同步磁阻电动机研究

　　摘要：该文根据能量平衡观点，以异步电动机为参照，较全面地分析了Xd、Xq和凸极比K对磁阻电动机性能的影响，讨论了凸极比适合值的选择问题，并指出对cosj小于0.85以下的小容量电机，同步磁阻电动机在应用中可与异步电动机匹敌。

　　关键词：同步磁阻电动机;凸极比;异步电动机

　　同步磁阻电动机由于结构简单，转子不存在电磁损耗，能避免开关磁阻电机的噪声大及低速运行时力矩脉动显著等缺点，近年来逐渐引起人们的研究兴趣，特别是1991年著名学者T.A.Lipo教授发表文章提出同步磁阻电动机在交流驱动系统中替代异步电动机的可能性的问题[1]以后，更引起众多学者的关注。遗憾的是所发表的文章都是以分马力电机为例来讨论问题，而这种微型电机在交流系统中占不了什么位置。然而，替代大量使用的异步电动机是一个重要的命题。它不仅在性能上意味着同步磁阻电动机能等同或超过异步电动机，而且在容量上至少要达到kW级，不能只在分马力电机中打转。在认真对待同步磁阻电动机的应用前景时，首先引起研究者注意的是如何克服长期以来阻碍同步磁阻电动机广泛应用的功率因数偏低及与同尺寸的异步电动机比较其出力偏小的问题。从同步电机的基本运行原理来看，它与磁阻电动机的凸极比密切相关。所以，迄今为止大量研究文章都聚焦于寻找增大同步磁阻电动机凸极比的方法上。然而，电机是机电能量转换的机械，它的运行规律必须遵守能量转换规律。能量必须有载体，而载体在承载能量时有限制。这是讨论问题的前提和依据。凸极比只能在这个限制下发挥作用。据此，本文展开了对磁阻电动机的研究，并认为同步磁阻电机与同容量的鼠笼电机有共同的定子，它们只是在转子结构上不同。在此基础上来研究同步磁阻电动机的应用前景。

　　2 相量图与基本公式 图1为同步磁阻电机的相量图。根据这个相量关系可以导出同步磁阻电机的基本公式如下：

　　电压方程：

　　输入功率和输出转矩：

　　3几个问题的分析几个问题的分析几个问题的分析几个问题的分析

　　3.1 出力与凸极比的关系

　　若忽略定子绕组电阻r，则电机输出转矩表达式(8)简化为：

　　可见，电机的输出转矩随凸极比增大，这正是迄今为止大多数研究文章追求高凸极比的重要原因。然而从能量平衡的观点看，电机的输出是由输入决定的。因笔者认为同步磁阻电动机与普通交流电机有共同的定子，则电机的输入相电压U、相电流I的允许值可认为是确定的，即电机的视在功率S=mUI一定，这样输入功率P=mUIcosΦ只有在cosΦ的变化范围内能够适当调整，则同步磁阻电动机的输出力矩不可能随K无限增大。其次，若将异步电动机的过载能力作为同步磁阻电动机的参考指标，则由KM=1/sin2θe可得在额定工作状态下的功角θe=1/2arcsin(1/KM)。Y系列异步电动机过载能力的实际值大体在2-3的范围，则性能与异步电动机相匹敌的磁阻电动机的θe约在10°-15°的范围，由式(11)，K值也就大体确定了范围。显然，过分追求增大凸极比也没必要。

　　为了方便对所讨论的磁阻电动机的性能与相同定子的异步电动机作比较，将部分Y系列4极异步电动机的若干数据列于表1。