的兩倍，比傳統電機啟動電流低。由轉矩-時間特性仿真圖4分析可得：啟動轉矩約是額定轉矩的兩倍，能提供較大的啟動慣量。由轉速-時間特性仿真圖5可得：寫極電機在“寫”極之后，速度經輕微動蕩終趨于穩定，“寫”極實現。

圖3 電流-時間特性

圖4 轉矩-時間特性

圖5 轉速-時間特性

3 結論

本文提出了一種新型電機—單相寫極永磁同步電機的動態模型，基于Matlab/Simulink軟件中建立單相寫極電機動態仿真模型仿真結果表明：

（1）寫極永磁同步電機的雙速運行是可行的，能夠較好的適應于不同的工作環境，且具有效率高，功率因數高，啟動電流小，啟動轉矩大、慣量大，很強的瞬時重復啟動能力等優點。

（2）寫極電機從80%同步速到同步速時，不存在焦耳損耗，因而轉子不需要設置水冷/氫冷系統。