同步電機(jī)之關(guān)于U形鐵心單相永磁同步電動機(jī)

    6 . 7 . 1結(jié)構(gòu)原理

1．結(jié)構(gòu)特點

在小功率電動機(jī)中目前依然是小功率直流電動機(jī)和小功率感應(yīng)電動機(jī)占主要地位。如本章前面所述，由于永磁材料的出現(xiàn)，一種具有自起動能力的同步電動機(jī)已引起人們的普遍關(guān)注。但是這種結(jié)構(gòu)的同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子集勵磁與起動功能于一身，由于其功能的繁多而結(jié)構(gòu)略顯復(fù)雜。近年來，一種結(jié)構(gòu)簡單并且有自起動能力的單相永磁同步電動機(jī)引起了人們普遍注意。這種電機(jī)被稱為U形鐵心自起動單相永磁同步電動機(jī)。該電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖6一21所示，其中定子鐵心由U形硅鋼片的沖片疊成，其鐵心端部沖成具有不均勻階梯形氣隙的定子內(nèi)徑。定子繞組一般繞制成兩個串接在一起的集中繞組。由單相繞組供電而在氣隙中產(chǎn)生氣隙磁場。而轉(zhuǎn)子則由兩個被平行磁化成兩極的兩個半圓形永磁體，永磁體可以是鐵氧體、鋁鎳鉆和NdFeB材料制成。在永磁體外側(cè)還有一個銅質(zhì)材料制成的套筒，該套筒采用一種特殊套接結(jié)構(gòu)。它除了能套牢轉(zhuǎn)子磁極外還具有阻尼繞組作用。

2．工作原理

由于定子鐵心采用單相繞組，所以應(yīng)該說氣隙中磁場是脈振磁場。如果采用均勻氣隙時，定子繞組斷電時，永磁體磁極中心成ab將位于定子內(nèi)圓幾何中心dd位置上，通電后，定子繞組產(chǎn)生的脈振磁場軸線也就是dd線與永磁磁極軸線ab的夾角為0o，于是起動轉(zhuǎn)矩，故此電動機(jī)無法起動。如果電動機(jī)采用不均勻氣隙，那么未通電時，由于氣隙的不對稱，轉(zhuǎn)子磁極軸線a一b將會停留在氣隙最小，磁阻最小的位置上，此時它與定子內(nèi)圓幾何中心線d一d之間夾角占。，由于永磁體（特別是鐵氧體）的磁導(dǎo)率與空氣磁導(dǎo)率接近，轉(zhuǎn)子永磁體也可以看成是氣隙的一部分，如果忽略氣隙的不均勻性，可以認(rèn)為定子磁場的中心線就是定子內(nèi)圓幾何中心線d d 。電動機(jī)通電瞬間，定子磁場與轉(zhuǎn)子永磁體磁場間仍存在夾角。 。，它們相互作用產(chǎn)生了起動轉(zhuǎn)矩，則電動機(jī)便起動起來，經(jīng)過兩三個振蕩便達(dá)到同步速度，并將保持同步速度旋轉(zhuǎn)。

    由于定子繞組中通人單相電流而產(chǎn)生的磁場是脈動磁場，根據(jù)雙反應(yīng)理論，它可以分解為正反向兩個旋轉(zhuǎn)磁場，也就是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向即可是順時針方向也可是反時鐘方向，即此種電動機(jī)沒有固定的轉(zhuǎn)向。此外，轉(zhuǎn)子表面所套的銅套筒中能形成具有阻尼性質(zhì)的異步轉(zhuǎn)矩，即當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n，小于磁場轉(zhuǎn)速n時起減速作用。由于此電動機(jī)是一個單相電動機(jī)，因而此電動機(jī)的起動問題是它的關(guān)鍵問題。

6 . 7 . 2數(shù)學(xué)模型

1．穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型

U形鐵心單相永磁同步電動機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型是分析電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能的基礎(chǔ)，通過該模型可以方便的計算出在不同負(fù)載下電動機(jī)的效率、功率因數(shù)以及電磁轉(zhuǎn)矩等。電動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時，轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，電流、感應(yīng)電動勢都具有與電源電壓相同的頻率，因此有。

2．等效電路及相t圖

由式（6一109）和式（6一113）兩式可得到U形單相永磁同步電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的等效電路如圖6一22所示。

    U形鐵心單相永磁電動機(jī)的矩角特性如圖6一24所示。從上式可見，U形單相永磁同步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的電磁力矩由兩部分構(gòu)成，等式右端第一項由永磁體磁場與定子電樞磁場相互作用產(chǎn)生的基本電磁轉(zhuǎn)矩；第二項是由于U形單相永磁電動機(jī)與普通電動機(jī)不同其電阻較大。在分析中不可忽略，由電阻所消耗功率損耗的力矩?fù)p失。正是由于電阻大而不能忽略其的影響它還會引起電磁轉(zhuǎn)矩的最大值減小，并且最大值出現(xiàn)時所處的功角，ma：也小于90 "，即一。，導(dǎo)致帶載能力降低。