基于有限元的U型單相永磁電動機起動分析

摘 要：U型單相永磁同步電動機是一種特殊結構的單相自起動永磁同步電動機。其永磁體轉子與U型定子鐵芯之間氣隙設計成不均勻結構，使電動機通電后能夠自行起動。應用ANSYS有限元分析軟件建立了電動機的二維仿真模型，分析不同氣隙結構的空載磁場分布、定位轉矩波形，驗證了不均勻氣隙結構U型單相永磁同步電動機是具有自起動能力的。根據永磁體N、S極的磁性特點，使用ANSYS軟件確定電動機轉子的初始位置，沿著位置方向在定子鐵芯上開槽并放置永磁體對轉子進行定位，并設計了一種簡單的電源電路來控制電動機的旋轉方向，對該電動機的研究具有一定的指導作用。

關鍵詞：U型鐵芯；單相永磁同步電動機；不均勻氣隙

引言

隨著永磁材料的出現，一種具有自起動能力的U型單相永磁同步電動機引起了人們的普遍關注[1]。U型單相永磁同步電機是一種采用單相交流電源供電的具有特殊結構的單相永磁同步電動機，電動機采用不均勻氣隙結構，不需要外加控制裝置，也不需要起動電容和起動繞組就可自行起動，由于不均勻氣隙結構產生的起動力矩有限，U型單相永磁同步電動機適用于起動力矩要求不高的場合，另一方面定子繞組通電后產生的磁場是脈振磁場，而脈振磁場可以分解為兩個方向相反、速率相同的圓形旋轉磁場，適用于旋轉方向不定的場合，如：風機、泵類等[2-3]。與同容量的傳統單相異步電動機相比，U型單相永磁同步電動機具有效率高、結構簡單、制造容易等優點，在小功率家用電器中有著廣闊的應用前景。

針對以上情況，本文在U型單相永磁同步電動機結構特點的基礎上，基于有限元磁場分析了均與氣隙與不均勻氣隙結構的空載磁場分布和空載磁阻轉矩，驗證了不均勻氣隙結構能夠有效產生起動力矩。通過軟件的輔助仿真確定了不同均勻氣隙結構的轉子初始位置角，并設計了一種能夠控制電動機轉向的方法，該方法是在電動機能夠有效起動和運轉的前提下，利用簡單控制電路和轉子結構定位結合來確定電動機的初始旋轉方向。

1 結構分析

U型單相永磁同步電動機永磁轉子與U型鐵芯相互作用產生了定位轉矩，使得電動機不通電時轉子始終停在氣隙磁阻最小的位置，根據這個特點U型單相永磁同步電動機采用不均勻氣隙結構就能夠實現自起動。構成不均勻或者不對稱氣隙結構的方法有多種，都是采用不均勻氣隙結構使轉子位置與均勻氣隙結構相比有一定的偏移，當電動機通電后繞組產生的磁場方向與永磁體轉子磁場方向有了夾角，從而起動力矩不為零[2]。本文U型單相永磁同步電動機采用定子內圓不同半徑夠成的不均勻氣隙，其結構如圖1所示，電動機由U型定子鐵芯、永磁體轉子、集中繞組簡單構成，ab線為水軸線，cd線為永磁體磁力線方向，α為兩個軸線之間的夾角。

2 有限元磁場分析

2.1 靜態磁場分析

通過AutoCAD軟件畫出模型圖導入到Ansys軟件的Maxwell 2D模塊中建模，利用靜磁場求解得到均勻氣隙和不均勻氣隙結構的空載磁場分布如圖2所示。

根據圖形得出均勻氣隙結構的磁場均勻對稱分布，且轉子磁力線方向與水平軸方向沒有夾角，此種電動機不能夠產生起動力矩。而不均勻結構的磁場有明顯的不均勻變化，轉子磁力線方向有水平方向有了一定的偏角，這種結構的電動機具有自起動能力。

2.2 定位轉矩分析

在仿真模型中設置電動機繞組為不加激勵狀態即空載時，使出轉子旋轉一周，得到每個位置的定位轉矩，其波形如圖3所示。

波形圖進一步說明電動機轉子磁力線在水平方向時即圖中0°或180°角處時，均勻氣隙結構電動機定位力矩為零，而不均氣隙結構電動機有定位轉矩，繞組通電后電動機能夠自行起動。

3 轉向控制

3.1 電動機轉向分析

旋轉方向問題是單相永磁同步電動機所特有的問題，繞組通電后產生的磁場可分解為兩個方向相反、速率相同的圓形旋轉磁場，因此電動機的旋轉方向是不固定的。文獻[3]中說明了交流電源合閘相角、轉子定位偏角、負載轉矩和輸入電流中的任意一個參數改變時都會引起電動機旋轉方向、轉速的變化，為了使電動機易于起動，同時轉速的波動范圍小，應該針對不同負載合理地選配參數。本文研究是在電動機能有效起動運轉前提下即負載轉矩和輸入電流一定時，對轉子定位偏角、交流電源合閘角進行確定來固定電動機的旋轉方向。

3.2 轉子定位結構

由不均勻氣隙結構定位轉矩波形圖可知在轉子旋轉一周內定位轉矩為零的位置有4處，其中兩處在垂直方向上的上下兩處，根據物理動態平衡原理，這兩個位置點在轉子旋轉一周過程中是瞬態平衡的，所以電動機不通電時轉子始終停在另外兩處定位轉矩為零的位置。本文設計的方法是在永磁體磁力線cd方向上的定子鐵芯中分別開槽并放置一個N極磁鐵和一個S級磁鐵，使得在電動機靜止時永磁轉子S極一側停在定子上N極方向處即始終停在同一位置，其結構如圖4所示。

3.3 電源控制電路

電動機繞組只需接單相交流電源，為了確保接通電源時繞組通電產生的磁場方向始終為一個方向，本文結合轉子定位結構設計了一種單相交流電源正半波起動電路如圖5所示，電路中D1、D2為單向二級管，D3為穩壓管，R1、R2、R3為電阻，C1、C2為電容，U1為雙向光電耦合器，B1為U型單相自起動永磁同步電動機，接220V、50HZ單相交流電源。

當接通電源初始電壓為正半波時，正半波電壓經D1后再通過C1和R1、 R2降壓限流為低壓5V直流電，由穩壓管D3穩壓后對電容C2充電后經R3觸發光電耦合器導通，此時通入電動機繞組電壓為正半波，電動機開始起動，接下來電源為負半波時，由于電容C2放電光電耦合器仍然導通，經電源的周期變化電動機正常運行。而若初始電流為負半波，二極管D2不導通，光電耦合器管斷，電動機不起動。

4 結束語

本文首先在ANSYS MAXWELL2D模塊中建立電動機二維模型，仿真對比分析均勻氣隙結構和不均勻氣隙結構的U型鐵芯單相永磁同步電動磁場分布，得出定位轉矩波形圖，從圖中可知不均勻氣隙結構能夠產生偏角，使電動機能夠自行起動。然后根據交流電源合閘相角、轉子定位偏角、負載轉矩和輸入電流是影響電動機旋轉方向和速度因素的結論，提出了在電動機能負載轉矩和輸入電流一定時通過轉子定位結構和電源控制電路結合來確定電動機的旋轉方向的方法，此種方法對該電動機的研究具有一定的指導作用。

參考文獻

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作者簡介：殷先波（1988-）廣東工業大學碩士研究生，研究方向電機與電器。