高穩定角動量磁滯同步電機設計與應用*

趙煥玲

（貴州職業技術學院，貴州 貴陽 550023）

0 引言

磁滯同步電機是一種利用磁滯材料產生磁滯轉矩而工作的同步電動機[1]。在工作原理上，其啟動轉矩與同步轉矩都是基于磁滯材料與定子產生的旋轉磁場作用產生的，其啟動性能與同步運行性能要求都能夠得到滿足[2]。啟動電流與正常工作電流接近，在長期過載的情況下，電機繞組溫升較低，可以避免因電機發熱而損壞。在電機結構設計過程中，繞組在定子上，定子內孔與高速轉子外圓通過磨削加工的方法，其同軸度能夠很好地保證轉子在定子中的轉動可靠，同時，轉子由環形磁滯片疊加黏接在一起，經外圓磨削后，圓周對稱性好，通過動平衡措施，轉子動不平衡量能夠達到很小。因此，在高速旋轉的過程中，電機轉矩平穩、噪聲低。

通過磁滯同步電機高速旋轉驅動質量飛輪，從而獲得穩定角動量[3]，是精度要求較高的機械陀螺儀的理想動力源，在工作過程中，電源波動對磁滯電機干擾小，轉速平穩，能夠提供理想的調諧轉速和高穩定角動量[4]，從而減小陀螺儀的常值漂移[5]。

對于應用于陀螺儀的動力裝置，要求磁滯同步電機功率較小，但平穩性高，在頻率為500 Hz的工作電壓下[6]，轉速要求在10 000轉/分鐘，工作電壓、頻率及熱負荷對電機角動量穩定性能影響較大。

1 方案設計

1.1 結構設計

在磁滯同步電機結構設計過程中，采用外定子、內轉子的形式[7]，定子熱壓入底座內，轉子由磁性能高及穩定性好的磁滯片疊壓制成，用不同的材料加工成不同長度的螺釘，對磁滯同步電機動平衡進行調節，從而減小動不平衡量，提升電機轉子轉動平穩性，降低轉動噪聲。為了滿足系統結構要求，磁滯同步電機結構示意圖如圖1所示。

圖1 磁滯同步電機結構示意圖

磁滯同步電機主要由底座、定子、轉子、外軸套、內軸套、驅動軸及軸承等組成。由線圈繞組鑲嵌在硅鋼片槽隙里組成定子繞組，沖壓好的磁滯片套入支撐座上黏接后經外圓車、磨等工藝加工制成轉子。

1.1.1 定子結構設計

定子由硅鋼片疊壓、線切割后，將繞組嵌入槽內，最后使用工裝成型，硅鋼片疊片系數Kfe=0.93，定子結構示意圖如圖2所示。

圖2 定子結構示意圖

受系統結構外形尺寸限制，定子內徑Di1=1.574 cm，定子外徑De1=2.4 cm，定子鐵芯有效長度lt1=0.8 cm，故定子長徑比，齒數Z為36，定子齒寬，軛高hj1=0.1 cm，槽深ht=0.26 cm，通過三維模型設計槽面積Ss=2.7 mm2。

1.1.2 定子繞組設計

定子采用雙層疊繞組形式，其中每極每相槽數：q=2，定子槽數：Z=2mpq=2×3×3×2=36，槽極距：，繞組節距槽，相對節距：，極對數：

1.1.3 繞組設計

繞組漆包線的線徑：di=Φ0.12 mm，導線電阻率ρ=1.683Ω/m，每個線圈匝數：We=32匝，則每相串聯匝數[8]W1=12×32=384匝，故每槽導體數：匝（注：a為并聯支路數，通常取1），導線截面積：需要的槽面積：（注：Ks為填充系數，一般取0.2～0.4，選Ks=0.3）。

1.1.4 轉子結構設計

轉子采用磁滯環經膠黏接套裝在支撐座上，通過壓環壓緊固定，車、磨加工制成，轉子結構示意圖如圖3所示。

圖3 轉子結構示意圖

設計中，磁滯同步電機氣隙長度：δ=0.007 cm；轉子外徑：De2=Di1-2δ=1.574-2×0.007=1.56 cm；轉子材料工作點：磁通密度Bp=15 000 Gs，比磁滯損耗pμ≥1.5×105erg/cm3Hz。

由以上結構、槽型計算結果可知，磁滯同步電機結構設計合理。

1.2 熱計算

電機結構緊湊，主要為底座外殼、后蓋散熱，因此電機的熱負荷如下。

Dj：比例系數

hE：繞組端部伸出長度；

Δ1：后蓋與繞組間距離；

Δ2：后蓋厚度。

1.3 電機設計計算

在工程實踐應用中，由于結構空間的原因，在定子線圈繞制上進行完善，同時對電機供電電壓進行調整，按方案1、方案2、方案3、方案4的設計改進及工程實踐，按結構設計的尺寸參數，按磁滯同步電機計算公式，對繞組系數、電阻值、磁路、最大功率點及熱負荷進行計算，同時，充分利用結構空間，對減小供電電壓的方案5進行理論設計計算。各方案的具體設計參數計算[9]，如表1所示。

2 工程應用分析

工程實踐中，按設計方案1～方案5裝配了工程樣機，磁滯同步電機工程樣機如圖4所示。

圖4 磁滯同步電機工程樣機

按設計方案1～方案5對樣機進行裝配試驗，電機實際性能指標如表2所示。

從表2電機運行性能參數指標可以看出，方案5設計裝配的2#樣機，啟動電流、工作電流均較小，在帶負載運轉10 min后的線圈兩相電阻也不大，因此其溫升較低。

電機的總損耗和電機的散熱條件是影響電機溫升的主要因數。從表1設計參數的理論計算和表2裝配不同設計方案的電機實際發熱情況可以看出，方案5的熱負荷（0.06 W/cm2）最小，其次為方案2的熱負荷（0.097 W/cm2），方案4的熱負荷最大（0.173 W/cm2）。方案5和方案1進行比較，在其他參數不變的情況下，減小電源電壓主要是減小輸出功率，減小相電流，從而達到溫升較小幅度的下降，但電機效率不變，由于底座結構發生變化后，熱容發生了變化，因此，帶負載運轉10 min后，方案5的2#樣機較方案1的4#樣機線圈兩相電阻較大。另外，方案3在方案2其他參數不變的情況下，減少了線圈匝數，相電流增加，銅損增大，電機效率降低。

表1 電機設計參數計算

表2 電機樣機性能指標

通過以上的分析，解決電機發熱的問題，應改變定子槽結構空間和線圈匝數，減小銅損耗，提高電機效率[10]。因此，在后續設計工作中主要從提高電機效率、減小銅損、降低熱負荷等方面進行改進。

另外，由于在電機軸承裝配設計過程中，結構空間的限制，導致下端軸承安裝段采用臺階的形式，在配軸承研磨孔時，容易將兩軸承裝配偏心，給裝配帶來困難，造成驅動軸線不穩定，引入干擾力矩，導致角動量變化的變化，增加附加損耗，使實際熱負荷大。另外，軸承上端外環在裝配過程中，還需要增加鍍層以增大裝配預緊力，避免容易產生多余物、可靠性降低、噪聲增大等風險。

3 結束語

通過對高穩定角動量磁滯同步電機的設計、計算，在工程實踐中，對結構、參數改進后的電機技術指標校核，電機的銅損耗有較明顯的降低，最大效率有所提高，計算的熱負荷能夠滿足系統的要求，但熱負荷對電機轉速穩定的影響還需要在高溫等環境下進行深入研究。