自起动永磁同步电动机起动转矩的分析

本文介绍了自起动永磁同步电动机起动过程的转矩分析

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新技术应用

自起动永磁同步电动机起动转矩的分析陈湘坤’摘要

本文剖析 7自定向自起动和不定向自起动爪挂式永磁同步电动机极爪应具有的特点和要求，指出起动时转矩及起动时振动与起动角和电流初相的关系。提出了用

虚席位移法求取起动转矩的计算方法。

一

、

概

述

自起动永磁同步电动机是一种结构简单、运行可靠、转速低，转矩大，体积小、能自起动的微型同步电动机。广泛用于自动化仪表，家用电器及各种要求恒速运转的微型驱动及控制系统中。图 l、 2展示了这种电机常见的两种结构。电机的定子绕组是集中的环形绕组，

暖

图 l自起动永磁同步电动机

图 2自起动永磁同步电动机

广东工学院

B年第 3 g期

。

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转子磁极由圆环形铁氧体磁钢充磁而成，为了形成多极，采用了爪极结构不论爪极在定子上还是在转子上，爪极的作用都是将定子或转子的轴向磁场转化成沿气隙圆周径向异极排列的磁场，同时将一对极转化成 P对极。这种电机极数多，转子掼量小，有自起动能力。但起动时，起动转矩不稳定，多数电机都出现不定向起动现象，有时还伴随

有振动和抖动电机哉不定向起动的特点已甩于家甩电器，如用这种电机带动转页式风扇的页轮旋转。但在多数场合，是不允许电机随意反转的，目前太多采用在端盖和轴上加装棘轮之类的定向机构来阻止它反转。这也就增加了起动时的冲击和振动。 随着家用电器的飞速发展，近几年来已有不少工厂生产自起动永磁同步电动机，因而对这种电机的起动性能，正、反向起动问题，振动和抖动问题有必要认真地进行分析和研究， 以便掌握它，控制它，设计和生产出起动性能优良、符合生产机械要求的电机。本文以此为

出发点试加分析和论述，不当之处请指正。

二、各种爪极结构及其起动情况的分析下面就图 l结构型式的电机加以分析( )对称结构 a定子植爪

口

口

臣， 口口

( d)不对称加篮聩拜结构

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二[工 二二三、转子磁植

( )对称加短瞄茸结构 b

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互[[王[五

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( )不对称结构 e

同 3各种爪攮结构展开罔

图 3画出了几种常见的自起动永磁同步电动机的定子爪极和转子磁极的空间位置展开

图。图中，有剖面线的爪极表乖左瓜极片的极爪，无剖面线的为右爪极片的极爪，双线框表

t 4’ 2

《粤工皂鸽新}牛主

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示罩极。

() () ()三种爪极结构电机常见用于转页式风扇中，能正、反方向起动，起动时 a, b, c往往有冲击振动。先以图 3 a、 3 b结构为倒，分析起动时的现象。 () () ( 1)定子未接通电源时，依靠转子磁极与定子极爪产生的磁定位力矩，转子静止在总磁阻为最小的 (示)位置 j图

(2)若定子接通电源时，左极爪呈 N极性右极爪呈 s极性，这时产生的电磁力将推动转子向右按顺时钟方向起动 I若左极爪呈 S极性右极爪呈N极性，则向左按逆时针方向起动。

可见，爪极在各对极下对称排列的永磁同步电动机，不论有无罩极，其起动方向是不同定的，随机的。当我们用机械方法控制转向时，当然会出现冲击和振动。 冉看图 3 d所示结构 t其爪极排列不对称，极片有大有小，间距也有大有小，还有部分 ()罩极。该电机是定向起动的。 分析该电机接通电源时的起动情况可以看出，一部分极下产生正向电磁转矩，一部分极下产生反向电磁转矩，但起动过程中正向转矩大于反向转矩，电机能不靠棘轮而定向自起动。

由此可见，爪极的结构形状与空间布置、罩极结构及空间布置是决定电机能否定向起动的关键。在要求定向自起动的电机中，必须巧妙安排。

三、起动转矩的计算方法根据能量平衡，用虚角位移法求取静转矩是比较方便的。静转矩 T可由式 (1)计算r= (I)

式中： W—磁共能； 0—转子位移角。—— 式 (1)还表明；转矩的正方向与磁共哉的增加方向一致。在电流不变时，当磁共能随fd

_●

0 a

磁链增加而增大时，磁能也随着增大。所以电磁转矩的实际作用方向就是磁能增大的方向。这就是说，在电磁力矩作用下，转子趋向于转到磁场能量为最大的位置。 1一极下起动转矩的计算 .为便于分析，将电机的磁场看成是许多小单元磁路的总合。如图 4,图中小单元① 表示漏磁通单元磁路 I小单元②、③表示主坚4I

,

口巴N S

磁场及单元磁黯

磁通单元磁路； 0起动初瞬间定子瓜极中心线 s与转子极中心线的空间电角位移——起 为 动角；小单元磁路在转子极表面距转子极中心线 r的空间电角位移为，显见 p=0 。 一 主磁通的每个小单元磁路都由一个永磁体磁势元两个气隙、定子齿及轭等部分构成， 等效磁路如图 5。第个磁路之各部分磁阻用1 8年第 3期 99

,矗 i R z, R,示，磁势元的磁 , 表 5 2

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势用 F。 表示，转子漏磁路磁阻用。 表示，定子有电流时定子磁势为 F定子漏磁路磁 阻为。 F和 i与位置角口的关系见图 6,在一个极距内的表达式为：=

(一)詈 /o￣ t￣dg￣ i

(2)

④:二

(3)

RI

F【 ) R ( ) 、

R J2 2R- 3

I

一 N 1— 1‘】 N l\ s/ I^ 1 、

B

( )电诳 h

i

0时

J 5等盐磁路

l 6磁势元的礁势。磁 j 且在每啦下的空间分布

式中；月——转子外径， P—极对数， i—磁钢厚，日—磁钢视在矫顽力。——— 同样，气隙磁阻定子自磁共能 w…, 也是位置角的函数，应表示为，定转子互磁共能‘

。目和 ()

()日。

由于永磁同步电动机是双回路励磁的电机，定转子各有一个独立的励磁磁势，磁共能由转子自磁共能。

三部分组成。即t

+

m+

= F【告 +{F:2 3^+ F^

() 4

式中 F, F分别为定子磁势和转子永磁体磁势， ——

定子磁势产生磁通所对应

的磁导， 定转子互磁通所对应的磁导。

^——转子磁势产生磁通所对应的磁导， z——

^,屯， a可由图 5求得。

将式 ( )代入式 ( )得起动转矩 T 4 1

盟

: W;+ d

+

~‘

哼 F . FL.FF z 唁 d。d 一 一 一枷

= T。+ m+

(5 )

式中第一项

是转子不对称磁阻转矩。它反映转子位置变化时定子自磁共能的变化。由于

转子采用铁氧体磁锕，相对导磁率， 1定子自磁共能不随转子位置丽变化，所以 r. ,=

0第二项 T是定子不对称磁阻转矩。由于 F,^都是转子位置的函数，所以 T年O。 m z 。 2 6 《工电能新技术电

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d F∑:=

2

(6)

第三项 T是互转矩。由于 F,。都是转子位置的函数，所以 々

0

d F - ∑ F屯一————— ——

(7)