同步电机之关于U形铁心单相永磁同步电动机

    6 . 7 . 1结构原理

1．结构特点

在小功率电动机中目前依然是小功率直流电动机和小功率感应电动机占主要地位。如本章前面所述，由于永磁材料的出现，一种具有自起动能力的同步电动机已引起人们的普遍关注。但是这种结构的同步电动机转子集励磁与起动功能于一身，由于其功能的繁多而结构略显复杂。近年来，一种结构简单并且有自起动能力的单相永磁同步电动机引起了人们普遍注意。这种电机被称为U形铁心自起动单相永磁同步电动机。该电机结构如图6一21所示，其中定子铁心由U形硅钢片的冲片叠成，其铁心端部冲成具有不均匀阶梯形气隙的定子内径。定子绕组一般绕制成两个串接在一起的集中绕组。由单相绕组供电而在气隙中产生气隙磁场。而转子则由两个被平行磁化成两极的两个半圆形永磁体，永磁体可以是铁氧体、铝镍钻和NdFeB材料制成。在永磁体外侧还有一个铜质材料制成的套筒，该套筒采用一种特殊套接结构。它除了能套牢转子磁极外还具有阻尼绕组作用。

2．工作原理

由于定子铁心采用单相绕组，所以应该说气隙中磁场是脉振磁场。如果采用均匀气隙时，定子绕组断电时，永磁体磁极中心成ab将位于定子内圆几何中心dd位置上，通电后，定子绕组产生的脉振磁场轴线也就是dd线与永磁磁极轴线ab的夹角为0o，于是起动转矩，故此电动机无法起动。如果电动机采用不均匀气隙，那么未通电时，由于气隙的不对称，转子磁极轴线a一b将会停留在气隙最小，磁阻最小的位置上，此时它与定子内圆几何中心线d一d之间夹角占。，由于永磁体（特别是铁氧体）的磁导率与空气磁导率接近，转子永磁体也可以看成是气隙的一部分，如果忽略气隙的不均匀性，可以认为定子磁场的中心线就是定子内圆几何中心线d d 。电动机通电瞬间，定子磁场与转子永磁体磁场间仍存在夹角。 。，它们相互作用产生了起动转矩，则电动机便起动起来，经过两三个振荡便达到同步速度，并将保持同步速度旋转。

    由于定子绕组中通人单相电流而产生的磁场是脉动磁场，根据双反应理论，它可以分解为正反向两个旋转磁场，也就是转子转向即可是顺时针方向也可是反时钟方向，即此种电动机没有固定的转向。此外，转子表面所套的铜套筒中能形成具有阻尼性质的异步转矩，即当转子转速n，小于磁场转速n时起减速作用。由于此电动机是一个单相电动机，因而此电动机的起动问题是它的关键问题。

6 . 7 . 2数学模型

1．稳态运行的数学模型

U形铁心单相永磁同步电动机在稳态运行的数学模型是分析电机稳态运行性能的基础，通过该模型可以方便的计算出在不同负载下电动机的效率、功率因数以及电磁转矩等。电动机稳定运行时，转子以同步转速旋转，电流、感应电动势都具有与电源电压相同的频率，因此有。

2．等效电路及相t图

由式（6一109）和式（6一113）两式可得到U形单相永磁同步电机稳态运行的等效电路如图6一22所示。

    U形铁心单相永磁电动机的矩角特性如图6一24所示。从上式可见，U形单相永磁同步电动机稳态运行时的电磁力矩由两部分构成，等式右端第一项由永磁体磁场与定子电枢磁场相互作用产生的基本电磁转矩；第二项是由于U形单相永磁电动机与普通电动机不同其电阻较大。在分析中不可忽略，由电阻所消耗功率损耗的力矩损失。正是由于电阻大而不能忽略其的影响它还会引起电磁转矩的最大值减小，并且最大值出现时所处的功角，ma：也小于90 "，即一。，导致带载能力降低。